熊宏亮,宋曉東

(山東電力工程咨詢院有限公司機務環(huán)保部,山東濟南 250013)

煤場防風抑塵網(wǎng)抑塵效果研究

Research for the effect ofwind-proof and dust suppressingwall in the coal yard

熊宏亮,宋曉東

(山東電力工程咨詢院有限公司機務環(huán)保部,山東濟南 250013)

隨著國家環(huán)保要求越來越高,火電廠煤場揚塵問題受到越來越多的關注。防風抑塵網(wǎng)作為治理煤場揚塵的有效技術,日益得到廣泛的應用。論述了煤場起塵機理、起塵風速及起塵量估算、煤場揚塵預測模式,綜合研究了防風抑塵網(wǎng)起塵機理及抑塵效果,提出了起塵風速及起塵量估算推薦公式、煤場揚塵預測推薦模式,并通過數(shù)值模擬計算與實測數(shù)據(jù),對防風抑塵網(wǎng)抑塵效果進行了分析。

煤場揚塵;預測模式;防風抑塵網(wǎng)

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,國家對環(huán)境保護的要求也越來越高,在火電廠的建設和運行中,煤場揚塵問題也受到越來越多的關注。近期新建、改擴建的濱海電廠、西北干旱多風地區(qū)的火電廠均提出設置防風抑塵網(wǎng)的要求。目前,防風抑塵網(wǎng)治理煤場無組織排放技術在國內(nèi)剛剛起步,尚未進行全面的研究,僅僅是通過粗略估算設置,其經(jīng)濟合理性較差。隨著環(huán)保政策的日益嚴格,煤場防風抑塵網(wǎng)的應用日益廣泛,有必要對防風抑塵網(wǎng)抑塵效果進行研究,對防風抑塵網(wǎng)的設置方案提出推薦意見,使其既能滿足環(huán)保要求,同時又經(jīng)濟合理可行。

1 煤場起塵機理研究

煤場起塵分為兩類:一是煤場表面的靜態(tài)起塵;二是在堆取料等過程中的動態(tài)起塵。動態(tài)起塵主要是指裝卸作業(yè)時的起塵,屬于火電廠正常運行狀況;而靜態(tài)起塵主要是由于風的湍流引起的。根據(jù)微觀粒子運動理論,在風力作用下,當平均風速約等于某一臨界值時,個別突出的塵粒受湍流流速和壓力脈動的影響開始振動或前后擺動,但并不離開原來位置;煤場中的煤粒只有達到一定風速才會起塵,這種臨界風速稱為起動風速。

當風速增大達到或超過臨界值之后,煤粒振動也隨之加強,拖曳力和上升力相應增大并足以克服重力的作用,旋轉力矩促使一些不穩(wěn)定的煤粒首先沿著煤堆床面滾動或滑動。顆粒群中的小顆粒在大氣中呈懸浮狀態(tài),并在氣流的帶動下,隨著氣流一起運動,擴散一定距離后沉降下來。

通過對煤場揚塵粒徑分布試驗結果的分析,煤場揚塵中,煤塵粒徑范圍通常在200～10μm之間,其中,粒徑小于80μm的煤粒約占90%。

2 煤場起塵風速及起塵量估算

2.1 煤場起塵風速計算

煤場表面的揚塵主要與起塵風速有關,不同粒徑的煤塵在不同含水率條件下的起塵風速可按下述半經(jīng)驗公式計算:

式中:V0為起塵風速,m/s;W為煤表面含水率,%; d為煤塵粒徑,mm。

2.2 煤場起塵量計算

2.2.1 環(huán)評推薦公式

根據(jù)國家環(huán)境保護總局監(jiān)督管理司推薦的煤堆起塵量計算方法,貯煤場起塵量影響預測采用下述計算公式:式中:Qp為煤堆起塵量,mg/s;V為環(huán)境風速,m/s; W為煤堆表面含水率,%;β為經(jīng)驗系數(shù),一般取值6.13×10-5;Ap為煤堆面積,m2。

2.2.2 以風速和煤堆表面積為主的公式

根據(jù)陽泉煤礦模擬試驗,用風洞模擬和現(xiàn)場實測相結合,就煤場揚塵問題,以煤場風速和煤堆表面積為主要因素,得到的計算式推薦如下:

