燃煤电厂贮灰场种植防尘、生态修复技术研究.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 燃煤电厂贮灰场种植防尘、生态修复技术研究 姓名李宁 申请学位级别硕士 专业环境工程 指导教师尹连庆 20080102 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 燃煤电厂贮灰场污染问题一直是电力环境保护的一个重要研究课题。多年来人 们一直致力于对灰场污染控制技术的研究，而对灰场扬尘污染机理、灰场生态环境 恢复研究较少。本课题主要对灰场扬尘规律及其各影响因素 如灰面含水量、空气 湿度以及植被 进行了分析研究，并就灰场污染治理的常用技术进行了分析比较。 对灰场种植防尘、生态修复技术进行了研究并就李岗西灰场种植进行了应用研究。 本课题提出了灰场生态环境评价方法，并对李岗西灰场植物修复后灰场生态环境质 量进行评价。评价结果表明该灰场进行植物种植后，灰场扬尘得到了有效控制， 灰场生态环境质量得到了明显改善。研究结果为灰场污染防治及生态修复技术研究 提供依据。 关键词扬尘规律，种植修复，生态评价 A B S T R A C T T h ep o l l u t i o n ，w h i c hi sl e dt ob yt h ea s hs t o r a g eo ft h e r m a lp o w e rp l a n t ，i Ss t i l la n i m p o r t a n tr e s e a r c hS U b i e c to fe l e c t r i cp o w e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ．P e o p l eh a v es t i l l t a k e nu pw i t hr e s e a r c h i n go nt h et e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h ep o l l u t i o no ft h ea s hs t o r a g e f o ry e a r s ．b u tt h er e s e a r c ho nm e c h a n i s mo ff l ya s ha n dr e c o v e r yo fe c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t ，i si n f r e q u e n t ．T h es u b ie c ta n a l y z e sa n ds t u d i e sm a i n l yt h em e c h a n i s mo f f l ya s ha n dt h ee f f e c to fav a r i e t yo ff a c t o r so nd u s t yp o l l u t i o no ft h ea s hs t o r a g e f o r e x a m p l e ，h u m i d i t yo ft h es u r f a c e ，a i rh u m i d i t ya n dp l a n ti na s hs t o r a g ee t c ．_ ．A n di t a n a l y z e sa n dc o m p a r e sw i t ht h ec o m m o nt e c h n o l o g i e s ，i tr e s e a r c h e st h et e c h n o l o g yo f i n h i b i t i o no ff l ya s ha n dp l a n tr e n o v a t i n gi nt h ea s hs t o r a g e ，w h i c hi su s e di nL i g a n g x i a s hs t o r a g e ．