煤场防风抑尘网抑尘效果研究

熊宏亮,宋晓东

(山东电力工程咨询院有限公司机务环保部,山东济南 250013)

煤场防风抑尘网抑尘效果研究

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

熊宏亮,宋晓东

(山东电力工程咨询院有限公司机务环保部,山东济南 250013)

随着国家环保要求越来越高,火电厂煤场扬尘问题受到越来越多的关注。防风抑尘网作为治理煤场扬尘的有效技术,日益得到广泛的应用。论述了煤场起尘机理、起尘风速及起尘量估算、煤场扬尘预测模式,综合研究了防风抑尘网起尘机理及抑尘效果,提出了起尘风速及起尘量估算推荐公式、煤场扬尘预测推荐模式,并通过数值模拟计算与实测数据,对防风抑尘网抑尘效果进行了分析。

煤场扬尘;预测模式;防风抑尘网

随着我国经济的高速发展,国家对环境保护的要求也越来越高,在火电厂的建设和运行中,煤场扬尘问题也受到越来越多的关注。近期新建、改扩建的滨海电厂、西北干旱多风地区的火电厂均提出设置防风抑尘网的要求。目前,防风抑尘网治理煤场无组织排放技术在国内刚刚起步,尚未进行全面的研究,仅仅是通过粗略估算设置,其经济合理性较差。随着环保政策的日益严格,煤场防风抑尘网的应用日益广泛,有必要对防风抑尘网抑尘效果进行研究,对防风抑尘网的设置方案提出推荐意见,使其既能满足环保要求,同时又经济合理可行。

1 煤场起尘机理研究

煤场起尘分为两类:一是煤场表面的静态起尘;二是在堆取料等过程中的动态起尘。动态起尘主要是指装卸作业时的起尘,属于火电厂正常运行状况;而静态起尘主要是由于风的湍流引起的。根据微观粒子运动理论,在风力作用下,当平均风速约等于某一临界值时,个别突出的尘粒受湍流流速和压力脉动的影响开始振动或前后摆动,但并不离开原来位置;煤场中的煤粒只有达到一定风速才会起尘,这种临界风速称为起动风速。

当风速增大达到或超过临界值之后,煤粒振动也随之加强,拖曳力和上升力相应增大并足以克服重力的作用,旋转力矩促使一些不稳定的煤粒首先沿着煤堆床面滚动或滑动。颗粒群中的小颗粒在大气中呈悬浮状态,并在气流的带动下,随着气流一起运动,扩散一定距离后沉降下来。

通过对煤场扬尘粒径分布试验结果的分析,煤场扬尘中,煤尘粒径范围通常在200～10μm之间,其中,粒径小于80μm的煤粒约占90%。

2 煤场起尘风速及起尘量估算

2.1 煤场起尘风速计算

煤场表面的扬尘主要与起尘风速有关,不同粒径的煤尘在不同含水率条件下的起尘风速可按下述半经验公式计算:

式中:V0为起尘风速,m/s;W为煤表面含水率,%; d为煤尘粒径,mm。

2.2 煤场起尘量计算

2.2.1 环评推荐公式

根据国家环境保护总局监督管理司推荐的煤堆起尘量计算方法,贮煤场起尘量影响预测采用下述计算公式:式中:Qp为煤堆起尘量,mg/s;V为环境风速,m/s; W为煤堆表面含水率,%;β为经验系数,一般取值6.13×10-5;Ap为煤堆面积,m2。

2.2.2 以风速和煤堆表面积为主的公式

根据阳泉煤矿模拟试验,用风洞模拟和现场实测相结合,就煤场扬尘问题,以煤场风速和煤堆表面积为主要因素,得到的计算式推荐如下:

