港口散货堆场防风网防尘技术研究和应用.doc

暑期社会实践报告
这个暑期，我参与到了学校组织的去南京港社会调研实践的活动，我们认识到了随着港口的发展，港口散货的装卸和储存作业中产生的粉尘对环境的污染日益严重。目前港口主要除尘措施喷洒水、喷洒抑尘剂、覆盖防尘网等具有一定的抑尘效果，但仍不能很好地解决粉尘对环境的污染问题。防风网是一种多孔障碍物，在其背面可形成低风速区，从而减少粉尘运动，对于港口散货粉尘的起尘与扩散具有良好的制约作用,其防尘效果已广泛得到公认。我们参阅了很多的书籍，并整理了很多关于这方面的资料。
1 国内外防风网技术的发展概况
20多年来，日本、美国、澳大利亚、英国、新西兰等国家对防风网防尘技术进行了研究。日本从20世纪70年代起，相继在港口煤堆场使用了防风网，并制定了室外贮煤场设备的防止煤粉尘飞散方法概要。美国国家环保局于1986年对防风网的有关研究工作进行了归纳总结，提出了防风网在美国露天煤场的使用。防风网防尘在国内外成功应用的范例有日本电源开发株式会社下辖的三个最大的发电厂、台湾台中火力发电厂燃煤储运场、日本东京电厂、荷兰鹿特丹港务局等，并取得较好的防尘效果。
我国防风网防尘技术的研究起步较晚。从1986年起交通行业有关单位相继开展了防风网有关防尘技术的研究，并在天津港等煤堆场投入使用[1]。目前交通部天津水运工程科学研究院在防风网防尘技术的研究和设计处于国内领先水平。该院结合大量实际工程，采用风洞试验结合数值模拟等方法对防风网技术进行了深入和广泛的研究，并取得两项防风网的国家专利。该院已完成了神华天津煤炭码头、曹妃甸煤码头、秦皇岛煤炭码头、宁波港镇海港区、福建罗源湾港区等的防风网工程的前期研究工作和其中部分工程的设计工作[2-3]。
2 防风网防尘机理
防风网防尘机理与散货堆场起尘、粉尘漂移、扩散、沉降机理本质上有直接关系。以煤堆场为例，其主要防尘机理是防风网能控制改善煤堆场区的风流场，减小堆场区的风速、减小堆场区风流场的紊流度。强风经过防风网后，仅部分来风透过防风网，其机械能衰减并变为低速风流，与此同时，这部分风在网前的大尺度、高强度旋涡被衰减、梳理成小尺度、弱强度旋涡。防风网后这部分低速、弱紊流度风流掠过煤堆场，形成低风速梯度、低风速旋度，弱涡量和弱紊流度的堆场区流场，使煤堆场低处起尘量大幅度减少。强风只能部分透过防风网，而大部分风量被向上排开，并与主风流在防风网顶部汇集成更高速风流，这部分高速风流与紧邻下方网后的低速风流速度差很大，沿下游形成风速梯度很大，旋涡强度很高向低处发展的较长的条带区。在此条带区内高速风流和低速风流间产生强烈的动量交换和能量交换，使下部风流风速提高，很快恢复到来流风速，此即风流再附。若防风网高度不足，再附距离短，则堆场很多煤堆顶部可能落入风速梯度很大，旋涡强度很高的条带区。由于煤堆顶部煤的压实程度很低，所以此种情况煤堆顶部的起尘量反而增大，使煤堆场的总起尘量减小不理想。通过风洞模拟试验选择科学的防风网结构和防风网布局，最终使煤堆场总起尘量大幅度减小，煤尘漂移、扩散距离大幅度缩短，防护距离内的空气含尘度大大降低，煤尘落尘量大大减小。
3 防风网的种类
根据防风网的移动性能的不同，防风网可分为固定式防风网和移动式防风网。
（1）固定式防风网
防风网目前主要以固定式为主，根据目前国内外关于大规模贮煤场的煤尘飞散预测与控制研究的研究结果、国内外防风网工程现状以及风洞试验结果得出的防风网的形状与防尘效果及其防尘范围的关系，固定式防风网上部结构目前主要有三种结构形式：全网结构、网-墙结构和网-百叶窗结构。
（2）移动式防风网
交通部天津水运工程科学研究院自主研发，设计制作了可移动升降式防风网。主要使用环境为港口堆场煤炭加工（粉碎、筛分）等行业。煤炭加工时产生较大量的粉尘，污染较为严重；作业现场移动性较大；作业现场一般设在较开扩的地方，均处于堆垛与堆垛之间的区域，在该位置由于其外部风流受到堆垛的影响，易产生局部湍流区域，因而导致该区域的粉尘污染加剧。
可移动升降式防风网采用电动升降式处理，即在使用时可将防风网提高到一定的高度，而非作业时间将防风网降低，不影响作业现场的其他作业。考虑现场粉尘的特性，升降装置采用机械传动方式来实现，从而消除煤粉尘对其影响破坏。防风网采用具有一定开孔率的蝶形板作为降低风流与湍流的防风网主要元件。设喷洒水装置，喷头可旋转180度，可根据作业情况增加局部喷洒水。可移动升降式防风网可实现根据作业现场范围的大小等情况进行自动调整其高度。
4 防风网板的形状
防风板的形状有蝶型、直板形等多种形式。根据风洞试验检测，蝶型防风板在一定的开孔率下具有明显地降低风速和紊流度的作用，防尘效果好。目前蝶型防风板在国内外已得到广泛应用。
5 防风网的材质
根据使用目的、环境状态的不同，防风网使用不同的材质。目前国内外较为广泛使用的防风网材质主要有四种：镀铝锌网板、玻璃钢网板、柔性纤维网和拉伸塑料网。