T h es u b j e c tb r i n g sf o r w a r dt h em e t h o do fe n v i r o n m e n t a lq u a l i t yv a l u a t i o no f t h ea s hs t o r a g ea n di te s t i m a t e st h eq u a l i t yo fL i g a n g x ia s hs t o r a g e ’Se c o l o g i c a l e n v i r o n m e n to ft h ea s hs t o r a g eb e f o r ei t sp l a n tr e c o v e r ya n da f t e ri t sp l a n tr e c o v e r y ．T h e r e s u l t ss h o w a f t e rt h ep l a n t i n gr e s t o r a t i o n ，t h ef l ya s ho ft h ea s hs t o r a g ei sc o n t r o l l e d e f f i c a c i o u s l y , a n dt h ee n v i r o n m e n tq u a l i t yo ft h ea s hs t o r a g ei si m p r o v e do b v i o u s l y ．T h e r e s e a r c hr e s u l t sw i l lh e l pt os t u d yt h er e s e a r c ho nt h ep l a n t i n gr e s t o r a t i o na n dt h e t e c h n o l o g yo fc o n t r o l l i n gt h ep o l l u t i o no ft h ea s hs t o r a g e ． N i n gL i E n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g D i r e c t e db yP r o f ．L i a n q i n gY i n K E YW O R D S M e c h a n i s mo fF l yA s h ，P l a n tR e s t o r a t i o n ，E c o l o g yE s t i m a t e 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 燃煤电厂贮灰场污染问题一直是电力环境保护的一个重要研究课题。多年来人 们一直致力于对灰场污染控制技术的研究，而对灰场扬尘污染机理、灰场生态环境 恢复研究较少。本课题主要对灰场扬尘规律及其各影响因素 如灰面含水量、空气 湿度以及植被 进行了分析研究，并就灰场污染治理的常用技术进行了分析比较。 对灰场种植防尘、生态修复技术进行了研究并就李岗西灰场种植进行了应用研究。 本课题提出了灰场生态环境评价方法，并对李岗西灰场植物修复后灰场生态环境质 量进行评价。评价结果表明该灰场进行植物种植后，灰场扬尘得到了有效控制， 灰场生态环境质量得到了明显改善。研究结果为灰场污染防治及生态修复技术研究 提供依据。 关键词扬尘规律，种植修复，生态评价 A B S T R A C T T h ep o l l u t i o n ，w h i c hi sl e dt ob yt h ea s hs t o r a g eo ft h e r m a lp o w e rp l a n t ，i Ss t i l la n i m p o r t a n tr e s e a r c hS U b i e c to fe l e c t r i cp o w e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ．P e o p l eh a v es t i l l t a k e nu pw i t hr e s e a r c h i n go nt h et e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h ep o l l u t i o no ft h ea s hs t o r a g e f o ry e a r s ，b u tt h er e s e a r c ho nm e c h a n i s mo ff l ya s ha n dr e c o v e r yo fe c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t ，i si n f r e q u e n t ．