CN104915544B - 一种港口露天散货堆场粉尘释放总量的估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种港口露天散货堆场粉尘释放总量的估算方法，具体涉及环境科学与工程领域的大气颗粒物控制技术领域。它解决了现有的露天堆场粉尘释放总量的估算模式只考虑到静态释放量，没有考虑机械作业状态下粉尘动态释放量的贡献的问题。该港口露天散货堆场粉尘释放总量的估算模式，采用用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，确定出扰动1次释放的静态风蚀粉尘量Qj；根据全年扰动次数，估算露天散货堆场静态年起尘量Qs；然后通过确定动态作业时的散货粉尘装卸系数，计算动态年起尘量Qd；最后根据静态年起尘量和动态年起尘量估算全年粉尘排放总量Q。
Description
技术领域
本发明属于环境科学与工程领域的大气颗粒物控制技术领域，具体涉及一种港口露天散货堆场粉尘释放总量的估算方法。
背景技术
港口露天矿石堆场，长期露天堆放的散货粉尘随风扬尘、装卸作业起尘以及进出车辆在运输过程中产生的扬尘一直是港口大气污染防治的工作。从产尘环节上看，露天堆场是由按照一定方式排列的、若干个堆垛处于堆存状况的静态尘源和堆取料机工作时堆垛处于装卸状态的动态尘源这两部分构成的复合性尘源场，具有动态工作的响应特征，而不是单纯的存放过程的静态风蚀污染问题，正是动态作业对堆场尘源释放总量的贡献，使得港口露天堆场的源强释放量具有扰动特征强、污染变化大、间歇性明显的特点。
露天堆场的两个主要发尘环节：一是处于堆存状态的静态扬尘，二是堆垛处于装卸工作状态的动态扬尘。中国专利文献曾公开了一种用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法【中国专利号：ZL201110243102.2；授权公告号：CN102289550A】，公开了一种基于堆存状态下的堆垛静态释放量的估算模式，没有考虑机械作业时工作状态下粉尘动态释放量的贡献，所以露天堆场粉尘释放总量的确定方法目前还没有。
发明内容
本发明的目的是针对现有的露天堆场粉尘释放总量的估算模式只考虑到静态释放量，没有考虑机械作业状态下粉尘动态释放量的贡献的不足，提出了一种港口露天散货堆场粉尘释放总量的估算方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种港口露天散货堆场粉尘释放总量的估算方法，包括露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，包括以下步骤：
步骤一：采用露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，确定出扰动1次释放的静态风蚀粉尘量Qj；
所述露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，包括以下步骤：
①选取任意形状颗粒源，按照1∶1比例，建立颗粒源物理模型；设计计算域，确定计算所必需的入口及边壁条件；
②采用非均匀四面体网格对步骤①中设计的计算域实施网格划分，网格划分遵循“近壁加密”原则，即靠近颗粒源物理模型的区域采用精密网格，远处采用稀疏网格；并对网格划分方法进行敏感性验证，直至网格划分方法对计算结果的敏感性影响≤5％时，方可认定完成网格划分；
③选用稳态k-ε二方程湍流数学模型，将控制方程写成通用守恒方程，采取有限容积法将方程离散成差分方程并采用二阶迎风格式求解；
④继续采用压力-速度耦合的半隐式算法求解，将计算误差控制在δ≤10-3以内，以此得到流场计算结果；
⑤根据步骤④得到的流场计算结果，确定颗粒源上空不同铅垂高度截面处的风速均值，然后采用幂指数形式Z＝aUb对其进行曲线拟合，其中Z为距离颗粒源表面高度，U为各高度下对应的风速均值，a和b均为拟合系数，曲线横坐标为风速均值，曲线纵坐标为垂直高度，拟合的曲线在纵坐标上的截距，即为摩阻风速的作用高度，提取距离颗粒源表面等作用高度处风速值即可获得摩阻风速分布及颗粒源受风蚀影响状况；
⑥将步骤⑤获取的摩阻风速分布以颗粒阈值摩阻风速为基准，划归到若干个不同的速度范围，统计各速度范围段下所对应的子区域面积；
⑦按照公式(1)统计颗粒源各表面风蚀起尘量并汇总；
式中：EF为每年的释放因子(kg/年)；m为表征颗粒大小的无因次系数；N为每年扰动次数；ut*为颗粒阈值摩阻风速(m/s)；u*为摩阻风速(m/s)；M为摩阻风速u*大于颗粒阈值摩阻风速所对应的网格面积数；Sij是对应于第ith扰动下的第jth节点的单元面积；
步骤二：根据全年扰动次数和公式(2)估算露天散货堆场静态年起尘量Qs：
式中：N为全年扰动次数；
