防风抑尘墙在黑岱沟露天矿中的应用研究
李晋旭　李克民　杨　明　杨　贺
(中国矿业大学)
摘　要　对于大型储煤场与原煤运输系统,目前使用的方式主要有喷水降尘和挡风抑尘2种方式防尘,而挡 风抑尘最适宜于北方露天矿场使用。介绍了防风抑尘网的发展状况,研究扬尘机理并通过风洞试验结论和对现场 测试数据分析,阐述了防风抑尘墙的抑尘防风原理,并对其做了分类介绍。最后论述了防风抑尘墙在黑岱沟露天 矿的成功运用。
关键词　粉尘防治　防风抑尘墙　网开孔率　储煤场　破碎站
大规模原料堆积场发生的飞散,不但污染周边 环境,影响居住环境,引起民怨,而且造成大量的原 料损失,因此原料堆积场均需设立解决原料飞散的 设施。在原料表面喷水和喷洒固化剂,是抑制原料 飞散的各种防治对策之一,但是,抑制粉尘固化剂费 用是连续长期的投入,并且效果不甚理想,如果没有 降雨,只刮强风,就无法抑制原料的飞散。
日本、德国、英国等发达国家的钢铁厂到目前为 止,大部分仍在采用喷水和表面固化剂喷洒的方式 来抑制粉尘飞散。日本大分、鹿岛钢铁所等原料场 外部设置绿化带来控制原料飞散。在韩国下洞火力 煤厂周围种植了高度约7~8 m的防风林。
韩国从1986年特别立项,对原料堆积场的飞散 问题进行专项研究,为此设计了一个与实际环境同 样环境的风洞实验室,通过风洞的变化调查,积累了 许多数据,对同一工厂不同的原料,不同的环境,进 行周密的调查和研究,积累了大量的各种数据,提出 利用防风抑尘墙防止堆积原料飞散的可行性方案。
浦项制铁和仁川港第8区,大约30 000m2的原 料场,建设了15m高的防风抑尘墙。安装防尘设施 后,国内很多单位对其进行了考察,给予了高度评 价,并且其它火力发电厂、钢铁厂、煤炭矿场、石灰石 矿场、水泥厂等都开始选择防风抑尘墙,在国内开始 广泛应用起来。 随着中国环保和节约意识的加深,近年开始在 中国引起关注。
1　扬尘原理
堆储或者散失在地面上的固体颗粒物,风导致 其运动的首要决定因素是风速。在风的作用下较小 的固体颗粒主要有3种运动状态:一定风速下最大 的运动微粒(直径>1 000μm)沿地面滚动成为螺 动;微小粒子(直径<100μm)则被湍流携带随风运 动称为悬浮;直径介于中间的粒子(100 ~1 000 μm)先是跃入大气中,而后又沿规则的轨道回落地 面称之为跃动。
粒子的悬浮与跃动是风蚀现象的主 要运动形式;而对大气环境造成危害的主要是悬浮 颗粒,特别是10μm及10μm以下的颗粒悬浮在大 气中是最有危害性的,该部分颗粒一旦悬浮在空中 由于在垂直方向上的速度波动,很难再落回到地面 而是随风向其他地方扩散,进而导致严重的空气污 染与其他环境问题,同时也造成了原料的浪费,使生 产成本提高。
防风抑尘墙能大量降低露天煤堆场的起尘量 其机理是通过降低来流风的风速,最大限度地损失 来流风的动能,避免来流风的明显涡流,减少风的湍 流度而达到减少起尘的目的。设置合理的防风抑尘 墙,其综合防尘效果能达到85%以上。
1. 1　煤堆起尘量与风速的关系
煤堆场起尘的原因:当外界风速达到一定强 度,风力使煤堆表面颗粒产生向上迁移的动力,该力 大于颗粒自身重力和颗粒之间的摩擦力,以及其它 阻碍颗粒迁移的外力时,颗粒就离开堆跺表面而扬 尘。研究露天堆煤场煤尘扩散规律发现,煤堆起尘 与风速关系如下:
Q =a×(V/V0)m,
