防風網(wǎng)對露天煤堆PM2.5減排量的估算方法*

曾 越，任守紅

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

0 引言

由于大氣污染物排放量不斷增加，導致霧霾已經(jīng)成為中國最為嚴重的空氣污染問題。PM2.5是霧霾的重要組成部分[1]，可以長時間的懸浮在空氣中，且容易被人體吸入，嚴重損害人體健康，所以治理霧霾的關鍵就是解決PM2.5問題[2]。露天儲煤場的煤炭在堆放和裝卸過程中會產(chǎn)生大量包含PM2.5在內(nèi)的揚塵，減少露天煤堆產(chǎn)生的PM2.5排放對霧霾防治具有重大意義。

目前國內(nèi)外有多種控制煤塵污染的措施，主要有噴霧灑水、噴防塵劑、織物覆蓋、設防風網(wǎng)、植防風林等[3]，其中露天煤堆周圍設防風網(wǎng)在抑制二次揚塵方面優(yōu)于大部分的傳統(tǒng)措施，在達到同等條件的環(huán)境指標時比封閉倉儲更經(jīng)濟[4]。為了從源頭治理露天煤堆引起的霧霾問題，做好粉塵污染防治工作，合理地估算設置防風網(wǎng)后露天煤堆PM2.5的減排量，不僅可以推進防風網(wǎng)的工程應用，還能為防風網(wǎng)的優(yōu)化設計提供一定的理論依據(jù)。

關于防風網(wǎng)抑塵效果的研究，主要關注不同參數(shù)對防風網(wǎng)庇護效果影響的方面，因為防風網(wǎng)采用不同的高度、孔隙率以及與料堆不同的距離時，防風網(wǎng)的抑塵效果會發(fā)生很大差異[5 -7]。對于防風網(wǎng)抑塵效果的研究也在不斷發(fā)展，韓國的KIM H B等[8]提出庇護系數(shù)ψ來評價防風網(wǎng)的抑塵效果；段振亞等[9]提出應用減風率Cw從整體上評價防風網(wǎng)的抑塵效果；叢曉春等[10]提出起塵率η，通過數(shù)值模擬獲取設網(wǎng)前后料堆表面摩擦風速，然后比較料堆表面起塵面積的變化，來評價防風網(wǎng)的抑塵效果。也有研究者提出基于揚塵排放量的評價方法，謝紹東等[11]以美國環(huán)境保護局(EPA)推薦的計算料堆風蝕揚塵排放因子的方法為基礎，提出一個料堆風蝕揚塵排放量的估算方法；YEH C P等[12]通過數(shù)值模擬計算得出設網(wǎng)前后的料堆風蝕潛勢P，用來對防風網(wǎng)的減排效果進行評估；段振亞等[13]在別人的基礎上提出防風網(wǎng)對露天煤堆 PM2.5的減排效果評估的方法。但現(xiàn)有的估算方法對風向以及煤堆形狀都有一定的限制，同時對 PM2.5的減排量的估算方法較少。

以內(nèi)蒙古某露天儲煤場的PM2.5排放量估算為例，結合儲煤場的實際條件對其進行數(shù)值模擬計算。以美國環(huán)境保護局(EPA)推薦的計算料堆風蝕揚塵排放因子的方法為基礎，結合YEH C P和段振亞等的研究成果[12 -13]，對現(xiàn)有料堆風蝕揚塵排放量的估算方法進行優(yōu)化。利用區(qū)別于 EPA模式的粗略劃分料堆表面區(qū)域的方式，以料堆表面每一網(wǎng)格作為風蝕子區(qū)域，估算防風網(wǎng)對露天煤堆PM2.5的減排效果，希望對防風網(wǎng)工程設計提供一定指導作用，為估算露天煤堆的起塵提供一定的參考依據(jù)。

1 PM2.5排放量的估算方法

EPA提出的排放因子的測定方法，稱為 EPA排放源強[14]見式(1)

(1)

式中，Q為顆粒在擾動周期內(nèi)的排放源強，大小等于此擾動時段內(nèi)的起塵量，單位為g；k為粒徑大小因子，隨顆粒物粒徑變化而變化，PM2.5對應的粒徑大小因子為0.2[15]；N為堆垛遭受擾動的頻率；Pi為第i次擾動中觀測到的最大風速的風蝕潛勢，g·m-2；Si為堆垛的子表面面積，m2。

干燥煤堆表面的風蝕潛勢P由式(2)求得

(2)

方程(2)中的摩擦風速[16]u*可參考如下方程計算

(3)

