干煤棚储煤系统优化设计数值模拟研究

陈秀波 陈兰芳

（交通运输部环境保护中心 北京 100013）

1 引言

干煤棚储煤系统在国内外应用较普遍，国外最初的干煤棚采用的是木结构，并且跨度也很小，当时结构形式和材料对干煤棚的发展产生了一定的局限性。随着大跨度网壳结构的发展，使得干煤棚技术得到了广泛的应用。国外目前常采用的大跨度网壳结构主要有球面网壳干煤棚、圆锥形网壳干煤棚、柱面网壳干煤棚、受地形条件限制的任意形状的网壳干煤棚[1]。

随着我国经济实力的增强，社会和环保发展的需要，近年来干煤棚储煤也取得了迅猛发展。干煤棚在国内的应用已有三十多年的历史，在电力行业中的工程实践较多，已载入《火力发电厂设计技术规程》（DL5000-2000）[2]。电厂使用过的干煤棚结构形式主要有平面钢架、平面桁架、平面拱、柱面网壳结构、斜拉网架结构等[3]。

2 干煤棚储煤系统在码头堆场的应用

2.1 河北唐山国投曹妃甸煤码头二期工程

码头年运量为5000×104t，堆场布置了9条作业线，其中堆料线4条、取料线4条和堆取料线1条，将堆取料线布置在干煤棚内。堆场面积约70.8×104m2，堆存量约为381.1×104t[4]。干煤棚位于堆场的西侧，由9跨相连的条形库组成，每个条形库长度是110m，宽103m，高40m。条形库之间由敞开的消防通道连接，消防通道宽10m。干煤棚总长1070m。

2.2 广东粤电茂名港博贺港区煤炭码头工程

由广东粤电博贺煤电有限公司建设经营，码头年运量1000×104t，设计堆场容量为120×104t。该工程的特点是进口的煤炭需要在堆场进行混配作业，而配煤作业时要求煤炭的含水量不能过高。为保证配煤前煤炭处于相对干燥状态，同时也为了减少堆场对周边环境的污染，本工程在约一半的堆场区（常风向侧）布置了4跨相连的条形料仓（每跨跨距102m，长370m），另一半为露天条形堆场[5]。

在港口行业，用干煤棚储煤尚处于起步摸索阶段。原因在于电厂干煤棚储煤系统，通常具有规模小、数量少、工艺流程简单、品种单一、效率要求不高等特定。而港口作为铁海联运的枢纽，它所体现的功能和价值在于如何安全、高效地将多品种的煤炭快速转运出去，物料大进大出，随机因素多，系统相对复杂。相对于露天堆存，干煤棚建设成本较高，考虑交通水运行业港口建设的规模和投资费用的问题，大型散货港口采用干煤棚储煤在堆场方面的应用较少。

3 干煤棚储煤系统与防风网组合抑尘

一旦发生煤炭自燃或者其他的安全事故，消防通道便于车辆人员进出，但同时也带来了环境问题，煤粉尘从消防通道逸散到外环境中，造成粉尘污染问题。将消防通道用防风网进行封闭，解决了安全问题同时也阻止了粉尘逸散。但不同形式的防风网的抑尘效果不同，本文以河北唐山国投曹妃甸煤码头二期工程干煤棚建设工程为实例，采用数值模拟的方法对板状防风网和拱形防风网的抑尘效果进行对比分析。

3.1 建模

选取两个条形库，在满堆情况下进行模拟，条形库两端均开口，长度为230m，宽103m，高40m。由于干煤棚位于堆场西侧，根据曹妃甸港区风况情况，设定模拟工况为：W，10m/s。防风网的设置形式分为两种进行对比分析，即板状防风网和拱形防风网，防风网的孔隙率均为40%。其模型如图1所示。

图1 干煤棚与板状（左）及拱形（右）防风网组合模型示意图

3.2 网格划分

加设板状防风网的模型网格，防风网处采用六面体网格来划分，其他部分均采用四面体网格，网格划分时对煤堆的网格进行了加密处理，共有90万个节点，491万个网格。加设拱形防风网的模型网格的划分方式与加设板状防风网模型网格的划分方式相同，总共有97万个节点，535万个网格。如图2所示。

图2 加设板状（左）及拱形（右）防风网网格划分示意图

3.3 模拟结果分析

3.3.1 速度分布

干煤棚内煤堆垛表面速度分布情况如图3所示。

图3 W 方向10m/s 来流，煤堆表面0.5m 处风速分布对比图

从上图可以看出，干煤棚加设板状防风网（图3中左图）煤堆垛表面风速较加设拱形防风网（图3中右图）煤堆垛表面风速大，即加设拱形防风网对风速的折减效果较好。

3.3.2 起尘量对比

美国环保局（U.S.Environment Protection Agency）针对露天开放性颗粒物尘源的估算推出了如下计算模式，简称为EPA模式。

式中：k 为粒径大小因子，无量纲，如表1所示；

N 为料堆每年受干扰的次数；

P 为第i次扰动中观察的最大风速的风蚀潜势，g/m2。

表1 不同粒径颗粒k 值

提取煤堆表面风速值，采用美国环保局推荐的EPA模式估算静态起尘量，结果见表2、表3。

表2 干煤棚与板状防风网组合静态起尘量估算表（W，10m/s）

表3 干煤棚与拱形防风网组合静态起尘量估算表（W，10m/s）

图4 干煤棚与不同防风网组合静态起尘量对比图

从上图可以看出，干煤棚加设板状防风网静态起尘量约为干煤棚加设拱形防风网起尘量的2倍。

4 结语

干煤棚储煤系统与防风网组合抑尘可以有效的阻止煤粉尘逸散到外环境中，并且防风网的结构型式不同抑尘效果不同，本文仅对2种防风网的结构型式进行了对比研究，对其它型式防风网与干煤棚的组合抑尘有待进一步进行优化研究。

[1]赵婉君.基于施工模拟的大跨度网壳干煤棚结构设计改进.河北工程大学硕士学位论文.

[2]王月栋,端华飞,赵广勇.干煤棚的结构选型.第七届全国现代结构工程学术研讨会.工业建筑.2007增刊.

[3]董石麟.高博青,董建国.台州电厂干煤棚折线形网状筒壳的选型与结构分析.空间结构.1995(4).

[4]顾俊,路小璐,杨玉森.曹妃甸煤码头工程可行性研究.天津：中交第一航务工程勘察设计院.2005.

[5]苏君利.煤码头露天堆场与封闭堆场的适用性分析.水运工程.2011(9).