T h es u b ie c ta n a l y z e sa n ds t u d i e sm a i n l yt h em e c h a n i s mo f f l ya s ha n dt h ee f f e c to fav a r i e t yo ff a c t o r so nd u s t yp o l l u t i o no ft h ea s hs t o r a g e f o r e x a m p l e ，h u m i d i t yo ft h es u r f a c e ，a i rh u m i d i t ya n dp l a n ti na s hs t o r a g ee t c ．_ ．A n di t a n a l y z e sa n dc o m p a r e sw i t ht h ec o m m o nt e c h n o l o g i e s ，i tr e s e a r c h e st h et e c h n o l o g yo f i n h i b i t i o no ff l ya s ha n dp l a n tr e n o v a t i n gi nt h ea s hs t o r a g e ，w h i c hi su s e di nL i g a n g x i a s hs t o r a g e ．T h es u b j e c tb r i n g sf o r w a r dt h em e t h o do fe n v i r o n m e n t a lq u a l i t yv a l u a t i o no f t h ea s hs t o r a g ea n di te s t i m a t e st h eq u a l i t yo fL i g a n g x ia s hs t o r a g e ’Se c o l o g i c a l e n v i r o n m e n to ft h ea s hs t o r a g eb e f o r ei t sp l a n tr e c o v e r ya n da f t e ri t sp l a n tr e c o v e r y ．T h e r e s u l t ss h o w a f t e rt h ep l a n t i n gr e s t o r a t i o n ，t h ef l ya s ho ft h ea s hs t o r a g ei sc o n t r o l l e d e f f i c a c i o u s l y , a n dt h ee n v i r o n m e n tq u a l i t yo ft h ea s hs t o r a g ei si m p r o v e do b v i o u s l y ．T h e r e s e a r c hr e s u l t sw i l lh e l pt os t u d yt h er e s e a r c ho nt h ep l a n t i n gr e s t o r a t i o na n dt h e t e c h n o l o g yo fc o n t r o l l i n gt h ep o l l u t i o no ft h ea s hs t o r a g e ． N i n gL i E n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g D i r e c t e db yP r o f ．L i a n q i n gY i n K E YW O R D S M e c h a n i s mo fF l y A s h ，P l a n tR e s t o r a t i o n ，E c o l o g yE s t i m a t e 声明尸明 本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文燃煤电厂贮灰场种植防尘、生 态修复技术的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即①学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅； ④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 日期 导师签名 日期 华北电力大学硕士学位论文 1 ．