步骤三：通过公式(3)确定动态作业时的散货粉尘装卸系数，并计算动态年起尘量Qd；
βd＝0.04·h1.23·ν1.6·e-0.28w (3)
式中：βd为装卸作业起尘系数，(kg/t)；v为平均摩阻风速，(m/s)；h为装卸落差，(m)；w为货种含水率，(％)；
则动态年起尘量Qd由公式(4)确定：
Qd＝βd·Qt (4)
其中，Qt为年装卸矿石总量，(t)；
步骤四：根据公式(5)估算全年粉尘排放总量Q：
Q＝Qs+α·Qd (5)
式中：α为与动态作业方式相关的调节系数。
优选地，所述步骤四中的α，根据现场实际情况，提出的不同动态作用方式下α推荐取值，抓斗卸车机α＝1.0；装载机装车α＝2.0；筛分机筛分α＝3.0；自动卸车机α＝2.5；过筛作业α＝6.0；皮带机转接α＝4.0。
附图说明
图1为一种铁矿石堆场布置图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1所示，一种港口露天散货堆场粉尘释放总量的估算方法，包括露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，该方法采用中国专利文献公开了的一种用于露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法【中国专利号：ZL201110243102.2；授权公告号：CN102289550A】，包括以下步骤：
步骤一：采用露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，确定出扰动1次释放的静态风蚀粉尘量Qj；
露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，包括以下步骤：
①选取任意形状颗粒源，按照1∶1比例，建立颗粒源物理模型；设计计算域，确定计算所必需的入口及边壁条件；
②采用非均匀四面体网格对步骤①中设计的计算域实施网格划分，网格划分遵循“近壁加密”原则，即靠近颗粒源物理模型的区域采用精密网格，远处采用稀疏网格；并对网格划分方法进行敏感性验证，直至网格划分方法对计算结果的敏感性影响≤5％时，方可认定完成网格划分；
③选用稳态k-ε二方程湍流数学模型，将控制方程写成通用守恒方程，采取有限容积法将方程离散成差分方程并采用二阶迎风格式求解；
④继续采用压力-速度耦合的半隐式算法求解，将计算误差控制在δ≤10-3以内，以此得到流场计算结果；
⑤根据步骤④得到的流场计算结果，确定颗粒源上空不同铅垂高度截面处的风速均值，然后采用幂指数形式Z＝aUb对其进行曲线拟合，其中Z为距离颗粒源表面高度，U为各高度下对应的风速均值，a和b均为拟合系数，曲线横坐标为风速均值，曲线纵坐标为垂直高度，拟合的曲线在纵坐标上的截距，即为摩阻风速的作用高度，提取距离颗粒源表面等作用高度处风速值即可获得摩阻风速分布及颗粒源受风蚀影响状况；
⑥将步骤⑤获取的摩阻风速分布以颗粒阈值摩阻风速为基准，划归到若干个不同的速度范围，统计各速度范围段下所对应的子区域面积；
⑦按照公式(1)统计颗粒源各表面风蚀起尘量并汇总；
式中：EF为每年的释放因子(kg/年)；m为表征颗粒大小的无因次系数；N为每年扰动次数；ut*为颗粒阈值摩阻风速(m/s)；u*为摩阻风速(m/s)；M为摩阻风速u*大于颗粒阈值摩阻风速所对应的网格面积数；Sij是对应于第ith扰动下的第jth节点的单元面积；
步骤二：根据全年扰动次数和公式(2)估算露天散货堆场静态年起尘量Qs：
式中：N为全年扰动次数；
步骤三：通过公式(3)确定动态作业时的散货粉尘装卸系数，并计算动态年起尘量Qd；
βd＝0.04·h1.23·ν1.6·e-0.28w (3)
式中：βd为装卸作业起尘系数，(kg/t)；v为平均摩阻风速，(m/s)；h为装卸落差，(m)；w为货种含水率，(％)；
则动态年起尘量Qd由公式(4)确定：
Qd＝βd·Qt (4)
其中，Qt为年装卸矿石总量，(t)；
步骤四：根据公式(5)估算全年粉尘排放总量Q：
Q＝Qs+α·Qd (5)
式中：α为与动态作业方式相关的调节系数。
步骤四中的α，根据现场实际情况，提出的不同动态作用方式下α推荐取值，抓斗卸车机α＝1.0；装载机装车α＝2.0；筛分机筛分α＝3.0；自动卸车机α＝2.5；过筛作业α＝6.0；皮带机转接α＝4.0。
如图1所示，通过选用华北某矿石码头内的露天矿石堆场为分析实例，做了进一步分析。该矿石堆场长约1673m，宽约475m，有效堆存面积约58万m2，共布置7条堆存场地(A～G，)，由19个矿石堆垛构成。所有矿石堆垛的底面宽度均为40m，堆高为8m，安息角为38°，顶面宽度为19.6m，堆垛顶面的长度比相应底面长度短20.2m。整个堆场沿东西向布置，堆存能力500万吨，年可接卸矿石3000万吨。