式中，uz為地面風速，m·s-1；u*為摩擦風速，m·s-1；z為風速檢測高度，m；z0為表面粗糙度，m；k為沃卡門常數(shù)，取0.4，無量綱。

叢曉春等[17]經(jīng)過風洞實驗，由最小二乘法擬合得到顆粒起動風速的擬合經(jīng)驗公式

ut=2.65e(0.000 14d)w0.262 9

(4)

式中，ut為顆粒的起動風速，m·s-1；d為顆粒平均粒徑，μm；w為顆粒含水率，%。

區(qū)別于EPA模式粗略劃分料堆表面區(qū)域的方式，本文以料堆表面每一網(wǎng)格作為風蝕子區(qū)域，以每一網(wǎng)格的摩擦風速值來衡量料堆表面每一子區(qū)域受風蝕的程度，通過公式(5)得到摩擦風速[13]。

(5)

式中，u*為摩擦風速，m·s-1；ρ為空氣密度，kg·m-3；τw為表面剪切力，Pa。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算區(qū)域

根據(jù)露天煤場實際大小，將計算區(qū)域設計為340 m×160 m×70 m(長×寬×高)的長方體空間。在計算區(qū)域的中心位置設置一個棱臺型的煤堆，煤堆上、下表面的長寬分別為42 m×5 m和80 m×25 m，高度為9 m。防風網(wǎng)開孔率為35%，距煤堆為13.5 m，高為11 m，長為90 m。此計算模型做如下簡化：將防風網(wǎng)簡化為35%開孔率的平板網(wǎng)；將煤堆簡化為理想的實體表面。計算域物理模型如圖1所示(單位：m)。

圖1 計算域物理模型Fig.1 Computational domain physical model

2.2 邊界條件和控制方程

假定計算區(qū)域內(nèi)的空氣為不可壓縮流體，空氣的流動是穩(wěn)態(tài)絕熱的。

質(zhì)量守恒方程

(6)

動量守恒方程

(7)

式中，ρ為空氣密度，kg·m-3；u，v，w分別為x，y，z方向的速度，m·s-1；ui，uj分別為i方向和j方向速度分量，m·s-1；xi，xj分別為x，y方向的坐標；μ為空氣動力黏性系數(shù)，kg·(m·s)-1。

Si是源項，該值在抑塵網(wǎng)區(qū)域外為0，在防風網(wǎng)區(qū)域內(nèi)可以模擬為多孔介質(zhì)的作用[18]，源項由黏性損失項和慣性損失項2部分組成

(8)

式中，α為多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)，m·s-1；C2為慣性阻力因子，m-1。

由于防風網(wǎng)彼此之間的孔隙都是沿著同一方向且分布均勻，故采用達西(Darcy)運動定律為基礎的毛細管模型計算滲透率k

(9)

(10)

式中，k為多孔介質(zhì)的滲透率，m2；Af為孔的總面積，m2；AP為板的總面積，m2；t為防風網(wǎng)厚度，m，取0.001 2 m；C近似等于0.98；δ為孔隙直徑，m，取0.01 m；φ為孔隙率，取0.35。由公式(9)計算得C2為6 215.46 m-1，公式(10)計算得k=1.09×10-6。

邊界條件設置：入口邊界為速度入口；防風網(wǎng)設置為多孔階躍邊界；出口邊界為零壓力梯度出流；料堆表面及地面為無滑移壁面；模型上表面和前后表面為對稱邊界。由于風速隨高度的增加而變化，所以入口速度按照式(11)確定

v=v0(z/10)a

(11)

式中，v0為離地面10 m處的風速；a為與地形及大氣穩(wěn)定度相關的參數(shù)，取a=0.14。

本文用標準k-ε湍流模型來模擬露天儲煤場的三維流場，采用SIMPLE算法，標準k-ε方程，收斂誤差均取10-5，差分格式中壓力、動量、湍流能量和湍流耗散率均采用二階迎風格式，紊流系數(shù)C1ε、C2ε、C3ε、σε和σk的取值分別為 1.44、1.92、0.09、1.0和1.3。

2.3 網(wǎng)格劃分

采用非結構化網(wǎng)格，煤堆和防風抑塵網(wǎng)表面采用三角形網(wǎng)格均勻劃分；體網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2所示。由于煤堆表面的起塵量與煤堆周圍的空氣流動特性有關，故對煤堆和防風抑塵網(wǎng)周圍的網(wǎng)格進行加密并添加邊界層。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid partition