式中:Q为扬尘量,g/s;V为风速,m/s;S1煤堆上表面表面,m2;S2煤堆迎风面面积,m2;S3煤堆背风面面积,m2;S4煤堆侧表面表面,m2。

2.2.3 只知道煤堆表面积的计算公式

式中:Qm为煤堆起尘量,mg/s;V为临界风速,m/s,取大于5.5m/s;S为煤堆表面积,m2;ω为空气相对湿度,取60%;W为煤物料湿度,原煤6%。

2.3 各计算公式对比分析

对于上述计算公式,利用某电厂2×600MW机组煤场进行对比分析,煤场设计参数如下:煤场采用斗轮堆取料机条形煤场,煤场长200m,宽100m,煤场堆高13m。

2.3.1 起尘风速计算

根据煤场起尘风速计算公式,在不同含水率及煤尘粒径的情况下,煤场起尘风速计算见表1。

表1 不同含水率煤场起尘风速计算m/s

根据理论计算,结合风洞试验资料,实际应用中煤堆起尘风速一般取4.4m/s。

2.3.2 起尘量计算

综合分析上述起尘量计算公式,环评推荐公式包含环境风速、煤堆表面含水率、煤堆面积等影响煤场起尘量的关键因素,适用性较广,代表性较强。因此,采用环评推荐公式作为煤场起尘量的计算公式。

在不同风速、不同含水率的情况下,煤场起尘量情况见表2。

表2 不同含水率煤场起尘量计算g/s

3 煤场扬尘扩散模式的选择

3.1 扩散模式的选择

目前,应用于环评的面源扩散模式主要包括中心点源修正法、后退虚拟点源修正法、数值积分法等几种。考虑煤场扬尘的可沉积性,推荐采用倾斜烟羽后退虚拟点源修正预测模式:

式中:H为面源高度,m;Q为尘粒子排放量,mg/s; a为尘粒子地面反射系数;Vg为粒子重力沉降速度, m/s;X面源中心到测点的距离,m;V为风速,m/s; σz为垂直扩散参数;σy为水平扩散参数。

3.2 煤场扬尘预测

采用上述预测模式,对国内某电厂2×600MW机组煤场扬尘进行预测,煤场设计参数同上。根据风洞试验资料,煤堆起尘的启动风速约为4.4m/s,本次主要预测计算D类稳定度下风速5～10m/s、煤堆表面含水率4%～8%的情况下煤场扬尘的轴线浓度,预测结果见表3。

由表3可以看出,随着风速的增加,相同距离上的扬尘地面浓度增加,扬尘的影响范围不断扩大。随着煤堆含水率的增加,相同距离上的扬尘地面浓度减小,扬尘的影响范围不断缩小。当煤表面含水率大于7%时,大风条件下(10m/s),煤场周界外TSP浓度不超过《大气污染物综合排放标准》(GB 16297-1996)规定的无组织排放源周界外质量浓度标准(1.0mg/m3)。

表3 煤堆煤尘小时轴线浓度mg/m3

4 防风抑尘网结构形式及抑尘效果研究

4.1 防风抑尘网抑尘机理研究

防风抑尘网能大量降低露天煤场的起尘量,其机理是通过降低来流风的风速,最大限度地损失来流风的动能,避免来流风的明显涡流,减少风的湍流度而达到减少起尘的目的。

由于气象、地形及煤场内物料情况等因素影响,煤场具有阵发性风,易形成涡流风,使煤场内的起尘量增加。当风通过防风抑尘网时,一部分气流经过防风抑尘网进入墙内的庇护区;另一部分气流向上绕过防风抑尘网进入墙内的庇护区,这样做可使风的动能损失最大,煤堆起尘量最小,即以损失风动能达到最大限度地减少煤堆起尘的目的。

4.2 防风抑尘网结构形式研究

4.2.1 防风抑尘网结构形式概述

目前,电厂使用的防风抑尘网一般包括三部分:一是地下基础,可现场浇注混凝土,也可预制混凝土件;二是支护结构,采用钢支架制成,以提供足够的强度,保证足够的安全系数,以抵御强风的袭击,同时考虑了整体造形的美观;三是防风抑尘板,现场将单片防风抑尘板组合起来形成防风抑尘网,板与板之间无缝隙,防风抑尘板与支架之间采用螺钉和压片连接固定。

