趙宏鑫，彭士濤

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

近年來，隨著港口礦石吞吐量急劇攀升，港口大型堆場礦石粉塵“褐色污染”問題日益凸顯。但目前各類礦石在裝卸作業(yè)和貯存中動(dòng)態(tài)起塵與擴(kuò)散規(guī)律的研究還不多見，因此在定量描述其粉塵擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面還存在一定的困難。由于其裝卸貯運(yùn)及粉塵性狀與煤炭具有很大的共性，因此，在之前的研究都參考煤炭的特性進(jìn)行礦石起塵運(yùn)動(dòng)的推測［1］。文中利用CFD 計(jì)算了礦石粉塵運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，以及澳礦、巴西礦和印度礦在防風(fēng)網(wǎng)作用下的抑塵率。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 理論基礎(chǔ)

空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬采用RNG K-E 計(jì)算模型，即Renormalizations group K-E 模型［2］。此模型是由標(biāo)準(zhǔn)K-E 模型演變而來，相比標(biāo)準(zhǔn)K-E 模型，RNG K-E 能更好地處理流線彎曲較大的流動(dòng)。

煤堆場周圍的空氣流動(dòng)可以看作是在不可壓縮以及不考慮熱轉(zhuǎn)換的大氣條件下進(jìn)行，其RNG K-E 模型的控制方程組如下［3］

式中：xi為笛卡兒坐標(biāo)；t 為時(shí)間；ρ 為空氣密度；μ 為動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù)；μt為湍動(dòng)能粘性系數(shù)；ui、P、k、ε 為時(shí)間平均速度、靜壓、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率。

RNG K-E 模型方程中的常數(shù)一般取C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

1.2 計(jì)算設(shè)想與模型建立

（1）利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中得出的礦石粒徑分布和起動(dòng)風(fēng)速等結(jié)果，將相關(guān)參數(shù)應(yīng)用到CFD 數(shù)值模型中；

（2）將礦石起塵規(guī)律應(yīng)用到廈門港后石港區(qū)25 萬t 級(jí)礦石泊位，礦石堆場容量775 萬t。此礦石堆場堆高12 m。防風(fēng)網(wǎng)平面采用三側(cè)包圍方式布置，網(wǎng)高為18 m，開孔率為40%；

（3）根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)局推薦堆場起塵模式建立堆揚(yáng)塵排放源強(qiáng)計(jì)算公式，計(jì)算出防風(fēng)網(wǎng)對(duì)目前較常見的礦種（澳礦、巴西礦和印度礦）抑塵率。

計(jì)算區(qū)域?yàn)榈酌嬲?6 邊型的棱柱，該棱柱的底面半徑為6 000 m，高為200 m。礦石堆垛高度為12 m。防風(fēng)網(wǎng)布置在堆垛周圍，置于計(jì)算區(qū)域的中心。網(wǎng)格剖分時(shí)，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成模式，總網(wǎng)格數(shù)1 100 萬。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦石粒徑分布

礦石粉塵的粒徑分布是起塵規(guī)律研究的基礎(chǔ)參數(shù)。通過交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所風(fēng)工程研究中心的環(huán)境風(fēng)洞中采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理出目前常見的澳礦、巴西礦和印度礦的粒徑分布［4］。澳礦和巴西礦的粒徑分布情況比較接近，其小粒徑（＜355 μm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于印度礦，而大粒徑（＞500 μm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則小于印度礦。通過數(shù)據(jù)得知，印度礦粉塵顆粒較大，澳礦粉塵顆粒較小。

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)所采用礦粉的粒徑分布Tab.1 Particle size distribution of iron ore

2.2 起動(dòng)風(fēng)速

顆粒物的啟動(dòng)風(fēng)速與其粒徑分布聯(lián)系緊密。通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，在自然含水率條件下，澳礦的啟動(dòng)風(fēng)速為3.6～4.4 m/s，巴西礦和印度礦的啟動(dòng)風(fēng)速為4.0～5.2 m/s 和4.6～5.3 m/s。相比3 種礦粉，澳礦的啟動(dòng)風(fēng)速最小，相對(duì)較容易起塵；印度礦的啟動(dòng)風(fēng)速較大，相對(duì)較難起塵［5］。

2.3 流場分析

從圖3 風(fēng)速流場圖中可見，在防風(fēng)網(wǎng)掩護(hù)區(qū)域內(nèi)，風(fēng)速降低作用明顯，防風(fēng)網(wǎng)后形成較大區(qū)域的低風(fēng)速區(qū)，這表明防風(fēng)網(wǎng)對(duì)于堆場內(nèi)的風(fēng)速降低具有明顯的作用［6］，從而對(duì)抑制粉塵也具有較明顯的效果。

