防風網對露天煤堆PM2.5減排量的估算方法*

曾 越，任守紅

(內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 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生大量包含PM2.5在內的揚塵，減少露天煤堆產生的PM2.5排放對霧霾防治具有重大意義。

目前國內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、植防風林等[3]，其中露天煤堆周圍設防風網在抑制二次揚塵方面優于大部分的傳統措施，在達到同等條件的環境指標時比封閉倉儲更經濟[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后露天煤堆PM2.5的減排量，不僅可以推進防風網的工程應用，還能為防風網的優化設計提供一定的理論依據。

關于防風網抑塵效果的研究，主要關注不同參數對防風網庇護效果影響的方面，因為防風網采用不同的高度、孔隙率以及與料堆不同的距離時，防風網的抑塵效果會發生很大差異[5 -7]。對于防風網抑塵效果的研究也在不斷發展，韓國的KIM H B等[8]提出庇護系數ψ來評價防風網的抑塵效果；段振亞等[9]提出應用減風率Cw從整體上評價防風網的抑塵效果；叢曉春等[10]提出起塵率η，通過數值模擬獲取設網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]通過數值模擬計算得出設網前后的料堆風蝕潛勢P，用來對防風網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對露天煤堆 PM2.5的減排效果評估的方法。但現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值模擬計算。以美國環境保護局(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]，對現有料堆風蝕揚塵排放量的估算方法進行優化。利用區別于 EPA模式的粗略劃分料堆表面區域的方式，以料堆表面每一網格作為風蝕子區域，估算防風網對露天煤堆PM2.5的減排效果，希望對防風網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。

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的排放源強，大小等于此擾動時段內的起塵量，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，取0.4，無量綱。

叢曉春等[17]經過風洞實驗，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，%。

區別于EPA模式粗略劃分料堆表面區域的方式，本文以料堆表面每一網格作為風蝕子區域，以每一網格的摩擦風速值來衡量料堆表面每一子區域受風蝕的程度，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 數值模擬

2.1 計算區域

根據露天煤場實際大小，將計算區域設計為340 m×160 m×70 m(長×寬×高)的長方體空間。在計算區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：將防風網簡化為35%開孔率的平板網；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

假定計算區域內的空氣為不可壓縮流體，空氣的流動是穩態絕熱的。

質量守恒方程

(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，kg·(m·s)-1。

Si是源項，該值在抑塵網區域外為0，在防風網區域內可以模擬為多孔介質的作用[18]，源項由黏性損失項和慣性損失項2部分組成

(8)

式中，α為多孔介質的滲透系數，m·s-1；C2為慣性阻力因子，m-1。

由于防風網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為與地形及大氣穩定度相關的參數，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 網格劃分

采用非結構化網格，煤堆和防風抑塵網表面采用三角形網格均勻劃分；體網格采用四面體網格，網格劃分如圖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周圍的網格進行加密并添加邊界層。

圖2 網格劃分Fig.2 Grid partition

作為獲得數值解的網格應當足夠細密，達到進一步加密網格對數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，以散料堆頂的平均剪切應力為網格獨立性考核的評判指標。網格信息及計算結果統計表和網格獨立性考核分別見表1。從整體趨勢上來看，堆頂的平均剪切力大小隨網格數增加而減小，但當網格數達到1 536 729時，剪切力大小變化很小，選取有效計算網格數為1 536 729，至此網格達到獨立性驗證。

表1 網格獨立性考核

現場實測3.6 m/s、6.5 m/s、9.2 m/s風速下在網后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，數值模擬和現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。因此，數值模擬基本可以準確還原在不同風速下網后的風速場。

段振亞等[13]通過對比發現不同來流風速下網后堆前處的風速輪廓線基本相似，得出無論有網無網時都可以按照美國環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。

經過實地調查表明，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月該儲煤場無網時PM2.5的排放量5 204.46 g，有網時PM2.5的排放量為296.22 g，計算得設置防風網后露天煤堆PM2.5的排放量減少了94.31%，表明設置防風網對PM2.5這一類細顆粒物的減排效果較為顯著。如果對防風網孔隙率進行優化，同時使煤堆達到最優含水率，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]通過數值模擬的方法，計算了不同來流風速下防風網對煤塵的減排率，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]提出的計算防風網對露天煤堆PM2.5的減排方法，計算出設置防風網對露天煤堆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)對現有露天煤堆PM2.5減排量的估算方法進行優化，解除了傳統的估算方法對風向以及煤堆形狀的限制，并應用優化過的方法對設置防風網后的露天煤堆PM2.5的減排效果進行模擬分析，模擬結果較好。

(2)以料堆表面每一網格作為風蝕子區域，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前后PM2.5的排放量發現，設置防風網使露天煤堆1月份PM2.5的排放量減少了94.31%，表明設置防風網對PM2.5減排效果顯著。