式中:Q為揚塵量,g/s;V為風速,m/s;S1煤堆上表面表面,m2;S2煤堆迎風面面積,m2;S3煤堆背風面面積,m2;S4煤堆側表面表面,m2。

2.2.3 只知道煤堆表面積的計算公式

式中:Qm為煤堆起塵量,mg/s;V為臨界風速,m/s,取大于5.5m/s;S為煤堆表面積,m2;ω為空氣相對濕度,取60%;W為煤物料濕度,原煤6%。

2.3 各計算公式對比分析

對于上述計算公式,利用某電廠2×600MW機組煤場進行對比分析,煤場設計參數(shù)如下:煤場采用斗輪堆取料機條形煤場,煤場長200m,寬100m,煤場堆高13m。

2.3.1 起塵風速計算

根據(jù)煤場起塵風速計算公式,在不同含水率及煤塵粒徑的情況下,煤場起塵風速計算見表1。

表1 不同含水率煤場起塵風速計算m/s

根據(jù)理論計算,結合風洞試驗資料,實際應用中煤堆起塵風速一般取4.4m/s。

2.3.2 起塵量計算

綜合分析上述起塵量計算公式,環(huán)評推薦公式包含環(huán)境風速、煤堆表面含水率、煤堆面積等影響煤場起塵量的關鍵因素,適用性較廣,代表性較強。因此,采用環(huán)評推薦公式作為煤場起塵量的計算公式。

在不同風速、不同含水率的情況下,煤場起塵量情況見表2。

表2 不同含水率煤場起塵量計算g/s

3 煤場揚塵擴散模式的選擇

3.1 擴散模式的選擇

目前,應用于環(huán)評的面源擴散模式主要包括中心點源修正法、后退虛擬點源修正法、數(shù)值積分法等幾種?？紤]煤場揚塵的可沉積性,推薦采用傾斜煙羽后退虛擬點源修正預測模式:

式中:H為面源高度,m;Q為塵粒子排放量,mg/s; a為塵粒子地面反射系數(shù);Vg為粒子重力沉降速度, m/s;X面源中心到測點的距離,m;V為風速,m/s; σz為垂直擴散參數(shù);σy為水平擴散參數(shù)。

3.2 煤場揚塵預測

采用上述預測模式,對國內(nèi)某電廠2×600MW機組煤場揚塵進行預測,煤場設計參數(shù)同上。根據(jù)風洞試驗資料,煤堆起塵的啟動風速約為4.4m/s,本次主要預測計算D類穩(wěn)定度下風速5～10m/s、煤堆表面含水率4%～8%的情況下煤場揚塵的軸線濃度,預測結果見表3。

由表3可以看出,隨著風速的增加,相同距離上的揚塵地面濃度增加,揚塵的影響范圍不斷擴大。隨著煤堆含水率的增加,相同距離上的揚塵地面濃度減小,揚塵的影響范圍不斷縮小。當煤表面含水率大于7%時,大風條件下(10m/s),煤場周界外TSP濃度不超過《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297-1996)規(guī)定的無組織排放源周界外質(zhì)量濃度標準(1.0mg/m3)。

表3 煤堆煤塵小時軸線濃度mg/m3

4 防風抑塵網(wǎng)結構形式及抑塵效果研究

4.1 防風抑塵網(wǎng)抑塵機理研究

防風抑塵網(wǎng)能大量降低露天煤場的起塵量,其機理是通過降低來流風的風速,最大限度地損失來流風的動能,避免來流風的明顯渦流,減少風的湍流度而達到減少起塵的目的。

由于氣象、地形及煤場內(nèi)物料情況等因素影響,煤場具有陣發(fā)性風,易形成渦流風,使煤場內(nèi)的起塵量增加。當風通過防風抑塵網(wǎng)時,一部分氣流經(jīng)過防風抑塵網(wǎng)進入墻內(nèi)的庇護區(qū);另一部分氣流向上繞過防風抑塵網(wǎng)進入墻內(nèi)的庇護區(qū),這樣做可使風的動能損失最大,煤堆起塵量最小,即以損失風動能達到最大限度地減少煤堆起塵的目的。

4.2 防風抑塵網(wǎng)結構形式研究

4.2.1 防風抑塵網(wǎng)結構形式概述

目前,電廠使用的防風抑塵網(wǎng)一般包括三部分:一是地下基礎,可現(xiàn)場澆注混凝土,也可預制混凝土件;二是支護結構,采用鋼支架制成,以提供足夠的強度,保證足夠的安全系數(shù),以抵御強風的襲擊,同時考慮了整體造形的美觀;三是防風抑塵板,現(xiàn)場將單片防風抑塵板組合起來形成防風抑塵網(wǎng),板與板之間無縫隙,防風抑塵板與支架之間采用螺釘和壓片連接固定。