1 研究背景 第一章绪论弟一早硒下匕 目前我国火力发电厂全年排灰量已达到3 ．3 亿多吨，而且随着工农业发展对电 力需求的急剧增加，排灰量还在以4 0 0 0 万吨／年的速度迅猛增长。由于可持续发展 的需要，国家提倡节能减排。很多燃煤电厂的灰渣处理方式已从传统的灰场贮存为 主转变成以综合利用为主，．但是由于受地域、季节变化等影响，全年综合利用率难 以达到1 0 0 ％，灰场贮存仍为必需。此外，由于输灰方式从传统的稀浆水力输送发 展为节水、节能的浓浆水力输送或机械输送．碾压灰场，贮灰场水量大大减少，表露 面急剧增加，加之天气、气候的原因，特别是地处于北方的灰场，干燥、多风、少 雨等现象比较严重，扬尘污染日趋严重。灰场不仅污染当地的空气环境质量，对当 地的水环境、土壤及植物生长都造成影响。研究灰场有效防尘和生态恢复技术势在 必行，以实现电厂的节能减排、清洁生产和可持续发展，创建和谐社会。 1 ．2 灰场对环境和生态的影响 1 ．2 ．1 灰场对环境的影响 1 ．2 ．1 ．1 灰场扬尘污染 灰场扬尘污染是指灰场表露面在风力作用下产生扬尘。灰场扬尘污染严重，不 但污染周围空气质量、生态环境，还会危害人类健康，造成农作物减产，并对周边 地区经济与发展造成不良影响。 长期以来我国电力工业对燃煤灰渣一直采用贮灰场储存粉煤灰【1 1 ，近十年来才 逐渐发展灰渣综合利用。虽然灰渣利用率一直稳步提高，但年灰渣排放量也快速增 长。因此，每年都有大量燃煤灰渣被排放到灰场，这不仅占用了大量土地，而且在 每年的干燥季节遇上大风天气，灰场表层大量干燥细散的粉煤灰随风飞扬，产生二 次扬尘污染，形成一种大面积的开放性尘源。在我国几乎每一个火电厂都有灰场， 多数电厂的灰场都存在不同程度的扬尘污染问题，一部分电厂的灰场扬尘污染已到 了十分严重的程度。 灰场扬尘污染严重影响了当地人们的生产、生活。因此，火电厂灰场扬尘污染 治理迫在眉睫。 华北电力大学硕士学位论文 1 ．2 ．1 ．2 灰场对水环境造成的污染 灰场对水体的污染主要是指粉煤灰中重金属、有毒元素和灰水p H 值超标对灰 场及其附近地表水和地下水造成的污染【2 1 。煤中含有许多微量重金属、非金属元素 等，如A s 、H g 、C d 、C r 、P b 、B a 、F 、M n 、S e 等，这些重金属、非金属元素在燃 烧过程中部分挥发进入大气，但大部分富集到粉煤灰中。粉煤灰中这些物质的含量 一般高于煤中相应组分含量。其中部分污染物质溶于水，如果进入水体环境可造成 水体污染。研究统计表明，国内燃煤电厂灰水重金属超标现象极为个别，在某种灰 场地质条件下难以进入地下水体造成地下水污染。 在粉煤灰经水力加压用管道输送到贮灰场后，灰中有害物质随灰水向下入渗迁 移，同时灰水中有害成分也会在雨水淋溶作用下下渗，对地下水环境构成危险。特 别是在北方的一些灰场周围地区，在原始状态下，由于地势低洼，径流条件差，而 且浅层水下有一层隔水层，地下水流动受阻，引起潜水补给的沼泽，使土壤湿度增 大，进而导致地下水蒸发浓缩作用增强，地下水矿化度增加，水质变差。研究发现， 灰水对周边地下水环境的污染程度与该地区环境本底值有着密切联系。因此，在我 国北方干旱、半干旱地区建设灰场，灰场运行前对地下水本底的监测尤为重要。 目前，新建电厂灰场选址时已经注意到灰场对地下水环境污染问题，多会结合 当地地质情况在贮灰场底部作防渗处理。 粉煤灰对地表水体的污染主要是灰水中重金属、有毒元素、悬浮物和碱性物质 随灰场排水进入地表水体后对地表水体造成的污染。灰场对地表水污染主要有两种 方式一种是洪水发生时，灰中污染物质随洪水外排污染地表水；另一种是灰坝渗 透。灰水透过坝体渗入到灰场外的地表水环境中，造成地表水污染。 1 ．2 ．2 灰场对生态影响 灰场生态影响是指灰场建设运行对当地生态环境产生的一系列影响，主要是灰 场对大气、水体、土壤及植物、生物生存的影响。 灰场使周围大气温度升高，一般夏季可达2 ～4 ℃，可使空气湿度降低2 0 ％左右。 灰场扬尘使空气中悬浮颗粒含量增加，可见度降低，光照量降低。 灰场对水体的生态影响主要是灰场对周围地表水和地下水的影响。灰场建成 后，由于堆灰，改变了地形地貌，从而影响了灰场和周围地区的浅层地下水的水文 地质条件。灰场区浅层地下水由无压转为承压状态，水压升高，使得周围浅层地下 水位升高。浅层地下水在某些低凹处可渗出形成局部沼泽，使土壤湿度增大，进而 导致地下水蒸发浓缩作用增强，地下水矿化度增加，水质变差。