圖4 表明，風(fēng)流經(jīng)過防風(fēng)網(wǎng)后流場壓力明顯減小，形成壓力跳躍，在礦堆迎風(fēng)面形成了比較明顯的壓力駐點(diǎn)。來流遇到防風(fēng)網(wǎng)后形成比較明顯的壓降。直到來流通過了所有的礦堆后，壓降消失，并恢復(fù)到初始的壓力狀態(tài)。這說明了防風(fēng)網(wǎng)對(duì)場區(qū)內(nèi)的壓力具有明顯的影響。

2.4 抑塵率分析

（1）靜態(tài)源強(qiáng)計(jì)算公式。參考美國環(huán)境保護(hù)局推薦堆場起塵模式建立堆揚(yáng)塵排放源強(qiáng)模擬模式［7］，詳見式（6）。

式中：Q料堆為單位堆垛面積的堆揚(yáng)塵年排放源強(qiáng)，g/m2·年；B貨種為由貨種特性決定的起塵量調(diào)節(jié)系數(shù)，無量綱；kDi為起塵因子，無量綱；wDi為物料重量分?jǐn)?shù)，無量綱；PDi為風(fēng)蝕潛勢，g/m2，計(jì)算公式如式（7）；u*j為摩擦風(fēng)速，m/s，計(jì)算公式如式（8）；u*Dit為閾值摩擦風(fēng)速（即起塵臨界摩擦風(fēng)速，低于此值時(shí)認(rèn)為不起塵），m/s；uj，z為觀測高度為z 的風(fēng)速，m/s；z，z0分別為風(fēng)速檢測高度和地面粗糙度（0.3 cm）；κ 為沃卡門常數(shù)，無量綱，取0.4。

（2）抑塵率結(jié)果。將堆垛每一個(gè)體網(wǎng)格中心點(diǎn)的速度統(tǒng)計(jì)出來，由式（6）～式（8）得出堆垛每個(gè)體網(wǎng)格的摩擦速度。再由式（9）和式（10）可以得到單位堆垛面積的堆揚(yáng)塵年排放源強(qiáng)之比，即抑塵率。

由表2 可以看出，不同種類的礦粉在防風(fēng)網(wǎng)的作用下，出現(xiàn)不同的抑塵效果，其中澳礦抑塵率最低，印度礦抑塵率最高。這說明了澳礦相對(duì)較易起塵，巴西礦次之，而印度礦最不易起塵。影響礦石粉塵抑塵率的因素主要為貨種的粒徑分布和起動(dòng)風(fēng)速，這與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論相吻合。

3 結(jié)論

（1）通過CFD 數(shù)值模擬方法對(duì)不同貨種礦石抑塵率的計(jì)算，得出澳礦、巴西礦和印度礦3 種礦粉在風(fēng)速流場中的起塵運(yùn)動(dòng)結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得出的起塵規(guī)律結(jié)論基本相符，澳礦相對(duì)最易起塵，巴西礦次之，而印度礦最不易起塵。

（2）在防風(fēng)網(wǎng)的作用下，堆場貨種為澳礦時(shí)的自然含水抑塵率為53.76%；堆場貨種為巴西礦時(shí)的自然含水抑塵率為54.16%；堆場貨種為印度礦時(shí)的自然含水抑塵率為56.07%。

表2 澳礦、巴西礦和印度礦在防風(fēng)網(wǎng)作用下抑塵率Tab.2 Dust suppression rate of Australian iron ore,Brazil iron ore and India iron ore

［1］吳煒平.關(guān)于我國港口煤炭礦石粉塵防治現(xiàn)狀與技術(shù)政策［J］.交通環(huán)保，1994，15（2-3）：43-52.WU W P.On our port coal ore dust control status and technical policies［J］.Environmental Protection in Transportation，1994，15（2-3）：43-52.

［2］王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］任玉新，陳海昕. 計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［4］彭士濤，洪寧寧.廈門港后石港區(qū)散貨碼頭粉塵對(duì)周邊環(huán)境敏感點(diǎn)影響研究風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2012.

［5］彭士濤，洪寧寧.廈門港后石港區(qū)散貨碼頭粉塵對(duì)周邊環(huán)境敏感點(diǎn)影響研究礦石報(bào)告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2012.

［6］白泉.風(fēng)速時(shí)程數(shù)值模擬研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2005.

［7］陳愛英. 防風(fēng)網(wǎng)的數(shù)字模擬［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.