李智，林木松，鐘丁平，張麗，付強

(1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.廣東科立恩環(huán)保科技有限責任公司，廣東 廣州 510680)

燃煤的物理損耗主要由2個方面引起：一是揚塵，也稱風損，是煤堆受到來流風的影響造成的，損耗量與風量、風速等因素相關[1]。二是雨水沖刷，也稱雨損，雨水沖刷和滲透作用造成部分煤顆粒隨著雨水匯集而成的徑流進入溝渠流走，由此造成損耗，損耗量與雨季長短、雨量大小等因素有關[2]。煤場損耗不僅造成巨大的經濟損失，提高電廠的發(fā)電成本，還造成嚴重的環(huán)境污染，增加環(huán)境治理成本。揚塵直接進入大氣，產生的煤塵霧是大氣灰霾的主要來源[3-4]；含煤污水對環(huán)境的污染也非常嚴重[5]，嚴重威脅人類的飲水安全。

對物理損耗的評價仍是當前的難題，由于揚塵和雨水沖刷為無組織排放，在煤場這樣的開放空間無法收集損失粉塵，因此，采用收集排放物的排放量來評價損耗量的辦法不可行；其次，煤堆質量巨大，通過測量煤堆質量的變化來評價損耗量不可行；此外，現場試驗條件不可控，諸如風速、風向、雨量等參數瞬時萬變。基于這些原因，通過在現場觀測揚塵、雨水沖刷的發(fā)生規(guī)律來測量損耗量是無法實現的。目前，一些研究機構借助大型風洞裝置來研究靜態(tài)揚塵，但針對煤堆雨水沖刷的研究仍是空白。針對煤場物理損耗評價難題，本文研制了一套新型物理損耗的評價裝置，并研究其相關評價方法，整套裝置由風機、雨水沖刷模擬裝置、排放物收集系統(tǒng)(包括雨水收集裝置、粘塵板)、天平、風速與雨量控制器等組成，通過排放物收集系統(tǒng)來收集揚塵、雨水沖刷損失的煤塵，通過稱量模擬煤堆在試驗前后的質量變化，解決排放物無法收集、損失量無法檢測的問題；采用調壓開關調節(jié)風機風速大小，通過雨量調節(jié)開關控制降雨量，解決現場風速、雨量等邊界條件不可控的難題。通過開展仿真試驗研究煤堆物理損耗，揭示風速、降雨量等重要參數對損耗的影響規(guī)律。裝置具備風損、雨損試驗2種功能，并且體積小，制造費用低廉，可解決大型風洞功能單一、占地面積大、制造費用高的問題。

1 試驗裝置總體設計

本文研制的試驗裝置如圖1所示。

圖1 燃煤風損、雨損試驗裝置

各部件參數如下：試驗箱為整個裝置外殼，箱體為長、寬、高均為700 mm的正方體結構，采用透明有機玻璃制成，可以清晰觀察揚塵和雨水沖刷的情況。試驗臺用于堆放試驗煤堆，長、寬均為400 mm，離箱體底部約30 mm。風機用于仿真風速為0～30 m/s的自然風，型號為上海特隆CZR型，功率150 W。風速儀用于測定風速，型號為標智GM8901型。雨水仿真裝置用于仿真從小雨、中雨到暴雨等不同雨量的降雨，由可調節(jié)花灑頭、水管、雨量調節(jié)開關、雨水收集器組成。雨量計用于測雨量大小，型號為ZXTPJ-32-G型FF雨量計。懸浮物濃度測定儀用于測定所述沖刷污水的水樣濁度和懸浮物含量，為正大環(huán)境ZDA-OW03-PS型懸浮物測定儀，測量范圍為0～500 mg/L?？倝m濃度測定儀用于檢測揚塵的質量濃度，為悍博PC-3A型，測量范圍為0～1 000 mg/m3。電子天平用于稱量煤堆的質量，試驗前后煤堆質量之差即為損失量，型號為梅特勒ML-T型，稱量范圍為6.2～220 kg，精度為0.1 mg。