目前，已有灰场在 2 华北电力大学硕士学位论文 灰坝附近建立防渗墙，以阻止灰水以及污染成分向灰坝外的迁移。经观察，建筑防 渗墙后，周边地区地下水位停止升高，且地下水质明显好转。 灰场扬尘沉积到土壤中的数量微小，粉煤灰化学矿物组成与土壤接近，不会对 土壤形成影响。当洪水发生时，灰水外排，可能引起局部地区短时间碱性增加。在 一定时间内，该影响可通过迁移、扩散等作用自然恢复。 ． 灰场扬尘随风飘逸1 3 1 、扩散，大量细小的灰粒将植物叶片的叶孔堵住，影响植 物的光合作用、呼吸作用和蒸腾作用，从而影响植物的正常生长，造成灰场周围农 作物产品品质下降，产量降低。此外，灰场使周围环境温度升高，空气湿度下降， 空气总体质量下降，对周边地区植物和生物的生长、生存造成了一定的影响。 灰水p H 值通常在8 以上，显碱性。因此灰场内只适合碱性植物生长。灰水中 通常含盐量较高，大量植物都会在灰场灭绝，灰场内一般生物难以生存。当洪水发 生时灰水外排，由于p H 值较高，在一定时间内会导致灰场以外地区种植的植物因 不适合碱性条件下生存而死亡。 1 ．3 国内外灰场污染治理及生态修复技术研究动态 由于灰场扬尘污染及灰场生态环境破坏日趋严重，灰场污染引起了广泛的重 视。对灰场扬尘污染治理和生态修复技术的研究也日趋增多。经过多年的研究和应 用实践，防尘治理及生态修复技术得到迅速发展和完善。近年来，国内外根据各自 的经济状况和粉煤灰利用率不同，开发了多种灰场污染治理和生态修复技术。 1 ．3 ．1 国外灰场污染治理及生态修复技术研究动态 国外一些发达国家由于灰渣利用率相当高 如德国目前的利用率已达9 5 ％以上， 现在全德国已很难再见到大面积的灰场；荷兰的利用率已达到1 0 0 ％ ，因此，灰场 总面积相对较小【4 1 。而且这些国家对灰场要求极高，灰场的运行管理水平也很高。 因此，灰场污染远不如我国严重。美国、日本等国家对这项治理技术的研究始于8 0 年代初期【5 1 ，主要采取的技术措施是在灰场表面喷洒扬尘抑制剂。按照扬尘抑制剂 的抑尘原理，可以分为两种不同类型湿润浸透型和保护膜形成型。前者是使粉煤 灰颗粒对水的亲和力增大，同时所添加的化学药剂还具有一定的吸水性能，有保湿 和减缓水分蒸发作用。所用的药剂大都为表面活性剂和水溶性聚合物。而保护膜形 成型药剂是通过在灰场表面喷洒一些特殊的化学药剂，使表层粉煤灰颗粒相互结 合，在灰场的表面形成一层水不溶性保护膜，从而达到防止粉尘飞扬的目的。8 0 年 代后期，扬尘抑制剂在美国、日本等发达国家应用得比较普遍。由于发达国家的火 电厂用于灰渣处理的费用往往较高，因此喷洒抑制剂法费用相对较低；而对我国的 3 华北电力大学硕士学位论文 大多数电厂来说则难以承受这样昂贵的费用。因此，必须开发出适合我国国情的高 效价廉的抑制扬尘的方法1 6 , 7 , 8 】。国外对灰场污染治理的研究主要集中于治理技术的 研究，对灰场生态修复的研究很少。 1 ．3 ．2 国内灰场污染治理及生态修复技术研究动态 我国早期一些开展灰场扬尘治理的电厂大多采用洒水或覆土。对运行灰场采用 洒水的办法，对库容已满的废弃灰场则采用覆土后种植植被或农作物。由于粉煤灰 的持水性能很差，水分蒸发较快，特别是在干燥季节及高温季节水分蒸发得更快， 一次洒水后不用半天表层水分已蒸干。另外，除碾压灰场外，很多非碾压灰场表层 往往十分松软并且表面起伏不平，洒水车很难开进灰场作业，只得采用人工拉皮管 洒水，不仅劳动强度大，效率也十分低【们。因此，这不是根本解决问题得方法。覆 土法是在灰场表面覆盖上一层土壤后，在覆土上种植作物。该法治理较为彻底，具 有防尘和生态修复作用。但是该法需要一定数量的土壤。 近年来，人们又开发出了纯灰种植法、表面固化法等，甚至有人提出用粉煤灰 处理废水，即“以废治废’’【1 0 J 。这些方法在经过中试和应用之后，都显现出了其各 自的优缺点。如何选择合适的治理方法是每个灰场在治理灰场污染时面对的首要问 题。在选择灰场治理方法时，经济因素也是所需考虑的关键因素之一。由于纯灰种 植与覆土法治理灰场污染效果好，经济投入适中，且这两种方法具有生态价值，符 合当前我国经济发展的要求，得到了广泛应用和认可。虽然这两种方法治理效果好， 应用广泛，但是针对它们的理论研究很少，并且它们尚有不足之处。这方面的工作 还有待完善。 1 ．4 研究内容 针对目前灰场污染状况特别是扬尘污染，本文对灰场扬尘机理、影响因素进行 研究，并对灰场种植防尘与生态修复技术，生态环境质量评价及这些理论、技术在 李岗西灰场的应用情况进行研究。