防风抑尘板设计使用寿命10～15 a,采用非金属复合材料经膜压一次成型,根据空气动力学原理,当风通过由“防风抑尘板”组成的“挡风墙”时,墙后面出现分离和附着两种现象,形成上、下干扰气流,降低来风的风速,极大地损失来风的动能,减少风的湍流度,消除来风的涡流,降低对煤堆表面的剪切应力和压力,从而减少起尘量。

4.2.2 防风抑尘网高度设计

防风抑尘网高度由煤堆高度、煤堆面积和环境质量要求等因素来确定。防风抑尘网靠近煤堆设置,要求煤尘飞扬量小于国家标准,通过南京工业大学进行的风洞实验,综合计算得出防风抑尘网的高度比堆煤高出2～3m较为适宜。

4.2.3 防风抑尘板的开孔率

防风抑尘板的开孔率作为防风抑尘板的结构指标,它是防风抑尘板的开孔透风面积与总面积之比,是设计防风抑尘板的一个重要参数。不同材质、不同加工工艺,开孔率不同,透风系数也不同,抑尘效果也就大不相同。一般要求开孔率在15%以上,最常用的防风抑尘板开孔率在30%左右。

4.3 防风抑尘网抑尘效果研究

4.3.1 数值模拟计算

4.3.1.1 计算条件

数值模拟的计算区域根据火电厂实际厂区布置设置成长7200m、宽460m、高200m的长方体空间,在其露天煤场有A、B 2个煤堆,呈条形,长分别为135m和120m,高分别为25m和17m,其他建构筑物为主厂房、冷却塔、脱硫、除尘装置、风机房、烟囱、办公楼、检修车间及其他设施等。

4.3.1.2 防风抑尘网对地面风流场的影响

大气边界层的流动是充分发展的湍流,在这样一个流场中防风抑尘网前后风场流动是十分复杂的。从近地面风流线图图中可以发现,在没有防风抑尘网时,近地面气流直接作用于煤堆,风极易从煤堆表面剥离和扬起煤尘并携带到下风向;而设置防风抑尘网后,气流在墙后发生了明显的跳跃,不能直接作用在煤堆上,这个跳跃区域是一个明显的漩涡回流区,这个回流区因为具有低速负压特性而被称为空气动力阴影区。如果煤堆被放置在这一区域内,则可以防止粉尘颗粒飞扬。

4.3.1.3 防风抑尘网对地面风压的影响

对于煤堆A、B,在较大风力天气条件下,其最易扬尘的是煤堆顶部棱、侧坡面和棱处,在该处设置防风抑尘网的效果明显。无防风抑尘网时,风力直接作用在煤堆表面,煤堆迎风面和棱处风压较大,当风速为7.5m/s时,煤堆顶部棱风压达到40 Pa,侧坡面棱处风压达到了60 Pa,风极易从煤堆表面剥离和扬起风尘并携带到下风向;而设置防风抑尘网后,煤堆表面风速明显减弱,煤堆迎风面和棱处风压明显减小,只有无防风抑尘网时风压的1/5。

4.3.1.4 风速对防风抑尘网效果的影响

选取长为175m,墙厚为4mm,高为30m,开孔率为30%的防风抑尘网为研究对象。有防风抑尘网后煤堆表面风压与风速相关,随着自然风速的增大,煤堆表面风压也逐步增大,在风速达到10m/s时,煤堆顶部棱和侧面棱处风压明显增大,局部超过50 Pa,当风速达到15m/s时,煤堆表面局部易扬尘位置风压达到70 Pa,扬尘的可能性增大。