2 靜態(tài)揚塵和雨水沖刷試驗

2.1 靜態(tài)揚塵試驗研究

2.1.1 靜態(tài)揚塵發(fā)生機理

根據微觀粒子運動理論，在風力作用下，當平均風速等于某一臨界值時，個別突出的塵粒受湍流流速以及壓力脈動的影響開始振動或前后不停擺動，當風速繼續(xù)增大達到或超過某一臨界值之后，振動隨之加強，拖曳力和上升力也相應增大并足以克服重力影響，旋轉力矩促使一些不穩(wěn)定的塵粒首先沿著堆場的床面滾動或滑動，并在氣流的強烈?guī)酉拢S著氣流一起運動，形成揚塵。煤場由于刮風引起的揚塵可看作湍流對塵粒的搬動，在湍流作用下，氣流作用于單顆塵粒上的力主要有拖曳力、上升力、塵粒之間的作用力和塵粒重力[6]，如圖2所示。其中：FL為上升力，FD為拖曳力，FI為粒子間的力，W為塵粒重力。

圖2 塵粒受力分析

拖曳力與空氣密度、塵粒粒徑、風速大小相關[5]，其表達式為

(1)

式中：ρ為空氣密度，單位為g/cm3；vr為氣流與塵粒的相對速度，單位為cm/s；d為塵粒粒徑，單位為cm；CD為阻力系數，由雷諾數及顆粒形狀決定。

上升力源于塵粒的旋轉和氣流速度的切變，其表達式為

(2)

式中Ω為塵粒旋轉速度，單位為r/s。

在所有作用于塵粒的作用力中，拖曳力、上升力促使塵粒移動和上升是形成揚塵的動力，而塵粒重力、粒子間的力(包括范德瓦爾斯力、靜電力、毛細管力等)是粉塵沉降的作用力，粒子起塵與否與上述幾種力的相對大小密切相關，起塵條件是FD+FL>W+FI，不起塵條件是FD+FL

由揚塵發(fā)生機理來看，形成燃煤揚塵的條件與風速、煤塵粒度和質量等因素有關，而煤的種類、粒度又影響煤顆粒的質量。在了解揚塵發(fā)生機理的基礎上，以下從煤的種類、風速、煤粒度、煤堆表面積4個方面進行試驗，由此評價靜態(tài)揚塵損耗。

2.1.2 煤堆靜態(tài)揚塵損耗評價試驗方法

通過燃煤風損、雨損試驗裝置研究不同煤種、不同風速、不同煤堆表面積、不同粒徑對揚塵損耗量(揚塵損耗量)的影響以及抑塵劑的抑塵效果，具體試驗方案步驟如下。

a)試驗煤堆煤種選擇與電廠煤場相同的煤種，試驗煤堆表面含水量必須與實際煤堆表面含水量相等，煤堆密度約為0.70～0.95 g/cm3。

b)根據相似原理，按比例1∶35 000建立仿真煤堆，煤堆形狀與電廠實際煤堆的形狀一致，樣品粒度結構與現場一致，試驗前稱出煤堆質量G1，單位為kg。

c)將雨水仿真裝置關閉，將仿真煤堆放入試驗煤堆，開啟風機，緩慢調節(jié)調壓開關控制風機風速；采用風速儀測量風速，開始時在較低風速下運行，然后緩慢升高風速，并保證風速每增加1 m/s停頓20 s；待風速穩(wěn)定后，再次調節(jié)，根據試驗要求調節(jié)風速至風速穩(wěn)定，要求風速與現場一致。

d)待風速穩(wěn)定后，煤堆表面的煤粉在風的作用下形成揚塵，在煤堆周圍形成的氣流場如圖3所示。

圖3 試驗煤堆氣流場

從風場分布來看，煤堆頂部風速最大，容易形成揚塵；煤堆底部特別是背風面，風速較低，不易形成揚塵。分別采用總懸浮顆粒物(total suspended particulate，TSP)測定儀[7]測定煤堆前端和后端總塵濃度，其中前端測點作為參照點，前端和后端TSP值的差值即為煤堆的總塵濃度。通過測定總塵濃度即可評價粉塵污染情況。

e)試驗煤樣種類選取煙煤、無煙煤、褐煤3個品種；風速選取10 m/s、13 m/s、15 m/s、20 m/s；煤的粒徑選取標稱粒度25 mm、13 mm、3 mm，煤堆表面積選取4.2 m2、4.8 m2、6.6 m2。在不同條件下進行揚塵試驗研究，以此來評價煤場揚塵損耗。

