防风网对露天煤堆PM2.5减排量的估算方法*

曾 越，任守红

(内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010050)

由于大气污染物排放量不断增加，导致雾霾已经成为中国最为严重的空气污染问题。PM2.5是雾霾的重要组成部分[1]，可以长时间的悬浮在空气中，且容易被人体吸入，严重损害人体健康，所以治理雾霾的关键就是解决PM2.5问题[2]。露天储煤场的煤炭在堆放和装卸过程中会产生大量包含PM2.5在内的扬尘，减少露天煤堆产生的PM2.5排放对雾霾防治具有重大意义。

目前国内外有多种控制煤尘污染的措施，主要有喷雾洒水、喷防尘剂、织物覆盖、设防风网、植防风林等[3]，其中露天煤堆周围设防风网在抑制二次扬尘方面优于大部分的传统措施，在达到同等条件的环境指标时比封闭仓储更经济[4]。为了从源头治理露天煤堆引起的雾霾问题，做好粉尘污染防治工作，合理地估算设置防风网后露天煤堆PM2.5的减排量，不仅可以推进防风网的工程应用，还能为防风网的优化设计提供一定的理论依据。

关于防风网抑尘效果的研究，主要关注不同参数对防风网庇护效果影响的方面，因为防风网采用不同的高度、孔隙率以及与料堆不同的距离时，防风网的抑尘效果会发生很大差异[5 -7]。对于防风网抑尘效果的研究也在不断发展，韩国的KIM H B等[8]提出庇护系数ψ来评价防风网的抑尘效果；
段振亚等[9]提出应用减风率Cw从整体上评价防风网的抑尘效果；
丛晓春等[10]提出起尘率η，通过数值模拟获取设网前后料堆表面摩擦风速，然后比较料堆表面起尘面积的变化，来评价防风网的抑尘效果。也有研究者提出基于扬尘排放量的评价方法，谢绍东等[11]以美国环境保护局(EPA)推荐的计算料堆风蚀扬尘排放因子的方法为基础，提出一个料堆风蚀扬尘排放量的估算方法；
YEH C P等[12]通过数值模拟计算得出设网前后的料堆风蚀潜势P，用来对防风网的减排效果进行评估；
段振亚等[13]在别人的基础上提出防风网对露天煤堆 PM2.5的减排效果评估的方法。但现有的估算方法对风向以及煤堆形状都有一定的限制，同时对 PM2.5的减排量的估算方法较少。

以内蒙古某露天储煤场的PM2.5排放量估算为例，结合储煤场的实际条件对其进行数值模拟计算。以美国环境保护局(EPA)推荐的计算料堆风蚀扬尘排放因子的方法为基础，结合YEH C P和段振亚等的研究成果[12 -13]，对现有料堆风蚀扬尘排放量的估算方法进行优化。利用区别于 EPA模式的粗略划分料堆表面区域的方式，以料堆表面每一网格作为风蚀子区域，估算防风网对露天煤堆PM2.5的减排效果，希望对防风网工程设计提供一定指导作用，为估算露天煤堆的起尘提供一定的参考依据。

EPA提出的排放因子的测定方法，称为 EPA排放源强[14]见式(1)

(1)

式中，Q为颗粒在扰动周期内的排放源强，大小等于此扰动时段内的起尘量，单位为g；
k为粒径大小因子，随颗粒物粒径变化而变化，PM2.5对应的粒径大小因子为0.2[15]；
N为堆垛遭受扰动的频率；
Pi为第i次扰动中观测到的最大风速的风蚀潜势，g·m-2；
Si为堆垛的子表面面积，m2。

干燥煤堆表面的风蚀潜势P由式(2)求得

(2)

方程(2)中的摩擦风速[16]u*可参考如下方程计算

(3)