式中,Q为料堆起尘量,m3/s;V为风速,m/s;V0起尘 风速,m/s;a为与粉尘粒度分布有关的系数;n为指 数( n >1.5)。
从上式可以看出,煤堆起尘量Q和堆场实际风 速与起尘风之差(V/V0)的n次方成正比。要使煤尘 起尘量Q变小,主要的办法是降低V与V0的差值。设 置防风抑尘网的目的是将V值变小,通过煤场喷淋 加湿手段将V0变大,这样就能达到减少Q值的目 的。
1. 2　起尘量与损失风动能的关系
当风通过防风抑尘墙时,不能采取堵的办法将 风引向上方,而应让一部分气流经过防风抑尘墙进 入墙内的庇护区;另一部分气流向上绕过防风抑尘 墙进入墙内的庇护区,这样做的目的是使风的动能 损失最大,煤堆起尘量最小。即以损失风动能达到 最大限度地减少煤堆起尘的目的。
1. 3　煤堆场起尘量与风湍流度的关系
由于气象、地形及堆场内物料情况等因素影响 堆场具有阵发性风,易形成涡流风,使堆场内的煤尘 起尘量增加。而防风抑尘墙对所形成的涡流风有破 碎作用,可以减少风的脉动速度,从而减少煤堆的起 尘量。
2　防风抑尘网原理
通过空气动力学实验室研究和现场实测的手 段,分别分析气流通过实体墙和网墙时的压力、流向 等的变化,从数据的对比中来揭示防风抑尘网的抑 尘原理。
当砌筑实体墙来防风时,即墙体的开口率为零, 分析如图1所示。

当Pa>Pb,Pc>Pd,在A,B区形成低压区,风 向向下偏转,在堆料的后方B区形成涡流区,引起 扬尘。
当采用柔性防风墙时,即墙体选用柔性材料并 有一定的开孔率,风可透过墙体材料,分析如图2所 示。

在A区Pa=Pb,V2≤V1/2,因此大于起尘临界 风速的几率下降。
在B区气流通过网墙不会反弹,自然形不成涡 流风,不会产生强湍流和垂直气流扰动,减少气流对 煤场生产作业过程中粉尘颗粒的作用,从而减弱或 避免扬尘发生。
从上面分析可以得出,防风抑尘网的原理为:采 用适当开孔率的柔性材料,架设成网墙将料堆加以 遮拦,隔离形成2个环境氛围,当自然风通过网墙 时,柔性网体材料吸收部分风流的能量,有效降低风 流的速度和压力,使强风变成弱风、大风变成小风、 小风变成无风,风流的速度低于粉尘颗粒飞扬的临 界速度,从而煤料中的粉尘颗粒不能实现扩散、飞 扬。通过墙体上适当的开孔将减弱的风流导出,避 免产生强湍流和垂直上升气流,避免粉尘颗粒受到 扰动而产生飞扬。通过防风抑尘网的设置有效解决 了空气流2个方面的问题,抑制了煤尘的产生,减少 了环境污染和原料煤的浪费。
柔性墙体材料的开孔率与抑尘效果的关系分 析,如图3所示。

由上图可以看出,当开孔率ε=0时,即采用实 体墙防尘,实体墙对抑制堆场煤尘有一定作用,但没 有达到最佳效果;当开孔率ε=100%时,即堆场周 围未采取任何措施,抑尘效果为零,粉尘可以无遮无 拦的自由扩散、飞扬;当开孔率ε=ε0时,即选择最 佳开孔的材料来围场抑尘,会收到最理想的防风抑 尘效果,最佳开孔率数据是通过试验分析和现场实 测来确定。
利用空气动力学原理进行风洞试验和现场实测 分析比较得出,当采用开孔率为40%的双层柔性网 体时,防风抑尘网能最有效地降低风压和风速,抑尘 效果最佳,风速降低80% ~90%,扬尘浓度分布降 低85%以上。所以,通常储煤场的防风抑尘网均选 用开孔率为40%的网体材料来建造。
试验还测得, 开孔率为40%的双层柔性防风抑尘网的有效遮护 水平距离为高度的30倍,网高一般应控制在煤堆高 度的1~1. 3倍的范围内。在粉尘治理的实际工作 中,可根据储煤场的大小、储量、堆煤高度、现场自然 情况等因素合理设计防风抑尘墙的形式、走向和高 度,以达到最佳的粉尘治理效果。