f)分別對比未噴灑抑塵劑、噴灑巴斯夫抑塵劑、噴灑煤堆表面隔水性覆蓋劑[8-9]這3種情況下?lián)P塵損耗量，開展試驗分析抑塵劑的應用效果。

g)試驗結束后，移出模型煤堆并稱出試驗后的煤堆質量G2(單位為kg)，G1-G2即為揚塵損耗量。

2.2 煤堆雨水沖刷試驗

2.2.1 煤堆雨水沖刷發(fā)生機理

降水對于煤堆的作用包括滲入和表面沖刷2種。降水滲入過程是指降水從表面進入非飽和煤體層面，又從非飽和帶滲入飽和煤體層。

當降水強度小于煤堆表面非飽和煤體的滲吸能力時，降水全部滲入到煤堆。隨著降水持續(xù)，煤堆表層含水量逐漸增加，直到達到某一穩(wěn)定值；當降水強度大于煤堆表面非飽和帶煤體的滲入能力時，降水量一部分轉化為煤堆坡面徑流或積水。當徑流達到一定強度，就會帶走煤堆表面一些較細小的煤粒，形成雨水沖刷[10-12]。由此可見，達到一定的降雨量才能使?jié)B入達到飽和，在煤堆表面形成徑流，導致煤粉沖刷損失。降水入滲和形成徑流過程如圖4所示，其中：t為水流剪切應力，tmax為最大剪切應力，1∶1為水與煤的質量比。

圖4 降水入滲和形成徑流過程

2.2.2 煤堆雨水沖刷損耗評價方法

利用燃煤風損、雨損試驗裝置研究不同煤種、不同雨量、不同沖刷時間對沖刷損耗量的影響，以及各種試劑的抑制沖刷損耗的效果，具體試驗方案步驟如下：

a)試驗煤堆煤種選擇與電廠煤場相同的煤種，試驗煤堆表面含水量百分數必須與實際煤堆表面含水量百分數相等，煤堆密度約0.70～0.95 g/cm3。

b)根據相似原理，按比例1∶35 000建立仿真煤堆，煤堆形狀與電廠實際煤堆形狀一致，樣品粒度結構與現場一致，試驗前稱出煤堆的質量G1。

c)試驗煤樣質量為2 kg，標稱粒度為13 mm。測量試驗前煤樣質量和全水分含量分別記為G1、M1。折算不同現場降雨類型(小雨、中雨、大雨、暴雨、暴風雨)對應的水流量，通過水流開關調節(jié)相應的水流量，調節(jié)噴頭，使水流均勻噴灑，仿真不同降雨類型。測量時將試驗煤堆放入試驗平臺，關閉風機，開啟水流開關，先從小雨開始，緩慢調節(jié)到下一級降雨類型，降雨類型通過雨量計進行測量。

d)根據試驗要求設定雨水沖刷時間，試驗結束后，關閉水流開關，移出被雨水沖刷后剩余的樣品，待煤樣中沒有水流出，在空氣中靜置1 h。測量試驗后煤樣質量和全水分含量，分別記為G2、M2。雨水沖刷損失量為G1-G2(1-M2)/(1-M1)。由于雨水沖刷后，煤中含水量增加，質量增加，需要將質量進行基準換算。

e)按照以上步驟，完成不同煤種、不同沖刷時間、不同降雨量的沖刷試驗，以及噴灑巴斯夫抑塵劑、煤堆表面隔水性覆蓋劑后對抑制沖刷損失的對比試驗。

f)收集廢水收集桶的廢水，采用懸浮物、濁度測定儀測定沖刷廢水的懸浮物或濁度，以檢測雨水對環(huán)境的污染程度。

3 試驗結果與討論

3.1 揚塵試驗結果與討論

3.1.1 不同煤種對揚塵損耗量的影響

分別稱取標稱粒度13 mm的印尼褐煤、煙煤、無煙煤各3個樣品，質量均為2 kg，堆成圓錐形試驗煤堆，分別在13 m/s的風速下試驗30 min，測定不同煤種的起塵量，結果如圖5所示。