防風抑塵板設計使用壽命10～15 a,采用非金屬復合材料經(jīng)膜壓一次成型,根據(jù)空氣動力學原理,當風通過由“防風抑塵板”組成的“擋風墻”時,墻后面出現(xiàn)分離和附著兩種現(xiàn)象,形成上、下干擾氣流,降低來風的風速,極大地損失來風的動能,減少風的湍流度,消除來風的渦流,降低對煤堆表面的剪切應力和壓力,從而減少起塵量。

4.2.2 防風抑塵網(wǎng)高度設計

防風抑塵網(wǎng)高度由煤堆高度、煤堆面積和環(huán)境質(zhì)量要求等因素來確定。防風抑塵網(wǎng)靠近煤堆設置,要求煤塵飛揚量小于國家標準,通過南京工業(yè)大學進行的風洞實驗,綜合計算得出防風抑塵網(wǎng)的高度比堆煤高出2～3m較為適宜。

4.2.3 防風抑塵板的開孔率

防風抑塵板的開孔率作為防風抑塵板的結構指標,它是防風抑塵板的開孔透風面積與總面積之比,是設計防風抑塵板的一個重要參數(shù)。不同材質(zhì)、不同加工工藝,開孔率不同,透風系數(shù)也不同,抑塵效果也就大不相同。一般要求開孔率在15%以上,最常用的防風抑塵板開孔率在30%左右。

4.3 防風抑塵網(wǎng)抑塵效果研究

4.3.1 數(shù)值模擬計算

4.3.1.1 計算條件

數(shù)值模擬的計算區(qū)域根據(jù)火電廠實際廠區(qū)布置設置成長7200m、寬460m、高200m的長方體空間,在其露天煤場有A、B 2個煤堆,呈條形,長分別為135m和120m,高分別為25m和17m,其他建構筑物為主廠房、冷卻塔、脫硫、除塵裝置、風機房、煙囪、辦公樓、檢修車間及其他設施等。

4.3.1.2 防風抑塵網(wǎng)對地面風流場的影響

大氣邊界層的流動是充分發(fā)展的湍流,在這樣一個流場中防風抑塵網(wǎng)前后風場流動是十分復雜的。從近地面風流線圖圖中可以發(fā)現(xiàn),在沒有防風抑塵網(wǎng)時,近地面氣流直接作用于煤堆,風極易從煤堆表面剝離和揚起煤塵并攜帶到下風向;而設置防風抑塵網(wǎng)后,氣流在墻后發(fā)生了明顯的跳躍,不能直接作用在煤堆上,這個跳躍區(qū)域是一個明顯的漩渦回流區(qū),這個回流區(qū)因為具有低速負壓特性而被稱為空氣動力陰影區(qū)。如果煤堆被放置在這一區(qū)域內(nèi),則可以防止粉塵顆粒飛揚。

4.3.1.3 防風抑塵網(wǎng)對地面風壓的影響

對于煤堆A、B,在較大風力天氣條件下,其最易揚塵的是煤堆頂部棱、側坡面和棱處,在該處設置防風抑塵網(wǎng)的效果明顯。無防風抑塵網(wǎng)時,風力直接作用在煤堆表面,煤堆迎風面和棱處風壓較大,當風速為7.5m/s時,煤堆頂部棱風壓達到40 Pa,側坡面棱處風壓達到了60 Pa,風極易從煤堆表面剝離和揚起風塵并攜帶到下風向;而設置防風抑塵網(wǎng)后,煤堆表面風速明顯減弱,煤堆迎風面和棱處風壓明顯減小,只有無防風抑塵網(wǎng)時風壓的1/5。

4.3.1.4 風速對防風抑塵網(wǎng)效果的影響

選取長為175m,墻厚為4mm,高為30m,開孔率為30%的防風抑塵網(wǎng)為研究對象。有防風抑塵網(wǎng)后煤堆表面風壓與風速相關,隨著自然風速的增大,煤堆表面風壓也逐步增大,在風速達到10m/s時,煤堆頂部棱和側面棱處風壓明顯增大,局部超過50 Pa,當風速達到15m/s時,煤堆表面局部易揚塵位置風壓達到70 Pa,揚塵的可能性增大。

4.3.1.5 墻高對防風抑塵網(wǎng)效果的影響

防風抑塵網(wǎng)設計參數(shù)同上,風速7.5m/s。在固定主導風的風速、防風抑塵網(wǎng)的長度、厚度及開孔率的情況下,當防風抑塵網(wǎng)的高度從20m變化到35m時,煤堆A表面風壓明顯減小;當墻高達到30m后,煤堆頂部棱和側棱的易揚塵區(qū)域表面風壓降低到5 Pa以下。由此看來,防風抑塵網(wǎng)的合理高度應該比受保護煤堆高度略高,為煤堆高的1.1～1.2倍較為適宜。

