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防风网抑尘机理研究及工程应用进展

发布时间:2015/11/02 技术施工 标签防风网浏览次数:789

摘要:防风网抑尘工程技术是治理露天堆料场由于风致作用引起粉尘污染的有效措施。在分析总结已有研究成果的基础上,对国内外防风网抑尘机理研究及工程应用情况进行了简介。根据所进行的科研与工程设计工作。对防风网在国内的应用提出了几点建议.以期更多设计者在进行防风网的研究或设计时,能共同关注并深入探讨这些问题。

关键词:防风网;抑尘机理;数值模拟;工程应用;进展

露天堆放的储料场,例如港口和燃煤电厂的堆煤场、钢厂的露天矿粉储料场等在风力作用下极易产生二次扬尘,不但造成原料的损失。还严重污染大气环境⋯。为有效防治和减小交通、电力、城市供热事业迅速发展对大气环境的污染,抑治露天堆料场的二次扬尘是亟待解决的问题。

防风网抑尘装置是由具有一定开孔率的金属网板或者由非金属材料经编织、粘接、挤压成型的非金属网片、支撑钢结构、地下基础组成的工程装
置。在抑Sl_-次扬尘方面,防风网优于传统的洒水、喷结壳固凝剂及织物覆盖等措施,在达到同等条件的环境指标时比封闭仓储经济。且一次投资,长期受益,维修管理费用低,对于港口、电厂和钢厂的粉尘防治问题具有较强的针对性口]。因此,在我国对露天堆场的粉尘污染治理要求越来越严格的前提下,防风网抑尘工程技术近几年受到了国内港口与发电企业的青睐,而且围绕着防风网工程建设的需求,对防风网的抑尘机理以及工程应用的研究也成为热点问题。笔者在文中拟对国内外防风网的抑尘机理研究及工程建设情况进行较为系统的归纳。并结合笔者所在课题组自2000年开始进行防风网机理研究和工程设计工作中的经验与体会.

对目前我国防风网抑尘工程建设提出一些建议,以期为防风网抑尘工程技术在我国的推广与规范管理提供帮助。

1 国外防风网抑尘技术研究与工程应用
1-1 防风网研究方法
防风网的研究方法主要有风洞实验、数值模拟与现场测量3种。其中风洞实验不但可以对影响防风网庇护效果的参数进行单因素分析。也能在
环境风洞中研究周围构筑物及风环境对整个堆场抑尘效果的影响,因此风洞实验是进行防风网研究的常用手段,Nokkentved于1938年就开始利用风洞对防风网进行研究b]。目前人们对防风网的风洞实验主要集中在露天堆场的起尘机理、防风网抑尘机理及不同参数对防风网庇护效果的影响等方面。

当来流风流经防风网时,一部分沿防风网向上流动,并在防风网顶部产生分离现象,在尾流区内防风网的高度之上形成湍流剪切层。但是当经过一段距离之后.此高速风流经过与低速渗透风发生强烈的动量和能量交换后,二者将重新附着在一起。

分离点和附着点之间的长度称为尾流区的特征长度。尾流区常被分为近尾流区与远尾流区两部分.特征长度内的流体特性常被用来表征防风网的庇护效果。

1.2 防风网庇护效果影响因素
1.2.1 防风网高度
防风网的高度主要取决于煤堆垛高度、煤堆场范围大小和对环境质量要求等因素.是决定水平庇护范围最重要的结构因素。因此庇护范围和最小相对风速的位置常采用防风网高度的倍数来表达。当防风网高度为料堆高的0.6~1.1倍时,防风网的高度与抑尘效果成正比。当防风网高度为料堆高的1.1一I.5倍时,防风网高与抑尘效果的变化逐渐平缓。当防风网高度超过料堆高的I.5倍以后.

对抑尘效果的影响不大。而随着高度的增加,防风网基础工程的投资则有较大幅度的提高,因此应综合各因素的影响设计防风网高度。需要注意的是,当防风网高度低于料堆高时,料堆则会处于防风网顶端形成的湍流剪切层内,起尘量反而会增加,因此进行工程设计时,防风网高度宜为料堆高的I.1—1.5倍。

1-2.2 防风网开孔率及开孔分布情况
开孑L率是防风网的开孔面积与总面积之比,具有一定开孔率的防风网结构比固体挡风墙(开孔率为0)的抑尘效果要好 ]。Perera认为开孔率是影响庇护效果的最重要的因素,而且针对不同的堆场,由于堆场物料以及周边环境的差异。防风网存在着一个临界开孔率。开孔率高于或低于临界开孔率[引,防风网后面的流场都会发生很大的变化。而且开孔率直接影响防风网后的回流的特征参数。