圖5 不同煤種的起塵量

由圖5可見，褐煤的揚塵損耗率最大，占試驗煤量的10%，煙煤次之，無煙煤最低。這是因為不同煤種的煤化程度不同，煤化程度越高越不容易被氧化。褐煤的煤化程度最低，在存放過程容易被低溫氧化，氧化后的煤顆粒脆化、粉化成小顆粒。同時，褐煤密度較對較小，約為0.70～0.85 g/cm3，同樣粒度條件下，質量較輕，容易起塵，因而損耗率最大[13-14]。

3.1.2 風速大小對煤塵揚塵損耗量的影響

風速是煤塵起塵的一個重要因素，分別稱取標稱粒度13 mm的印尼褐煤、煙煤、無煙煤各3個樣品，質量均為5 kg，堆成圓錐形試驗煤堆，分別在風速為10 m/s、15 m/s、20 m/s條件下試驗30 min，測定不同風速下的揚塵損耗量，結果如圖6所示。

圖6 不同風速條件下不同煤種的揚塵損耗量

由圖6可見，試驗的3種煤均表現出一致的規(guī)律，即風速越大，煤塵損耗量越大。當風速大于13 m/s后，揚塵損耗量急劇增長。褐煤的揚塵損耗量增幅最大，在較大風速下，損失量也遠遠大于其他2種煤種，揚塵損耗量大小依次為褐煤、煙煤和無煙煤[15-16]。

3.1.3 不同表面積對煤塵揚塵損耗量的影響

分別將標稱粒度13 mm的褐煤，堆成表面積分別為4.2 m2、4.8 m2、6.6 m2圓錐形試驗煤堆，在風速10 m/s的條件下，試驗30 min，測定起塵量，結果如圖7所示。從圖7可以看出，煤堆表面積與起塵量成反比關系，煤場煤堆表面積越小，起塵量越大。

圖7 煤堆表面積與揚塵損耗量之間的關系

3.1.4 粒徑大小對煤塵揚塵損耗量的影響

分別稱取標稱粒度25 mm和標稱粒度3 mm的褐煤各1份，質量均為5 kg，堆成圓錐形試驗煤堆，分別在13 m/s的風速下試驗30 min，測定不同粒度煤樣起塵量；再將2種粒徑的褐煤，按質量各占50%混合在一起，在13 m/s的風速下試驗30 min，測定揚塵損耗量，得到的試驗結果如圖8所示。

圖8 粒徑大小與揚塵損耗量之間的關系

由圖8可見，揚塵損耗量與粒徑成反比，粒徑越小的煤堆揚塵損耗量越大，粒徑越大起塵量越小。原因是小粒徑煤體積小，質量輕，在同樣的風速下，更容易起塵。將大粒徑煤與小大粒徑煤混合，發(fā)現混煤的起塵量小于兩者的加權平均值，原因是在混合煤中，由于大粒徑煤粒對小粒徑有遮擋作用，增強了小粒徑煤的抗風損能力[17-18]。

3.1.5 不同抑塵劑的抑塵效果

分別稱取標稱粒度13 mm的褐煤樣品4份，質量均為2 kg，堆成圓錐形試驗煤堆，其中3份分別按1 L/m2的噴灑量噴灑煤堆表面隔水性覆蓋劑、德國BASF抑塵劑和長春沃斯特抑塵劑，另1份不噴灑任何試劑。待干燥固結，將不同的試驗煤堆放入燃煤風損、雨損試驗裝置中進行試驗，在13 m/s的風速條件下試驗30 min，得到噴灑不同抑塵劑的煤堆揚塵損耗量，結果如圖9所示。

由圖9可見，未噴灑抑塵劑的煤堆揚塵損耗量最大，而噴灑了抑塵劑的煤堆揚塵損耗量明顯降低。這是由于抑塵劑對煤堆表面的煤顆粒具有粘結作用，在煤堆表面形成一定厚度的固化層，阻隔細小塵粒揚起，固化層厚度越厚，效果越為明顯。煤堆表面隔水性覆蓋劑采用潤濕性較強的試劑，在煤堆中的潤濕、滲透能力強，形成固化層的厚度超過2 cm，煤堆表面隔水性覆蓋劑的揚塵損耗量最低，抑塵效果最為顯著。

