開放性露天堆場散塵機理及抑塵系統(tǒng)優(yōu)化研究項目摘要

開放性露天堆場的散塵是大氣污染的重要來源，目前開放性露天堆場散塵機理的研究僅局限于風(fēng)速為標量基礎(chǔ)上的數(shù)值計算和實驗研究，未考慮風(fēng)速方向性，來流空氣在堆場上部繞流，風(fēng)速風(fēng)向逐點不同，忽略速度矢量性造成定量研究結(jié)果不統(tǒng)一，因此非常有必要對三維速度場下堆場散塵機理及抑塵方案的優(yōu)化進行深入的研究。速度矢量場數(shù)值基礎(chǔ)克服了單一速度標量計算起塵量與繞流空氣場不一致，消除了計算結(jié)果失真。本項目主要解析速度分量和散塵量分量的關(guān)聯(lián)性，定量確定三維流場下的散塵量；建立開放性露天堆場周圍空氣流動的模型，進行靜態(tài)流場的數(shù)值模擬，繪制顆粒群動態(tài)運動跡線；基于速度場耦合濃度場研究防風(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)。本項目的研究將為露天開放源的散塵機理提供科學(xué)的依據(jù)，同時為防風(fēng)抑塵方案的設(shè)計及優(yōu)化提供可借鑒的計算方法和寶貴的數(shù)據(jù)資料，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

開放性露天堆場料堆表面的空氣運動和動力學(xué)結(jié)構(gòu)決定著堆場的散塵機理和防風(fēng)抑塵網(wǎng)的抑塵效率。通過對開放性露天堆場周圍空氣流動和料堆起塵物理機制的分析研究，建立了繞流風(fēng)場的三維數(shù)學(xué)物理模型，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用標準k-ε湍流模型對典型料堆表面空氣動力學(xué)特性和抑塵網(wǎng)前后空氣運動分布進行了數(shù)值模擬；在拉格朗日坐標系下采用顆粒運動軌道模型，追蹤顆粒相運動，得到堆場顆粒在風(fēng)場中的運動特性。研究表明：堆場鈍體改變了近地層風(fēng)場結(jié)構(gòu)，風(fēng)速的標量性無法體現(xiàn)繞流特性，料堆表面剪切應(yīng)力是體現(xiàn)散塵較好的標識指標；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)與垂直高度的對數(shù)成正比的風(fēng)速分布，揚塵削弱。背風(fēng)面靠近頂部區(qū)域沿坡面向下繞流， 2/3高度以下形成順時針方向的回流渦旋，但由于剪切速度較小，揚塵量較之迎風(fēng)面和平頂面小得多。不同進風(fēng)工況下，料堆表面風(fēng)速相對值分布基本相同；迎風(fēng)面從底到頂隨來流風(fēng)速增加，揚塵增幅加大，堆高2/3以上為劇，平頂面剪切力呈現(xiàn)前強后緩的趨勢，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時渦旋強度和直徑最大，渦旋中心高于堆頂，平頂面受其影響呈現(xiàn)回流剪切層，逆向來流揚塵，孔隙率為0.2時渦旋強度減弱，渦旋中心處于2/3堆高，平頂面貼附表面向下游流動；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)揚起散至空氣，散塵量最大點位于冠頂迎風(fēng)面?zhèn)?，孔隙率?.6，網(wǎng)后流場結(jié)構(gòu)幾乎與無網(wǎng)工況無異，抑塵作用不明顯；通過計算分析孔隙率為0.225、0.25及0.275時的流場可知，孔隙率在0.25時料堆周圍流場特性為渦旋流耦合貼附流的轉(zhuǎn)折點，此時剪切力最小，為無網(wǎng)時22.5%，故臨界孔隙率為0.25。 料堆表面空氣動力學(xué)特性研究更好地解釋了露天堆場的微觀散塵特性，為防風(fēng)抑塵網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計提供了一種新思路。

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所獨有的生物納膜抑塵技術(shù)，運用當今最先進的生物納米材料，從粉塵產(chǎn)生的源頭入手，實現(xiàn)快速降塵。BME生物納膜抑塵技術(shù)在國內(nèi)礦山、冶金、垃圾處理等場所已有典型運用。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，使得在物料生產(chǎn)的整個過程中，都能夠有效地控制粉塵散發(fā)，采用BME獨有的生物納膜技術(shù)的綜合抑塵系統(tǒng)抑塵率可達98%甚至更高。破碎過程中產(chǎn)生的粉塵都聚集成細料，最終成為成品料，能增加0.5%-3%的產(chǎn)量。

優(yōu)點：沒有水污染，制劑對環(huán)境不會產(chǎn)生副作用，不影響成品料品質(zhì)，投入成本較低，對防治PM2.5等細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)濟效益。

缺點：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到納米級的雙電離層膜，能最大限度增加水分子的延展性， 并具有強電荷吸附性；將生物納膜噴附在物料表面， 能吸引和團聚小顆粒粉塵，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99% 以上，平均運行成本為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的超細干霧；超細干霧顆粒細密，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，形成團聚物，團聚物不斷變大變重，直至最 后自然沉降，達到消除粉塵的目的；所產(chǎn)生的干霧顆粒，30%~40%粒徑在2.5μm以下，對大氣細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；獨特的葉輪等關(guān)鍵設(shè)計可提供更高的 除塵效率。

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