具体内容如下 ①对灰场扬尘机理进行研究，并分析多方面相关因素 如灰面含水量、空气湿度， 大气湍流强度以及植被等因素 对灰场扬尘污染的影响。 ②对灰场种植防尘和生态修复技术进行研究。详细比较灰场扬尘治理的常用方 法；通过对灰场灰、水性质的调查分析，对灰场种植进行植物物种选择；制定生态 修复方案并研究灰场种植管理技术。 ③对李岗西灰场种植方式与物种选择进行应用试验研究，并对灰场生态修复效 4 华北电力大学硕士学位论文 果进行评价。根据灰场生态修复的特点选择恰当的评价方法作为灰场生态环境质量 评价方法，建立适合于李岗西灰场的生态环境质量评价模型。对该灰场植物修复前 后的生态环境质量进行评价与比较。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章灰场扬尘机理及其影晌因素分析 若要彻底解决灰场扬尘污染问题，就要了解灰场扬尘机理。灰场扬尘是干燥粉 煤灰细颗粒在一定风力作用下进入大气。灰场扬尘受到多方面因素影响，主要影响 因素有风力、风速、粉煤灰粒径、灰场表露面含湿量、空气湿度、植被等。下面对 灰粒的起动风速及灰场扬尘影响因素进行分析。 2 ．1 风速、风力对灰场扬尘的影响 粉煤灰颗粒是在一定风力条件下才开始运动的，当风力逐渐增大到足以使灰场 表面散状颗粒在气流作用下发生向量位移时，灰粒便脱离静止而进入运动状态，这 个使灰粒开始运动的风速，被称为起动风速。灰粒的起动风速是研究灰场扬尘的基 本参数。 2 ．1 ．1 灰粒起动标准的确定 在风沙物理学的研究中，沙 灰 粒的起动及起动风速研究已久，并积累了大量 成果，但到目前为止对于什么是起动仍无公认的明确界限，在实验中往往是凭各自 的主观经验确定1 1 1 】。气流脉动的无规律性、灰粒在灰场表面位置的不确定性 在一般 试验研究中很难按颗数记录，因而不可能弄清其位置’ 以及灰粒起动的颗粒粒径的非 均匀性等因素，使得灰粒起动具有很大的随机性和不确定性，表现出此风速下总有 若干灰粒在动，有若干不动，究竟动了多少才算起动，往往凭各自的经验确定，缺 乏一个起动标准的判定。 既然灰粒起动速度是一个随机变量，因此在一般条件下难以确定。所以长期以 来，一些研究者对其补充定义使其起动明确化，如K r a m e r 提出弱动、中动、普遍动 的标准1 1 2 1 ，T a y l o r 的输移强度标准【1 3 1 、Y a l i n 的起动强度标准f 1 4 1 、窦国仁起动概率标 准【1 5 】以及韩其为提出的相对输移率标准f 1 6 】【1 7 1 等。 但是T a y l o r 的输移强度标准仅仅是经验总结，缺乏理论根据，而且试验点很少， 还不足以说明用无因次输移率的具体取值来作为起动标准是恰当的。Y a l i n 提出的起 动强度标准中也没有具体提出输移率的取值大小，同时他所提出通过控制不同粒 径、比重和单位面积上的起动灰粒以达到无因次输移率相同的做法在实际中难以操 作。窦国仁提出的起动概率标准实际上与韩其为提出的相对输移率标准是可以相互 转化的，但输移率较之起动概率能给人以明确的信息，而且是可以直接测量的，所 以无因次输移率标准使用起来更为方便些。韩其为经过严密的数学推导，建立了低 6 华北电力大学硕士学位论文 强度的输移率表达式，此理论公式符合实际，不需要任何修正系数【1 8 】，同时在实践 中便于操作。故就前人提出的几种定量起动标准比较而言，本文采用韩其为提出的 无因次输移率标准作为判定灰粒起动的参考标准。 假设灰粒均为球形，排列紧密，气流仅做水平运动，粉煤灰颗粒由振动到滚动 起动的受力分析如图2 - 1 所示【1 9 】。 ■ 图2 - 1 粉煤灰颗粒起动受力分析 当风力加大到把颗粒从0 1 送到0 3 的位置时，就达到产生起动的特征速度【2 们。 刘贤万对此速度值进行了推导，详见文献1 9 。表达式为 2 - 1 式中 C O 灰粒起动特征速度，m ／s ； G 一表征流体正面推力系数，对于气流可取为0 ．7 5 [ 1 9 l ； 口发生滚动的临界角度，对于均匀灰粒可取为3 0 0 ； D - _ 灰粒粒径，m 。 根据式2 - 1 求得灰粒起动的特征速度值∞，这样就可选用该指标中由∞所对应 的无因次输移率k ，既而也就得到了输移率g c 。 q c 目九P p D ∞ 2 ．2 式中 日一单位长度上的输移率，g ／ m s ； A c 无因次输移率。 B a g n o l d 经验表达式f 2 1 】如下 7 华北电力大学硕士学位论文 式中 “D 临界摩阻速度，m ／s ； “o 一彳 肋肌分别为沙粒和空气密度，k g ／m 3 ； 阢迎≯粒粒径，m ； g 一重力加速度，9 ．