4.3.1.5 墙高对防风抑尘网效果的影响

防风抑尘网设计参数同上,风速7.5m/s。在固定主导风的风速、防风抑尘网的长度、厚度及开孔率的情况下,当防风抑尘网的高度从20m变化到35m时,煤堆A表面风压明显减小;当墙高达到30m后,煤堆顶部棱和侧棱的易扬尘区域表面风压降低到5 Pa以下。由此看来,防风抑尘网的合理高度应该比受保护煤堆高度略高,为煤堆高的1.1～1.2倍较为适宜。

4.3.1.6 墙开孔率对防风抑尘网效果的影响

防风抑尘网设计参数同上,风速为7.5m/s。在固定主导风的风速、防风抑尘网的长度、厚度及墙高度的情况下,当防风抑尘网的开孔率从20%变化到70%时,煤堆A表面风压逐渐增大,当开孔率超过40%时,煤堆A的迎风面侧棱出现风压较大的区域,风压大于30 Pa。墙体开孔率越大,其阻力系数越小,墙体的透风率越高。过大的开孔率虽然可以降低墙体的受风风压,减少支护设施,但对降低煤堆表面风压和抑制墙体后方煤堆的扬尘不利。

4.3.2 防风抑尘网抑尘效果测试

4.3.2.1 测试条件

对电厂煤场防风抑尘网抑尘效果进行对比测试,分别选择风力为4～6级(风速5.5～11m/s)和0～3级(风速≤5.4m/s)大、小两种风力,在相近采样条件下(相同下风向,近似堆煤条件,下风向平行位置),对防风网内外进行同时对比采样。在大风条件下开启煤场喷淋装置有效喷淋后,再对防风网内、外进行对比采样。

在防风抑尘网前上风向12m处设置1号大气环境本底参照点,然后自西向东依次在网内6、12、36、48、60、90、120m处设置2、3、4、5、6、7、8号采样点。同时在网外10m平行处的相对位置设置对照采样点。在各采样点进行风速监测。

4.3.2.2 测试结果

无组织颗粒物监测数据见表4,各点位风速监测数据见表5,测试时风向为西北风,风速为时间间隔内平均值。

表4 无组织颗粒物监测数据mg/m3

表5 各点位风速监测数据m/s

4.3.2.3 抑尘效果分析

由监测计算结果可知,小风条件下抑尘效率为71.14%～97.56%,平均抑尘效率为89.77%;大风条件下抑尘效率为41.29%～97.87%,平均抑尘效率63.04%;大风条件下对煤场进行喷淋15min后,测得抑尘效率为81.78%～96.57%,平均抑尘效率为87.55%。

5 结语

(1)风速对防风抑尘网的效果有较显著的影响:随着主导风风速的增大,固定几何尺寸的防风抑尘网内受保护煤堆的表面风压逐渐增大,挡风效果逐步降低。

(2)防风抑尘网的几何特性对其防风抑尘效果也有较大影响:在某一风速下,有效墙高与受保护煤堆的高低有直接的关系,墙高为煤堆高度的1.1～1.2倍较为合适;墙的开孔率对受保护煤堆表面风压的影响也显而易见,过小的开孔率会增加墙的风压,过大的开孔率会增大受保护煤堆表面风压,开孔率一般取30%～40%较为合适。

(3)从监测数据的处理与气象因素分析可以看出,防风抑尘网无论在抑制颗粒物污染还是在防风方面都有明显效果。在抑尘方面:小风条件下平均抑尘效率可达89.77%;大风条件下开启煤场喷淋装置,平均抑尘效率可达87.55%。防风测试数据表明,大风条件下抑尘网效果更好。

(4)设计防风抑尘网时,应综合考虑来流风的大气流场、主导风向、周围建筑物对来流风的风速、风向的影响,有针对性的选择设网高度。在大风条件下,应开启煤场喷淋装置,以提高抑尘效率。

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1674-8069(2010)06-021-05

2010-07-30;

2010-10-29

熊宏亮(1983-),男,山东济南人,工程师,主要从事火电厂环境保护设计及环境影响评价工作。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