3　防风网特点
3. 1　柔性防风抑尘墙
柔性防风抑尘墙是在钢结构架上挂装防风抑尘 网。防风网是高密度聚乙烯(HDPE)编织的,开孔 率50%左右。2层叠加使用,开孔率在27%左右。 其柔性的特质决定了其优良的防风抑尘效果。 柔性防风抑尘网参数:防风网的一个重要技术 参数是开孔率,即防风网上透风的孔隙在整个防风 网面积上所占的比例,以ε(% )表示。孔隙度愈大 透过网的气流愈多。当ε接近100%,相当于没有防 风网,也就没有了屏蔽作用。当ε接近0%,相当于 无孔的实心墙,其防风效果并不好。
经过实验室的风洞试验和现场实测得到下列结 论。
(1)采用2层叠加的防风网,使其开孔率最接 近27%,可取得明显防风效果,其特殊编织方式,使 网后方不后形成涡旋。其柔性结构,在阻风时能更 好地吸收风能。
(2)采用四面围护的矩形防风网,其效果好于 单列的防风网,围护内减风比大于60%。同时,矩 形防风网对各个风向都具备防护作用。
(3)无孔或开孔率很低或很高的防风网,会在 背风面生成涡旋和强湍流,容易产生扬尘和风蚀。
(4)防风抑尘网设置高度达到堆放物1. 3~1. 倍时,防风抑尘效果最佳。
3. 2　钢性挡风抑尘墙
钢性防风抑尘墙是利用空气动力学原理,按照 实施现场环境(按1∶(100~500))风洞试验结果加 工成一定几何形状的防风板,并根据现场条件将防 风板组成“防风抑尘墙”使通过它的空气(强风)从 外通过墙体时,在墙体内侧形成上下干扰的气流以 达到外侧强风、内侧弱风;外侧小风,内侧无风的效 果,从而防止粉尘飞扬。
通过试验和检测,碟形防风板在一定的开孔率 下具有明显降低风速和风力的的作用。防风抑尘板 可以有效降低来流风的风速,改变一部分来流风通 过防风抑尘网后的风向,最大限度地降低来流风的 动能,避免来流风的明显涡流,减少风的湍流度,从 而达到减少起尘的目的。
刚性防风抑尘板的材质及规格防风板网采用高 分子无机非金属复合材料,或者钢板、不锈钢板。板 网形状为碟形,常规规格为0. 38 m×3 m。
3. 3　防风板特性
防风板采用新型的高分子无机非金属复合材料 或者镀锌喷塑钢板、不锈钢板等材料。它应具有科 学的板结构,高强度和韧性,承受弯曲挠变形的优良 机械性能,防风抑尘效果好,合理工程设计将获得 80%以上的抑尘效果
4　黑岱沟露天矿防风抑尘网的应用实例
4. 1　储煤场基本情况
(1)储煤场场地情况。储煤场是浅槽重介洗选 工艺的配套项目,浅槽重介洗选工艺设计洗选能力 为800万t/a,煤场储煤堆容量30万t。储煤厂位于 洗选二车间正南方,与主厂房相距480 m,储煤场场 地平整后标高1 220. 09 m。场地周围东南面较高, 挖掘后南面形成高24m的土崖,东西两侧土崖逐渐 降低,形成自然屏障,煤场正北面、西北面周围较低、 没有山岗或建筑物。储煤场主体形状接近于矩形, 场地北边宽236 m,东边长617. 5 m,西边长604. 6 m,南边两侧收缩后宽162. 9 m。
(2)自然气候情况。储煤场海拔1 220. 09 m, 自然风向以西北风为主,年最大风速24 m/s,平均 风速2. 3 m/s,一年大风日6~57 d。