式中，uz为地面风速，m·s-1；
u*为摩擦风速，m·s-1；
z为风速检测高度，m；
z0为表面粗糙度，m；
k为沃卡门常数，取0.4，无量纲。

丛晓春等[17]经过风洞实验，由最小二乘法拟合得到颗粒起动风速的拟合经验公式

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

(4)

式中，ut为颗粒的起动风速，m·s-1；
d为颗粒平均粒径，μm；
w为颗粒含水率，%。

区别于EPA模式粗略划分料堆表面区域的方式，本文以料堆表面每一网格作为风蚀子区域，以每一网格的摩擦风速值来衡量料堆表面每一子区域受风蚀的程度，通过公式(5)得到摩擦风速[13]。

(5)

式中，u*为摩擦风速，m·s-1；
ρ为空气密度，kg·m-3；
τw为表面剪切力，Pa。

2.1 计算区域

根据露天煤场实际大小，将计算区域设计为340 m×160 m×70 m(长×宽×高)的长方体空间。在计算区域的中心位置设置一个棱台型的煤堆，煤堆上、下表面的长宽分别为42 m×5 m和80 m×25 m，高度为9 m。防风网开孔率为35%，距煤堆为13.5 m，高为11 m，长为90 m。此计算模型做如下简化：将防风网简化为35%开孔率的平板网；
将煤堆简化为理想的实体表面。计算域物理模型如图1所示(单位：m)。

图1 计算域物理模型Fig.1 Computational domain physical model

2.2 边界条件和控制方程

假定计算区域内的空气为不可压缩流体，空气的流动是稳态绝热的。

质量守恒方程

(6)

动量守恒方程

(7)

式中，ρ为空气密度，kg·m-3；
u，v，w分别为x，y，z方向的速度，m·s-1；
ui，uj分别为i方向和j方向速度分量，m·s-1；
xi，xj分别为x，y方向的坐标；
μ为空气动力黏性系数，kg·(m·s)-1。

Si是源项，该值在抑尘网区域外为0，在防风网区域内可以模拟为多孔介质的作用[18]，源项由黏性损失项和惯性损失项2部分组成

(8)

式中，α为多孔介质的渗透系数，m·s-1；
C2为惯性阻力因子，m-1。

由于防风网彼此之间的孔隙都是沿着同一方向且分布均匀，故采用达西(Darcy)运动定律为基础的毛细管模型计算渗透率k

(9)

(10)

式中，k为多孔介质的渗透率，m2；
Af为孔的总面积，m2；
AP为板的总面积，m2；
t为防风网厚度，m，取0.001 2 m；
C近似等于0.98；
δ为孔隙直径，m，取0.01 m；
φ为孔隙率，取0.35。由公式(9)计算得C2为6 215.46 m-1，公式(10)计算得k=1.09×10-6。

边界条件设置：入口边界为速度入口；
防风网设置为多孔阶跃边界；
出口边界为零压力梯度出流；
料堆表面及地面为无滑移壁面；
模型上表面和前后表面为对称边界。由于风速随高度的增加而变化，所以入口速度按照式(11)确定

v=v0(z/10)a

(11)

式中，v0为离地面10 m处的风速；
a为与地形及大气稳定度相关的参数，取a=0.14。

本文用标准k-ε湍流模型来模拟露天储煤场的三维流场，采用SIMPLE算法，标准k-ε方程，收敛误差均取10-5，差分格式中压力、动量、湍流能量和湍流耗散率均采用二阶迎风格式，紊流系数C1ε、C2ε、C3ε、σε和σk的取值分别为 1.44、1.92、0.09、1.0和1.3。

2.3 网格划分

采用非结构化网格，煤堆和防风抑尘网表面采用三角形网格均匀划分；
体网格采用四面体网格，网格划分如图2所示。由于煤堆表面的起尘量与煤堆周围的空气流动特性有关，故对煤堆和防风抑尘网周围的网格进行加密并添加边界层。