4.3.1.6 墻開孔率對防風抑塵網(wǎng)效果的影響

防風抑塵網(wǎng)設計參數(shù)同上,風速為7.5m/s。在固定主導風的風速、防風抑塵網(wǎng)的長度、厚度及墻高度的情況下,當防風抑塵網(wǎng)的開孔率從20%變化到70%時,煤堆A表面風壓逐漸增大,當開孔率超過40%時,煤堆A的迎風面?zhèn)壤獬霈F(xiàn)風壓較大的區(qū)域,風壓大于30 Pa。墻體開孔率越大,其阻力系數(shù)越小,墻體的透風率越高。過大的開孔率雖然可以降低墻體的受風風壓,減少支護設施,但對降低煤堆表面風壓和抑制墻體后方煤堆的揚塵不利。

4.3.2 防風抑塵網(wǎng)抑塵效果測試

4.3.2.1 測試條件

對電廠煤場防風抑塵網(wǎng)抑塵效果進行對比測試,分別選擇風力為4～6級(風速5.5～11m/s)和0～3級(風速≤5.4m/s)大、小兩種風力,在相近采樣條件下(相同下風向,近似堆煤條件,下風向平行位置),對防風網(wǎng)內(nèi)外進行同時對比采樣。在大風條件下開啟煤場噴淋裝置有效噴淋后,再對防風網(wǎng)內(nèi)、外進行對比采樣。

在防風抑塵網(wǎng)前上風向12m處設置1號大氣環(huán)境本底參照點,然后自西向東依次在網(wǎng)內(nèi)6、12、36、48、60、90、120m處設置2、3、4、5、6、7、8號采樣點。同時在網(wǎng)外10m平行處的相對位置設置對照采樣點。在各采樣點進行風速監(jiān)測。

4.3.2.2 測試結果

無組織顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4,各點位風速監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5,測試時風向為西北風,風速為時間間隔內(nèi)平均值。

表4 無組織顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)mg/m3

表5 各點位風速監(jiān)測數(shù)據(jù)m/s

4.3.2.3 抑塵效果分析

由監(jiān)測計算結果可知,小風條件下抑塵效率為71.14%～97.56%,平均抑塵效率為89.77%;大風條件下抑塵效率為41.29%～97.87%,平均抑塵效率63.04%;大風條件下對煤場進行噴淋15min后,測得抑塵效率為81.78%～96.57%,平均抑塵效率為87.55%。

5 結語

(1)風速對防風抑塵網(wǎng)的效果有較顯著的影響:隨著主導風風速的增大,固定幾何尺寸的防風抑塵網(wǎng)內(nèi)受保護煤堆的表面風壓逐漸增大,擋風效果逐步降低。

(2)防風抑塵網(wǎng)的幾何特性對其防風抑塵效果也有較大影響:在某一風速下,有效墻高與受保護煤堆的高低有直接的關系,墻高為煤堆高度的1.1～1.2倍較為合適;墻的開孔率對受保護煤堆表面風壓的影響也顯而易見,過小的開孔率會增加墻的風壓,過大的開孔率會增大受保護煤堆表面風壓,開孔率一般取30%～40%較為合適。

(3)從監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與氣象因素分析可以看出,防風抑塵網(wǎng)無論在抑制顆粒物污染還是在防風方面都有明顯效果。在抑塵方面:小風條件下平均抑塵效率可達89.77%;大風條件下開啟煤場噴淋裝置,平均抑塵效率可達87.55%。防風測試數(shù)據(jù)表明,大風條件下抑塵網(wǎng)效果更好。

(4)設計防風抑塵網(wǎng)時,應綜合考慮來流風的大氣流場、主導風向、周圍建筑物對來流風的風速、風向的影響,有針對性的選擇設網(wǎng)高度。在大風條件下,應開啟煤場噴淋裝置,以提高抑塵效率。

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B

1674-8069(2010)06-021-05

2010-07-30;

2010-10-29

熊宏亮(1983-),男,山東濟南人,工程師,主要從事火電廠環(huán)境保護設計及環(huán)境影響評價工作。E-mail:xionghongliang @sdepci.com

Abstract:The mechanism of coal yard dust,dust quantity and w ind speed est im ates,coal dust prediction model, w ind-proof and dust supp ressing walland dust suppression effects are comp rehensively discussed.The recomm ended formula forw ind speed and est im ating the quantity of dust,recommended coal dust prediction models are proposed.By numerical s im ulation and exper imental data,dust suppression effects are analyzed.

Key words:coal yard dust;p rediction model;w ind-proof and dust suppressing wall