開放性露天堆場(chǎng)散塵機(jī)理及抑塵系統(tǒng)優(yōu)化研究

開放性露天堆場(chǎng)料堆表面的空氣運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)決定著堆場(chǎng)的散塵機(jī)理和防風(fēng)抑塵網(wǎng)的抑塵效率。通過對(duì)開放性露天堆場(chǎng)周圍空氣流動(dòng)和料堆起塵物理機(jī)制的分析研究，建立了繞流風(fēng)場(chǎng)的三維數(shù)學(xué)物理模型，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)典型料堆表面空氣動(dòng)力學(xué)特性和抑塵網(wǎng)前后空氣運(yùn)動(dòng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬；在拉格朗日坐標(biāo)系下采用顆粒運(yùn)動(dòng)軌道模型，追蹤顆粒相運(yùn)動(dòng)，得到堆場(chǎng)顆粒在風(fēng)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性。研究表明：堆場(chǎng)鈍體改變了近地層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，風(fēng)速的標(biāo)量性無法體現(xiàn)繞流特性，料堆表面剪切應(yīng)力是體現(xiàn)散塵較好的標(biāo)識(shí)指標(biāo)；迎風(fēng)面從坡底到坡頂剪切層變薄，剪切速度逐漸增大，風(fēng)速廓線偏離了原有的對(duì)數(shù)分布形態(tài)，平頂面前半部分受迎風(fēng)面影響較大，剪切層很薄，隨著水平來流的混合作用，后半部分逐漸呈現(xiàn)與垂直高度的對(duì)數(shù)成正比的風(fēng)速分布，揚(yáng)塵削弱。背風(fēng)面靠近頂部區(qū)域沿坡面向下繞流， 2/3高度以下形成順時(shí)針方向的回流渦旋，但由于剪切速度較小，揚(yáng)塵量較之迎風(fēng)面和平頂面小得多。不同進(jìn)風(fēng)工況下，料堆表面風(fēng)速相對(duì)值分布基本相同；迎風(fēng)面從底到頂隨來流風(fēng)速增加，揚(yáng)塵增幅加大，堆高2/3以上為劇，平頂面剪切力呈現(xiàn)前強(qiáng)后緩的趨勢(shì)，背風(fēng)面2/3堆高以上剪切力沿坡面向下遞減，2/3以下沿坡面向上。孔隙率是影響抑塵網(wǎng)效率的最主要因素，低孔隙率（＜0.3）和高孔隙率（≥0.3）料堆周圍風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)和表面剪切力特性迥異；低孔隙率抑塵網(wǎng)的滲流空氣量與繞流空氣相比較小，網(wǎng)后空氣壓降劇烈，抑塵網(wǎng)與迎風(fēng)面間形成渦旋，孔隙率為0時(shí)渦旋強(qiáng)度和直徑最大，渦旋中心高于堆頂，平頂面受其影響呈現(xiàn)回流剪切層，逆向來流揚(yáng)塵，孔隙率為0.2時(shí)渦旋強(qiáng)度減弱，渦旋中心處于2/3堆高，平頂面貼附表面向下游流動(dòng)；迎風(fēng)面表面剪切力隨高度增加先增大后減小，最大散塵點(diǎn)位于堆高2/3處，背風(fēng)面始終處于回流區(qū),表面剪切力和回流點(diǎn)數(shù)隨孔隙率大小變化不顯著；高孔隙率滲流風(fēng)增加，網(wǎng)前后壓降減小，料堆顆粒被風(fēng)揚(yáng)起散至空氣，散塵量最大點(diǎn)位于冠頂迎風(fēng)面?zhèn)?，孔隙率?.6，網(wǎng)后流場(chǎng)結(jié)構(gòu)幾乎與無網(wǎng)工況無異，抑塵作用不明顯；通過計(jì)算分析孔隙率為0.225、0.25及0.275時(shí)的流場(chǎng)可知，孔隙率在0.25時(shí)料堆周圍流場(chǎng)特性為渦旋流耦合貼附流的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)剪切力最小，為無網(wǎng)時(shí)22.5%，故臨界孔隙率為0.25。 料堆表面空氣動(dòng)力學(xué)特性研究更好地解釋了露天堆場(chǎng)的微觀散塵特性，為防風(fēng)抑塵網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