有效的开孑L率范围为20%~60%。当开孑L率大于60%时,防风网的挡风抑尘作用很小。而开孔率小于20%时,不但网板的受力状况恶化,基础部分投资增大.而且在防风网上以及接近回流区的剪切层的雷诺应力和湍流动能也很大.不利于抑止扬尘。

有效降低料堆的起尘量不仅取决于平均风速的降低,而且还受来流风的湍流度以及料堆表面压力波动的影响。因此防风网应用于实际工程时有一个优化的开孔率,其值与防风网形状、堆料性质、开孔参数及堆场环境等因素有关,不同情况得出的最优开孔率值有所不同[7 3。文献[8]针对韩国浦项钢铁公司(POSCO)露天堆料场的防风网抑尘效果的研究表明,不考虑堆场周围构筑物的影响,平面型防风网开孔率为40%时对三棱柱形堆场的降尘综合性能最好。但是考虑周围构筑物的影响之后.则开孔率为30%时抑尘效果最佳 ]。而美国的文献资料认为开孔率为50%较好.我国武汉水运工程学院的实验结果为开孔率44%为最优。因此在进行防风网工程设计时,需要对开孔率进行优化分析,并非一种具有固定开孔率的网板就可以在每个露天堆料场通用。

防风网开孑L率随着防风网高度变化而变化也会影响抑尘效果。通过对孔分布对防风网庇护效果影响的研究,研究人员得出了不同的结论。早期的研究认为开孔分布不均匀的防风网的抑尘效果比均匀分布的防风网要差。然而Gandemer的研究结果为,开孔率随着防风网的高度而逐渐减少的防风网结构具有较好的庇护效果。

1.2.3 孔径与孔的形状
即使开孔率相同,孔的形状与大小不同所产生的抑尘效果也会有所不同。防风网的开孔形状有菱形、矩形与圆形等,目前常用的为圆形。Hyoung—Bum Kim在循环水洞中对开孔率为38.5%,开孔直径分别为1. 4 mm、2.1 mm以及2.8 mm的防风网进行的研究表明,防风网应当有一个适宜的开孔率,孑L径较小.对来流风的阻塞作用增大,呈现出和较低开孑L率的甚至实体防风网相似的抑尘效果。孔径过大时,尽管尾流区的平均速度下降明显,但是湍流强度也较大。

1.2.4 防风网底部与地面的间隙
防风网工程建设中,许多问题和限制需要考虑,例如地面的不平坦性、机动车进出堆料场的通道等。这些问题将会在高度为日的防风网与地面
之间形成一个间隙G,其将影响庇护区的流场特性。研究表明,如果间隙值在合理的范围内,其不但不会减弱防风网的庇护效应,反而会比无间隙为最佳值。

1.2.5 防风网与料堆的间距
防风网与料堆之间应该有一定的间距,其直接影响近尾流区内流动特性。研究发现,防风网设置在料堆上风向的(2~3)H处抑尘效果较好。对于由多个料堆组成的煤堆场,料堆与料堆之间也有影响,因此可根据堆场周围情况因地制宜设置防风网。

l-2.6 设网方式
设网方式需综合考虑诸如堆场的大小、周围风环境以及成本等多方面因素确定,常用的有在主导风向前设网与四周设网2种。近年来,一些防风网工程中采用在主导风向前方设网与侧面设网相结合的L型设网方式。另外根据堆场内的流场特性需要,可以设置多层防风网提高庇护效果。

1.3 防风网工程应用
在防风网的工程应用方面,近年来日本、美国和韩国所做的工作较多。日本从20世纪70年代起,相继在港口煤堆场使用了防风网,并且制定了
室外储煤场设备的防止煤粉尘飞散方法概要。美国国家环保局于1986年对防风网的有关研究工作进行了归纳,提出了防风网的一系列设计参数。韩国的Lee Sang—Joon在理论风洞与环境风洞试验的基础上,在POSCO钢厂5号堆场的两侧设置了开孔率为30%的EVC粘结网,并且对防风网的抑尘效果进行了现场测试,取得了具有借鉴意义的工程数据。

2 我国防风网抑尘技术研究与工程应用
与国外相比,我国对防风网抑尘工程技术的研究起步较晚,大多是对防风网抑尘机理的验证或者是对具体的堆料场防风网抑尘技术可行性论证。尤其自2004年以来,随着防风网抑尘工程技术在我国一些电厂、钢厂的应用,我国开始出现了一些围绕着防风网实际工程的环境风洞的模拟与工程现场实测的报道。但迄今为止.防风网在我国的工程应用主要是电厂的堆煤场、中小型钢厂的堆料场以及港口的小型堆料场,由于受到防风网工程技术以及经济方面的影响,目前国内尚无大型煤炭港口应用防风网的工程实例。