(3)储煤场设备布置情况。储煤场内布置2条 胶带输送机横贯煤场南北,将煤场自西向东分成西 条区、中条区、东条区3个储煤区,在胶带机上布置 2台大连重工集团生产的DQL2500/2500. 45型斗轮 堆取料机。
(4)储煤场煤尘产生机理。胶带输送机、斗轮 堆取料机、推土机、工程自卸车等设备运行时,搅动 煤料,使煤料松散,煤料中的微小颗粒受到外力作 用,获得能量后由作业点向周围空间移动、扩散。自 然刮风时,将煤料中较小颗粒的煤带入大气中,在空 气中悬浮、跃动形成煤尘。设备运行的搅动和自然 刮风共同作用使煤尘产生扩散、飞扬,形成污染。
4. 2　用于储煤场煤尘治理工程
储煤场煤尘治理采取主体设置防风抑尘网与局 部利用自然地形屏障相结合、钢结构支架上固定防 风抑尘网与底部砌筑砖墙(1 m)相结合的方式进 行。
根据储煤场场地实际情况,充分利用场地土建 时南边和东南边形成的24 m高边坡土崖作为自然 屏障,南边不设计抑尘网,仅在北边和东西两边的局 部设计抑尘网,抑尘网对煤场区形成一个半包围结 构,与煤场南段的自然屏障结合构成一个完整的防 风抑尘体系。
具体为北面100%进行网围,计236 m,西边80. 9%进行网围,计489 m,东边33%进行 网围,计204 m,网围总长度929 m。根据平时煤场 储煤高度,设计防风抑尘网高度为17 m。沿防风抑 尘网的下端砌筑1 m高的砖墙,防止储煤场内的工 程机械在作业时损坏抑尘网。
钢结构支架主受力柱选用I25a工字钢,钢架高 17 m,每榀钢架间距为8. 4 m,钢架与钢架顶端采用 121 mm普通钢管连接,中部和下部采用HZ1水 平行架连接,钢架与混凝土基础上的预埋钢板焊接 从而使钢架与钢架之间形成一个稳定的空间结构。 网体材料选用开孔率为40%的高密度聚乙烯 螺旋编织网,单层网面厚度4~6 mm,规格4. 3 m× 50 m,使用寿命15 a以上。
网体从钢支架的最顶端跨过,每片网材之间互 相缝合,由上至下沿水平方向每间隔1 m设置2道 钢绞线,钢绞线与钢架通过专用卡具固定,用2道钢 绞线将网片夹于中间,水平方向每30 cm用铅丝将 网片与钢绞线固定。形成了支架与钢绞线、支架与 网体、网体与钢绞线的多重固定,提高了防风墙的强 度和稳定性。
4. 3　用于破碎站煤尘治理
选煤厂来煤系统共有1#, 2#, 3#3套大型半移动 式破碎站,每套破碎站均选用英国MMD公司的 2 500 t/h双齿辊破碎机, 1#, 3#破碎站各设置1台破 碎机, 2#破碎站设置2台破碎机,每台破碎机下设计 有配套的皮带系统。破碎站为坑式建筑,破碎机和 配套胶带设置在重型自卸卡车作业面旁边的坑下。 破碎站的煤尘主要由重型自卸卡车卸煤、破碎机工 作转动、配套胶带运转引起。破碎站的粉尘治理采 取防风抑尘网和洒水相结合的方法,防风抑尘网设 计成全包围结构,网高17 m,双层敷设,施工技术措 施与储煤场相同,气温在零度以上时洒水配合降尘。
5　结　论
储煤场与破碎站采用挡风抑尘墙,解决了原料 场与破碎站的粉尘污染问题,目前挡风抑尘墙被广 泛的应用在煤炭、矿石、灰沙等开采、堆放、装卸等作 业场所,可以有效地抑制粉尘散发,抑尘效率达到 75% ~90%。挡风抑尘网使用寿命长,建成后,不需 要任何维护,节省了大量的人力、物力,非常适合露 天矿场。对周边环境改善起到决定作用,有明显的 环境效益;同时达到了节能减排的目的,随着挡风抑 尘墙技术的进一步改进,工程造价的进一步降低,该 技术将大有前途。
参考文献：略