图2 网格划分Fig.2 Grid partition

作为获得数值解的网格应当足够细密，达到进一步加密网格对数值计算结果基本上没有影响。以来流风速为5 m/s时模拟料堆空气流场，以散料堆顶的平均剪切应力为网格独立性考核的评判指标。网格信息及计算结果统计表和网格独立性考核分别见表1。从整体趋势上来看，堆顶的平均剪切力大小随网格数增加而减小，但当网格数达到1 536 729时，剪切力大小变化很小，选取有效计算网格数为1 536 729，至此网格达到独立性验证。

表1 网格独立性考核

现场实测3.6 m/s、6.5 m/s、9.2 m/s风速下在网后2 m高处的5个位置的速度值，并与模拟工况下相同位置的风速进行比较,如图3所示。

图3 防风网后2 m高处的风速Fig.3 Wind speed at a height of 2 m behind the windproof net

由图3可知，数值模拟和现场实测的结果非常接近，整体上具有较高的吻合度，风速为9.2 m/s时的相对误差最大，但误差仍在10%以内。因此，数值模拟基本可以准确还原在不同风速下网后的风速场。

段振亚等[13]通过对比发现不同来流风速下网后堆前处的风速轮廓线基本相似，得出无论有网无网时都可以按照美国环保局推荐的公式计算料堆的PM2.5排放。

3.1 煤堆PM2.5排放量计算

应用上述方法对露天煤堆PM2.5的排放量进行估算。经计算该煤堆暴露总表面积为2 482.2 m2。将储煤场的20 g原煤进行烘干，烘干后质量为19.32 g，则该煤场煤粉含水率约为3.4%；
由筛分法得平均粒径约为849 μm；
地面粗糙度为0.03[20]。带入公式(4)得出起动风速为4.12 m/s，经计算得煤尘的阈值摩擦风速为0.284 m/s，由公式(5)得该阈值摩擦风速对应的表面剪切力为 0.101 Pa。

经过实地调查表明，由于1月属于供暖高峰期，整个煤堆表面平均每2 d受1次扰动，整个1月份共受到了16次扰动，通过煤场的风速记录仪得到每一次扰动期间的最大风速。这里选择1月份计算该露天煤堆PM2.5的排放量，表2给出了该月扰动期间的最大风速值。

表2 2021年1月科布尔镇每2 d最大风速值

3.2 减排量分析

2021年1月该储煤场无网时PM2.5的排放量5 204.46 g，有网时PM2.5的排放量为296.22 g，计算得设置防风网后露天煤堆PM2.5的排放量减少了94.31%，表明设置防风网对PM2.5这一类细颗粒物的减排效果较为显著。如果对防风网孔隙率进行优化，同时使煤堆达到最优含水率，可以进一步提高PM2.5的减排率。

表3 煤堆1月份PM2.5的排放量

露天储煤场1月份的平均扰动风速为7.3 m/s，丛晓春等[10]通过数值模拟的方法，计算了不同来流风速下防风网对煤尘的减排率，用此方法计算当风速为7.3 m/s时防风网的减排率约为96.93%，与本文提出的方法计算结果 94.31%相比，两者相差2.62%。段振亚等[13]提出的计算防风网对露天煤堆PM2.5的减排方法，计算出设置防风网对露天煤堆PM2.5的减排率达到了99.33%。三者的计算结果较为一致。

(1)对现有露天煤堆PM2.5减排量的估算方法进行优化，解除了传统的估算方法对风向以及煤堆形状的限制，并应用优化过的方法对设置防风网后的露天煤堆PM2.5的减排效果进行模拟分析，模拟结果较好。

(2)以料堆表面每一网格作为风蚀子区域，同时考虑了含水率和煤尘粒径对起尘的影响，能更准确反映防风网对颗粒物的减排效果，适用范围更广。

(3)通过此估算方法比较设置防风网前后PM2.5的排放量发现，设置防风网使露天煤堆1月份PM2.5的排放量减少了94.31%，表明设置防风网对PM2.5减排效果显著。

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