20世纪80年代中期.武汉水运工程学院结合上海港朱家码头煤堆场开展了挡风网防尘措施研究,对防风网的一些参数进行了实验验证。1994
年,南京化工大学设计并实施了天津市某煤炭仓储场小型碟型防风网工程,但是由于网片在风和低温的作用下被撕裂脱落。工程并没有达到预期的效果。

交通部水运科学研究所于20世纪9O年代初与北京大学环境科学中心空气动力学研究室合作,结合秦皇岛码头煤堆场设置防风网工程,对防风网的防尘机理、主要结构参数、材质和抑尘效果等进行了研究,并在天津港北疆煤堆场投人使用。在此基础上,根据秦皇岛码头煤堆场的风环境,对拟建防风网工程的动力特性进行了设计计算。笔者所在的课题组自2000年开始利用风洞在防风网庇护区流场特性、材质、布网形式及减风率
等方面开展试验研究 .取得了防风网的工程技术设计参数,提出了采用防风网和拦沙网的组合形式来抑止二次扬尘的方法。在此基础上开发出如表l
1
3 数值模拟研究
影响防风网抑尘工程抑尘效果的设计参数是繁杂的,这些参数没有统一的规律,变化多样,没有任何一个防风网产品具有通用性。因此要确保工程的安全可靠性、经济合理性和达到所要求的环境指标,满足特定用户的环境指标和最佳经济指标,目前唯一最有效的方法是按用户要求制作实体模型,在环境风洞中进行参数的测试及优化设计。但此项工作繁琐耗时,且使设计成本增加。如果能够采用数值模拟的方法描述不同参数对防风网抑尘效果的影响,不但可以节约设计成本和周期.也有助于人们更好地理解防风网抑尘机理。

数值模拟研究主要集中在如何从理论上处理防风网对来流风的影响以及防风网后的流场特性。Counihan运用分析理论对实体防风网后远尾流区的
平均速度分布进行了计算 。Wilson则把防风网看作一个局部动量沉(Localized Momentum Sink)应用于控制动量方程口l 引。Hagen采用k一 模型模拟风绕流防风网的流场特性。通过在防风网的前后侧施加速度分布研究了防风网的庇护作用|33]。Patton~]采用了large—eddy imulations对多层防风网周围的湍流区域进行了研究。

近年来,随着防风网抑尘工程技术在我国堆料场的应用,国内的研究人员也逐步开始采用数值模拟的方法对防风网进行研究。张光玉采用k一 模型对防风网对其庇护区内的风速影响进行了研究,并与实验数据进行了比较E 。胡晋明采用Fluent软件对不同参数对防风网庇护区内的流场影响进行了探讨 ]。赵仕琦采用Fluent软件对在秦皇岛港口堆煤场的两侧设置防风网的庇护区内流场变化进行了模拟。

以上的数值研究结果有利于更好地理解风流过防风网的状况,但没有涉及防风网和其庇护区内堆场的相互影响以及周围构筑物环境的影响。尽管
Song—Joon Lee考虑了防风网与三棱柱型堆煤场的相互影响L38],对开孑L率、设网高度和防风网位置对防风网庇护效应的影响进行了初步探讨。但仍需要进行深入研究。

4 对开展防风网抑尘工程技术研究的几点建议

随着我国对露天堆场粉尘污染重视程度的进一步增加,我国防风网抑尘工程的建设步伐明显加快,为进一步推动防风网抑尘技术的发展,进而提高堆料场周围的大气质量,笔者提出以下的建议。

(1)优化防风网结构并增加防风网产品类型目前,我国防风网产品种类相对单一.许多防风网工程产品的差异主要体现在材质的不同上。因此如
何以整个堆场的降尘量为目标,优化防风网的形状、结构参数以及在堆场四周设置不同类型防风网的研究仍应引起人们的关注。

(2)加强数值模拟在防风网抑尘技术研究的作用 对防风网抑尘技术进行数值模拟研究.对于减少环境风洞的试验工作量、时间和经济成本意义重
大。如前所述,目前仍主要是对风绕流防风网后的流场特性变化进行研究,远不能满足工程建设的需要,并且存在众多尚待解决的问题.例如,如何模拟地形以及周围构筑物的影响,料堆和防风网之间、料堆与料堆之间的相互影响等,需要进行大量的研究工作。

(3)开展防风网抑尘效果评价和验收标准的研究 防风网抑尘技术在我国具有广阔的前景,但由于我国在工程建设方面起步较晚.缺乏对工程实
施后降尘指标及其综合治理效果评价方面的研究,没有给工程项目建设管理及验收制定一个量化标准。因此需要在相关部门的支持下,加快该方
面的研究工作,制定出统一的评价方法或标准,规范防风网市场。

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王经理