由动力学风蚀污染估算方法，得到单次扰动下的静态起尘量Qj，本次计算以一个季度为一个周期，即全年扰动次数按4次计算，由当地的风速气象资料，计算全年风速扰动下的静态起尘量Qs，
其中表1-4为当地四季的风向源强计算表：
表1为春季E风向源强计算表
表2为夏季S风向源强计算表
表3为秋季W风向源强计算表
表4为冬季WNW风向源强计算表
则全年内该露天堆场静态起尘量为：
Qs＝11.330+9.363+11.226+12.434＝44.353t/a，
动态作业条件下，矿石堆场的有效堆存面积约58万平方米，年可接卸矿石3000万吨。根据动力学结果，提取得到散货堆垛表面0.5cm处的风速数据，计算装卸工序下，堆场的动态起尘量，如表5所示。
表5
则全年动态条件下的排放量Qd为
Qd＝40.747+34.231+40.569+42.818＝158.36t/α。
全年总排放量Q的确定：
Q＝Qs+α·Qd
此次计算工况以自动卸车机为准，故α＝2.5，则全年总排放量为：
Q＝44.35+2.5×158.36＝440.26t/a。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种港口露天散货堆场粉尘释放总量的估算方法，包括露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：采用露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法，确定出扰动1次释放的静态风蚀粉尘量Qj；
所述露天开放性颗粒源风蚀释放因子的动力学估算方法包括以下步骤：
①选取任意形状颗粒源，按照1∶1比例，建立颗粒源物理模型；设计计算域，确定计算所必需的入口及边壁条件；
②采用非均匀四面体网格对步骤①中设计的计算域实施网格划分，网格划分遵循“近壁加密”原则，即靠近颗粒源物理模型的区域采用精密网格，远处采用稀疏网格；并对网格划分方法进行敏感性验证，直至网格划分方法对计算结果的敏感性影响≤5％时，方可认定完成网格划分；
③选用稳态k-ε二方程湍流数学模型，将控制方程写成通用守恒方程，采取有限容积法将方程离散成差分方程并采用二阶迎风格式求解；
④继续采用压力-速度耦合的半隐式算法求解，将计算误差控制在δ≤10-3以内，以此得到流场计算结果；
⑤根据步骤④得到的流场计算结果，确定颗粒源上空不同铅垂高度截面处的风速均值，然后采用幂指数形式Z＝aUb对其进行曲线拟合，其中Z为距离颗粒源表面高度，U为各高度下对应的风速均值，a和b均为拟合系数，曲线横坐标为风速均值，曲线纵坐标为垂直高度，拟合的曲线在纵坐标上的截距，即为摩阻风速的作用高度，提取距离颗粒源表面等作用高度处风速值即可获得摩阻风速分布及颗粒源受风蚀影响状况；
⑥将步骤⑤获取的摩阻风速分布以颗粒阈值摩阻风速为基准，划归到若干个不同的速度范围，统计各速度范围段下所对应的子区域面积；
⑦按照公式(1)统计颗粒源各表面风蚀起尘量并汇总；
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式中：EF为每年的释放因子(kg/年)；m为表征颗粒大小的无因次系数；N为每年扰动次数；ut*为颗粒阈值摩阻风速(m/s)；u*为摩阻风速(m/s)；M为摩阻风速u*大于颗粒阈值摩阻风速所对应的网格面积数；Sij是对应于第ith扰动下的第jth节点的单元面积；
步骤二：根据全年扰动次数和公式(2)估算露天散货堆场静态年起尘量Qs：
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式中：N为全年扰动次数；
步骤三：通过公式(3)确定动态作业时的散货粉尘装卸系数，并计算动态年起尘量Qd；
βd＝0.04·h1.23·ν1.6·e-0.28w (3)
式中：βd为装卸作业起尘系数，(kg/t)；v为平均摩阻风速，(m/s)；h为装卸落差，(m)；w为货种含水率，(％)；
则动态年起尘量Qd由公式(4)确定：
Qd＝βd·Qt (4)
其中，Qt为年装卸矿石总量，(t)；
步骤四：根据公式(5)估算全年粉尘排放总量Q：
Q＝Qs+α·Qd (5)
式中：α为与动态作业方式相关的调节系数。
2.如权利要求1所述的一种港口露天散货堆场粉尘释放总量的估算方法，其特征在于，所述步骤四中的与动态作业方式相关的调节系数α，根据实际情况，提出的不同动态作用方式下α取值，抓斗卸车机α＝1.0；装载机装车α＝2.0；筛分机筛分α＝3.0；自动卸车机α＝2.5；过筛作业α＝6.0；皮带机转接α＝4.0。
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