開放性露天堆場(chǎng)的散塵是大氣污染的重要來源，目前開放性露天堆場(chǎng)散塵機(jī)理的研究僅局限于風(fēng)速為標(biāo)量基礎(chǔ)上的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，未考慮風(fēng)速方向性，來流空氣在堆場(chǎng)上部繞流，風(fēng)速風(fēng)向逐點(diǎn)不同，忽略速度矢量性造成定量研究結(jié)果不統(tǒng)一，因此非常有必要對(duì)三維速度場(chǎng)下堆場(chǎng)散塵機(jī)理及抑塵方案的優(yōu)化進(jìn)行深入的研究。速度矢量場(chǎng)數(shù)值基礎(chǔ)克服了單一速度標(biāo)量計(jì)算起塵量與繞流空氣場(chǎng)不一致，消除了計(jì)算結(jié)果失真。本項(xiàng)目主要解析速度分量和散塵量分量的關(guān)聯(lián)性，定量確定三維流場(chǎng)下的散塵量；建立開放性露天堆場(chǎng)周圍空氣流動(dòng)的模型，進(jìn)行靜態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬，繪制顆粒群動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)跡線；基于速度場(chǎng)耦合濃度場(chǎng)研究防風(fēng)抑塵網(wǎng)抑塵效率隨開孔率組合方式的變化規(guī)律，獲得防風(fēng)抑塵網(wǎng)最佳開孔結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目的研究將為露天開放源的散塵機(jī)理提供科學(xué)的依據(jù)，同時(shí)為防風(fēng)抑塵方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供可借鑒的計(jì)算方法和寶貴的數(shù)據(jù)資料，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

源頭抑塵技術(shù)是在粉塵散發(fā)前期通過使粉塵凝結(jié)等方法使其自重增加，從而一直保持在沒有漂浮到空氣中的狀態(tài)，達(dá)到抑塵效果。這也是國外比較推崇的粉塵治理方式，已在海外有較成熟應(yīng)用，近年在國內(nèi)開始逐步推廣，在國內(nèi)多省市的工業(yè)礦山領(lǐng)域也已有應(yīng)用。

BME柏美迪康是國內(nèi)源頭抑塵技術(shù)的典型代表。BME所獨(dú)有的生物納膜抑塵技術(shù)，運(yùn)用當(dāng)今最先進(jìn)的生物納米材料，從粉塵產(chǎn)生的源頭入手，實(shí)現(xiàn)快速降塵。BME生物納膜抑塵技術(shù)在國內(nèi)礦山、冶金、垃圾處理等場(chǎng)所已有典型運(yùn)用。這類除塵技術(shù)屬于粉塵散發(fā)前抑塵，相比其他粉塵散發(fā)后除塵，具有很大的優(yōu)勢(shì)，使得在物料生產(chǎn)的整個(gè)過程中，都能夠有效地控制粉塵散發(fā)，采用BME獨(dú)有的生物納膜技術(shù)的綜合抑塵系統(tǒng)抑塵率可達(dá)98%甚至更高。破碎過程中產(chǎn)生的粉塵都聚集成細(xì)料，最終成為成品料，能增加0.5%-3%的產(chǎn)量。

優(yōu)點(diǎn)：沒有水污染，制劑對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生副作用，不影響成品料品質(zhì)，投入成本較低，對(duì)防治PM2.5等細(xì)微顆粒污染有明顯效果，適合各類工業(yè)、礦山企業(yè)。粉塵可以直接轉(zhuǎn)化為成品料，增加經(jīng)濟(jì)效益。

缺點(diǎn)：需要精密的專業(yè)設(shè)備投入，操作要求高。

綜合抑塵技術(shù)主要包括生物納膜抑塵技術(shù)、云霧抑塵技術(shù)及濕式收塵技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

生物納膜抑塵技術(shù)，生物納膜是層間距達(dá)到納米級(jí)的雙電離層膜，能最大限度增加水分子的延展性， 并具有強(qiáng)電荷吸附性；將生物納膜噴附在物料表面， 能吸引和團(tuán)聚小顆粒粉塵，使其聚合成大顆粒狀塵 粒，自重增加而沉降；該技術(shù)的除塵率最高可達(dá)99% 以上，平均運(yùn)行成本為0.05~0.5元/噸。

云霧抑塵技術(shù)是通過高壓離子霧化和超聲波霧化 ，可產(chǎn)生1μm~100μm的超細(xì)干霧；超細(xì)干霧顆粒細(xì)密，充分增加與粉塵顆粒的接觸面積，水霧顆粒與粉塵顆粒碰撞并凝聚，形成團(tuán)聚物，團(tuán)聚物不斷變大變重，直至最 后自然沉降，達(dá)到消除粉塵的目的；所產(chǎn)生的干霧顆粒，30%~40%粒徑在2.5μm以下，對(duì)大氣細(xì)微顆粒污染的防治效果明顯。

濕式收塵技術(shù)通過壓降來吸收附 著粉塵的空氣，在離心力以及水與粉塵氣體混合的雙 重作用下除塵；獨(dú)特的葉輪等關(guān)鍵設(shè)計(jì)可提供更高的 除塵效率。

適用于散料生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、裝卸等環(huán) 節(jié)，如礦山、 建筑、采石場(chǎng)、 堆場(chǎng)、港口、 火電廠、鋼鐵 廠、垃圾回收處理等場(chǎng)所 。