在不同抑塵劑的抑塵試驗中，通過試驗煤堆后端的TSP可以檢測出空氣中粉塵質量濃度，幾種條件下的粉塵質量濃度測定值分別為：未噴灑抑塵劑0.6 mg/m3，噴灑煤堆表面隔水性覆蓋劑0.09 mg/m3，噴灑BASF抑塵劑0.18 mg/m3，噴灑沃斯特抑塵劑0.15 mg/m3。由測定結果可以看出：煤堆噴灑抑塵劑后，揚塵質量濃度明顯降低，其中煤堆表面隔水性覆蓋劑的揚塵質量濃度降低最為明顯，可見抑塵劑不僅降低了揚塵所造成的損耗，還減少了揚塵污染。

3.2 雨水沖刷試驗結果與討論

3.2.1 不同煤種的雨水沖刷損失

分別稱取標稱粒度13 mm的褐煤、煙煤、無煙煤各2 kg，每一種煤種各3份。調節(jié)水流開關，使其達到中雨類型(20 mm)，分別在中雨條件下測定沖刷10 min、15 min、20 min、25 min、30 min后的損失量，測定不同沖刷時間的沖刷損耗量，測定結果如圖10所示。

圖10 不同煤種雨水沖刷損失

由圖10可見，3種煤在中雨條件下，沖刷時間越長，雨水沖刷造成的損耗就越大。3個煤種相比，雨水沖刷前期，無煙煤損耗最大，煙煤次之，褐煤最小，這與不同煤種的吸水性相關，其中褐煤結構疏松，易吸水而重量迅速增加，抗雨水能力提高，而無煙煤結構致密，不易吸水[19-20]。雨水沖刷后期，褐煤損耗最大，煙煤次之，無煙煤最小，各種煤吸水達到飽和，吸水性的影響下降，而褐煤易氧化而導致煤中小粒徑煤含量高于其他煤種，因而損耗最大。通過回歸分析得到不同煤種雨水沖刷損耗的關系式y(tǒng)=A+B1x+B2x2，其中y為沖刷損耗量，x為沖刷時間，A1、B1、B2為常量，見表1。

表1 雨水沖刷時間與煤堆損耗量的函數關系式參數

3.2.2 雨量大小對煤堆損耗的影響

分別稱取標稱粒度13 mm的褐煤15份，分別在中雨(20 mm)、大雨(40 mm)、暴雨(90 mm)條件下進行煤量損耗試驗，每一種降雨類型下分別測定沖刷10 min、15 min、20 min、25 min、30 min后沖刷損耗量，測定結果如圖11所示。

圖11 雨量大小對煤堆損耗的影響

由圖11可見，隨著雨量增大，煤堆受雨水沖刷損耗量就越大，其中暴雨的沖刷損耗量最大，并且隨著沖刷時間延長，暴雨沖刷所造成損耗增量最大，大雨次之，中雨最??；這說明降雨量是影響雨水沖刷損耗量最主要的因素。通過回歸分析得到不同雨量下煤堆損耗的關系式y(tǒng)=A2+B3x+B4x2，其中A2、B3、B4為常量，見表2。

表2 雨量與煤堆損耗量的函數關系式參數

3.2.3 不同試劑劑對雨水沖刷抑制的效果

分別稱取標稱粒度13 mm的褐煤樣品12份，質量均為2 kg，堆成圓錐形試驗煤堆，其中9份分別按1 L/m2的噴灑量噴灑煤堆表面隔水性覆蓋劑、德國BASF抑塵劑和長春沃斯特抑塵劑，另3份不噴灑任何試劑，待干燥固結，將不同的試驗煤堆放入試驗裝置中進行試驗。在降雨強度為50 mm(大雨)下，噴灑同一類試劑的樣品完成10 min、20 min、30 min沖刷試驗，測定不同沖刷時間的損耗量，測定試驗結果如圖12所示。