作為獲得數(shù)值解的網(wǎng)格應當足夠細密，達到進一步加密網(wǎng)格對數(shù)值計算結果基本上沒有影響。以來流風速為5 m/s時模擬料堆空氣流場，以散料堆頂?shù)钠骄羟袘榫W(wǎng)格獨立性考核的評判指標。網(wǎng)格信息及計算結果統(tǒng)計表和網(wǎng)格獨立性考核分別見表1。從整體趨勢上來看，堆頂?shù)钠骄羟辛Υ笮‰S網(wǎng)格數(shù)增加而減小，但當網(wǎng)格數(shù)達到1 536 729時，剪切力大小變化很小，選取有效計算網(wǎng)格數(shù)為1 536 729，至此網(wǎng)格達到獨立性驗證。

表1 網(wǎng)格獨立性考核

現(xiàn)場實測3.6 m/s、6.5 m/s、9.2 m/s風速下在網(wǎng)后2 m高處的5個位置的速度值，并與模擬工況下相同位置的風速進行比較,如圖3所示。

圖3 防風網(wǎng)后2 m高處的風速Fig.3 Wind speed at a height of 2 m behind the windproof net

由圖3可知，數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的結果非常接近，整體上具有較高的吻合度，風速為9.2 m/s時的相對誤差最大，但誤差仍在10%以內(nèi)。因此，數(shù)值模擬基本可以準確還原在不同風速下網(wǎng)后的風速場。

段振亞等[13]通過對比發(fā)現(xiàn)不同來流風速下網(wǎng)后堆前處的風速輪廓線基本相似，得出無論有網(wǎng)無網(wǎng)時都可以按照美國環(huán)保局推薦的公式計算料堆的PM2.5排放。

3 計算結果

3.1 煤堆PM2.5排放量計算

應用上述方法對露天煤堆PM2.5的排放量進行估算。經(jīng)計算該煤堆暴露總表面積為2 482.2 m2。將儲煤場的20 g原煤進行烘干，烘干后質(zhì)量為19.32 g，則該煤場煤粉含水率約為3.4%；由篩分法得平均粒徑約為849 μm；地面粗糙度為0.03[20]。帶入公式(4)得出起動風速為4.12 m/s，經(jīng)計算得煤塵的閾值摩擦風速為0.284 m/s，由公式(5)得該閾值摩擦風速對應的表面剪切力為 0.101 Pa。

經(jīng)過實地調(diào)查表明，由于1月屬于供暖高峰期，整個煤堆表面平均每2 d受1次擾動，整個1月份共受到了16次擾動，通過煤場的風速記錄儀得到每一次擾動期間的最大風速。這里選擇1月份計算該露天煤堆PM2.5的排放量，表2給出了該月擾動期間的最大風速值。

表2 2021年1月科布爾鎮(zhèn)每2 d最大風速值

3.2 減排量分析

2021年1月該儲煤場無網(wǎng)時PM2.5的排放量5 204.46 g，有網(wǎng)時PM2.5的排放量為296.22 g，計算得設置防風網(wǎng)后露天煤堆PM2.5的排放量減少了94.31%，表明設置防風網(wǎng)對PM2.5這一類細顆粒物的減排效果較為顯著。如果對防風網(wǎng)孔隙率進行優(yōu)化，同時使煤堆達到最優(yōu)含水率，可以進一步提高PM2.5的減排率。

表3 煤堆1月份PM2.5的排放量

露天儲煤場1月份的平均擾動風速為7.3 m/s，叢曉春等[10]通過數(shù)值模擬的方法，計算了不同來流風速下防風網(wǎng)對煤塵的減排率，用此方法計算當風速為7.3 m/s時防風網(wǎng)的減排率約為96.93%，與本文提出的方法計算結果 94.31%相比，兩者相差2.62%。段振亞等[13]提出的計算防風網(wǎng)對露天煤堆PM2.5的減排方法，計算出設置防風網(wǎng)對露天煤堆PM2.5的減排率達到了99.33%。三者的計算結果較為一致。

4 結論

(1)對現(xiàn)有露天煤堆PM2.5減排量的估算方法進行優(yōu)化，解除了傳統(tǒng)的估算方法對風向以及煤堆形狀的限制，并應用優(yōu)化過的方法對設置防風網(wǎng)后的露天煤堆PM2.5的減排效果進行模擬分析，模擬結果較好。

(2)以料堆表面每一網(wǎng)格作為風蝕子區(qū)域，同時考慮了含水率和煤塵粒徑對起塵的影響，能更準確反映防風網(wǎng)對顆粒物的減排效果，適用范圍更廣。

(3)通過此估算方法比較設置防風網(wǎng)前后PM2.5的排放量發(fā)現(xiàn)，設置防風網(wǎng)使露天煤堆1月份PM2.5的排放量減少了94.31%，表明設置防風網(wǎng)對PM2.5減排效果顯著。