考虑到海岸地区大气环境的腐蚀性，在港口堆场防风网推荐采用镀铝锌板材。镀铝锌网板由镀铝锌板材加工而成，它是一种高品质的合金镀层产品。其显著特点是具有优异的耐腐蚀性和耐湿热性，还具有耐高温腐蚀的性能。镀铝锌钢板的冷弯成形性、固定性、焊接性、着漆性等都十分优良，表面非常美观，不用涂装即可使用。考虑到造价因素，设计使用年限较短的港口堆场防风网也可采用玻璃钢网板和柔性纤维网。
7 港口散货堆场防风网的应用设计
（1）防风网平面布置
防风网平面设置主要有主导风向上风向设置型和四周设置型，也有三面设置的形式。设网方式主要考虑堆场的大小、形状和当地的风向、风频等气象条件。
防风网设在距堆垛2～3倍堆高的距离处为最佳距离。对于由多个堆垛组成的煤堆场而言，可视堆场周围情况，因地制宜地设置防风网。一般可沿堆场堆垛边上设置防风网。日本的研究表明，防风网与最近堆垛的距离可控制在1.0～1.5倍堆高之内。
在港口堆场进行防风网建设时，不仅要考虑堆场的大小、形状和当地的风向、风频因素，还要考虑堆场的现场设网条件。需对拟设网堆场进行深入的现场调查，主要包括堆场建造物、机械设备、地下管线及其道路等设施，以保证防风网的建设和营运不影响堆场的正常营运和堆场辅助建筑物的相关功能。
（2）设网高度
煤堆场防风网的高度主要取决于煤堆垛高度、煤堆场范围等因素。风洞试验表明:当防风网的高度为堆垛高度的0.6～1.1倍时，网高与抑尘效果成正比；当防风网高度为堆垛高度1.1～1.5倍时，网高与抑尘效果的变化逐渐平缓；当防风网高度为堆垛高度1.5倍以上时，网高与抑尘效果的变化不明显。因此,防风网的高度一般在堆垛高度1.1～1.5倍内选取。防风网高度的确定还应考虑煤堆场范围的大小，使煤堆场在防风网的有效庇护范围之内。风洞试验表明：对网后下风向2～5倍网高的距离内，煤堆垛减尘率可达90 %以上；对网后下风向16倍网高距离内，煤堆垛综合减尘效率达到80 %以上；在网后25倍网高的距离处有较好的减尘效果；到网后50倍网高的距离处仍有削减风速20 %的效果。
实际应用中，大规模的防风网工程高度设计应在防风网抑尘效果较好的高度范围内确定几组方案，通过风洞试验或数值模拟对比分析，最终确定最佳设计高度。
（3）防风网结构设计
在考虑防风网的结构设计时，不仅需按规范计算等效静风压，对防风网应力、位移进行静力分析，在煤堆场规模较大时,如单面长度上千米、高十几米的防风网还须进一步研究防风网的动荷载、阻力系数及振动等结构安全性问题。以秦皇岛港煤三、四、五期及矿石堆场防风网工程为例，设计时除按规范规定进行了结构计算，还通过风洞试验确定阻力系数，并通过有限元ANSYS软件对防风网进行结构分析。研究表明，该工程防风网结构自振周期远离能量较大的脉动风荷载周期，不会发生共振现象。在脉动风荷载作用下，该工程防风网结构的位移和应力均有明显的动力放大效应，与规范计算方法相比，位移的动力放大系数在1.3左右，立柱和斜支撑应力的动力放大系数分别为1.332和1.433。若在规范方法中考虑1.4的风荷载分项系数，则与动力分析方法的计算结果很接近。同时也证明了对防风网结构进行脉动风荷载作用下的动力分析是十分必要的。
在南方地区多台风，风向多变，风力较大，可能造成防风网的坍塌和损坏，因此进行防风网设计时风荷载取值不仅要考虑规范规定的基本风压，还应该结合当地的气象资料，尤其是台风的资料，适当提高设计级别以提高防风网的结构安全。
8 防风网防尘效果研究分析
采用物理模型试验方法或CFD技术对防风网进行防尘效果研究。物理模型试验的研究数据较为准确。CFD技术也具有其独特的优势：设计周期和设计费用大大减低。对于研究危险条件和超出正常行为极限条件下的系统，可以无限制地选取结果的细节。故可采用两者相互比较验证的方法进行研究。由数值模拟方法对大量方案进行初选，收缩方案范围，指导物理模型试验研究工作，最后通过物理模型试验分析比较得出最优方案。
以秦皇岛港煤三、四、五期及矿石堆场防风网研究为例，采用Fluent和Gambit软件进行数值模拟，采用4G内存的双CPU的dell工作站，部分结果为串行计算，部分结果为并行计算。物理模型试验采用几何比尺为1∶200的风洞试验。试验在中国空气动力研究与发展中心低速所8米6米风洞中进行。根据风洞试验和数值模拟计算结果看，秦皇岛港煤三、四、五期及矿石堆场防风网平面布置方案具有一定的抑尘效果，抑尘率最大的为49.4％。
9 结束语
目前，我国港口大型散货堆场防风网建设尚属起步阶段，但在洒水抑尘受控情况下是改变散货港口污染现状的各项防尘措施中最为有效的措施。应进一步加强对大型散货堆场防风网的技术研究，推动包括防风网防尘技术的发展,提高我国散货港口的环境保护水平。虽然这次的暑期社会实践的时间很短，但是我们从中学到的知识量是无止境的。我们通过这次活动，锻炼了我们探究的能力，并且我们通过团队的合作，了解很多我们还未触碰的专业知识，我相信这次社会实践会成为我们校园回忆中难忘的记忆。

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