圖12 不同試劑抑制雨水沖刷的效果

由圖12可見，煤堆表層噴灑了煤堆表面隔水性覆蓋劑等試劑后，具備抗雨水沖刷作用，明顯降低了由雨水沖刷造成的損失。試劑噴灑于煤堆表層，形成結殼效果，不僅能夠起到抑制揚塵的作用，試劑對煤顆粒的強粘結作用還能夠有效阻止煤粉被雨水沖走。試驗所采用的3種試劑中，煤堆表面隔水性覆蓋劑抗雨水沖刷作用略強于BASF抑塵劑，明顯強于沃斯特抑塵劑；這是由于煤堆表面隔水性覆蓋劑配方中加入了阻水劑，提高了試劑的防水性以及抗雨水沖刷能力，因此，其損耗是最低的。

在不同抑塵劑的抗雨水沖刷試驗中，通過收集含煤污水并檢測污水中懸浮物含量，可以比較不同抑塵劑雨水沖刷效果，懸浮物質量濃度測定值如下：未噴灑抑塵劑2 020.1 mg/L，噴灑煤堆表面隔水性覆蓋劑50.4 mg/L，噴灑BASF抑塵劑52.6 mg/L，噴灑沃斯特抑塵劑64.7 mg/L。由此可見，煤堆噴灑抑塵劑后，含煤污水懸浮物質量濃度明顯降低，其中噴灑煤堆表面隔水性覆蓋劑的含煤污水懸浮物質量濃度降低最為明顯，抑塵劑不僅能夠降低雨水沖刷所造成的損耗，還減少了雨水沖刷造成的污染。

4 燃煤物理損耗測評裝置與方法應用

以上試驗研究分析了燃煤在不同條件下物理損耗的規(guī)律，研究成果對減少燃煤損耗具有指導作用。風損試驗探明了風速、煤種、煤的粒徑、煤堆表面積與揚塵損耗的關系，試驗表明風速越大、煤的粒徑越小、煤堆表面積越大，則起塵量越大，反之起塵量越小；因此，可以通過增加防風設施(如防風墻)、大小粒徑煤摻混(減少小顆粒煤占比)、減小堆積表面積來降低起塵量。雨損試驗探明了降雨量、沖刷時間、煤種與雨水沖刷損耗損失量之間的關系，降雨量越大、沖刷時間越長，則雨水沖刷損耗越大；因此，可以通過增加防雨措施(干煤棚)來減少沖刷損耗。而不同煤種中褐煤物理損耗最大，與褐煤容易受氧化而破碎成小顆粒煤相關，應減少存放時間來降低損耗。

不同試劑的對比試驗表明化學技術可以有效抑制揚塵、雨水沖刷，其中噴灑煤堆表面隔水性覆蓋面積最佳；因此，除了物理方法之外，化學治理技術也是降低煤場物理損耗的有效方法。物理損耗測評裝置測評裝置與方法還應用于化學治理方法研發(fā)上，通過不同試劑應用效果的比較試驗，可以篩選出適用于不同煤種的化學治理試劑，還可以通過同一試劑不同配方成分配比、噴灑量的對比試驗，篩選出最佳的配比和噴灑量等。

5 結束語

本文針對燃煤物理損耗現場難以測評的難題，研發(fā)了一套新型物理損耗的評價裝置，建立物理損耗評價方法，實現了對燃煤物理損耗的評價。通過開展評價裝置仿真試驗，研究風速、降雨量等重要參數對物理損耗的影響規(guī)律，提出減少燃煤物理損耗的物理方法；研究了煤堆表面隔水性覆蓋劑等化學方法治理煤場物理損耗的的效果，試驗表明化學方法治理技術能夠有效降低物理損耗，并通過對比試驗，調整試劑的配方，以達到最佳治理效果。

物理損耗評價裝置與現有風洞試驗裝置相比具有以下優(yōu)點：①風洞試驗裝置只能完成風損試驗，而本裝置能同時完成風損、雨損試驗；②該裝置體積小，占地不足1 m2，而大型風洞試驗裝置需要幾十平方米，甚至更大面積；③風洞試驗裝置需要大型風機、管道、過濾裝置等，制造費用達到幾十萬元到上百萬元，而該裝置只需1 000～2 000元；④該裝置采用透明箱體，可清晰觀察試驗過程，而風洞試驗裝置為密閉裝置，無法觀察試驗過程。由此可見，應用該裝置具有更好的經濟性和實用性。