8 0 7 m ／s 2 ； 彳实验常数。 2 3 由式2 ．3 可知，灰粒的起动速度与粒径之间存在一定的函数关系。而实际中的 灰粒是非均匀的，是由不同粒径范围的颗粒群组成的。为使结果具有可比性，本文 采用了按粒径分组起动的做法。将灰粒用筛分方法分成三组，每组所对应的留c 如表 2 ．1 所示。 表2 ．1 灰粒起动的判定参考标准 2 ．1 ．2 风速对灰场扬尘的影晌 文献2 2 对精矿粉、粉煤灰等起动速度进行了实验。实验测得的尘粒起动速度 见图2 ．2 8 华北电力大学硕士学位论文 精矿粉 热压铁粉 褐铁矿粉 _ ．卜粉煤灰 0 ．0 00 ．1 00 ．2 00 ．3 0 0 ．4 0 0 ．5 00 ．6 00 ．’加 尘粒粒径h a 图2 ．2 尘粒粒起动速度的实验测定 从图2 ．2 可看出粒径大于0 ．1 0 m m 的灰粒的起动风速随着粒径的增大而增大， 但粒径在0 ．0 9 m m 时，起动速度的变化发生转折，粒径再小时，起动风速反而增大。 对灰粒的起动速度与粒径之间在0 ．0 9 m m 附近变化的解释是灰场粉煤灰颗粒抵抗 风力的阻力主要是惯性力和内聚力。粒径大于0 ．0 9 m m 的灰粒抗风阻力主要以惯性 力为主；而小于0 ．0 9 m m 的灰粒则以内聚力为主。 ’ 由图2 ．2 还可以看出粒径在0 ．0 9 m m 左右的粉煤灰起动速度较低，即粒径在 0 ．0 9 m m 左右的粉煤灰相对更容易发生扬尘污染。不同的抗风蚀机制导致了起动风 速的分段变化【2 3 1 。粉煤灰平均粒径为O ．0 4 m m 左右，由图2 ．2 确定粒径为0 ．0 4 m m 粉煤灰起动风速为1 ．5 m ／s 。 风速在1 ．2 m ／s 以下时，灰场不会发生扬尘现象。风速在1 ．2 m ／s 以上时，粉煤灰 颗粒起动，灰场扬尘发生。当风速达到1 ．5 m ／s 及以上时，大部分粉煤灰颗粒在风力 作用下起动，空气中总悬浮颗粒物浓度较高，空气环境质量下降，灰场扬尘现象严 重，造成扬尘污染。 2 ．1 ．3 风力大气湍流强度对灰场扬尘的影响 灰场内的粉煤灰在风力的作用下源源不断地向大气释放粉煤灰颗粒，这些粉煤 灰颗粒在大气中的扩散会因当地气象条件的改变而发生巨大的变化。灰粒在大气中 的扩散能力即灰场扬尘污染与当地的湍流强度变化 即风力 密切相连。 2 ．1 ．3 ．1 大气湍流特征 低层大气中的大气运动形式主要表现为湍流运动。由于湍流运动使得灰粒的扩 散速率远大于自身的分子运动，在数量上前者是后者的1 0 4 倍之多【2 4 1 。因此粉煤灰 颗粒的输送与扩散，同大气边界层的湍流结构密切相关。下面就湍流强度 风力 对 9 一_≥螂幽臀删 华北电力大学硕士学位论文 灰粒扩散的影响进行分析研究。 2 ．1 ．3 ．2 湍流强度对灰场扬尘污染的影响 对风进行坐标转换，将风的纵向、横向分量分别调整到x ，Y 坐标轴上。以主导 平均风向为X 轴，与之相垂直的即为Y 轴，Z 轴则指向天空。 湍流强度 以下简称湍强 是描述湍流特征的基本参数之一，可以定量表示湍流 发展的强弱及湍流运动能量的大小。粉煤灰在大气中的扩散能力与它直接相关湍 强愈大，表明湍流运动愈强，粉煤灰在大气中的扩散能力也愈大，即扬尘现象越严 重；反之就越小。 纵向 x 向 、横向 Y 向 的湍强表达式为 ‘．笆 三．呈 ／, ／‘ “ 2 ．4 式中 ‘；与U ；一璺／／ - 毛‘_ X ，Y 方向上的湍强； U 1 2v “水平风速分量的方差，m 2 ／s 2 ； S u , S v 水平风速分量的标准差，m ／s 。 湍强随大气稳定度的变化情况见表2 ．2 。 表2 ．2 湍强随稳定度的变化 2 - 5 表2 ．2 说明以大气处于不稳定层结时的湍强为最大，中性层结时的湍强次之， 以稳定层结时的湍强为最小。这是因为在大气处于不稳定状态时，由于热力因子和 灰面的动力作用，湍流活动得到增强，湍强值较大；而大气处于稳定层结时，往往 因为逆温的形成抑制了湍流的活动，表现为大气扩散运动不够活跃，湍强值较低。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 由上述分析和灰场扬尘与湍强的关系可知大气处于不稳定层结时，灰粒在大 气中的扩散能力最强，即灰场扬尘现象最为严重；大气处于中性层结时，扬尘污染 程度次之；大气处于稳定层结时，灰粒在大气中的扩散能力最弱，即灰场扬尘污染 最轻。 2 ．2 粉煤灰性质对灰场扬尘的影响 粉煤灰本身某些性质 如粉煤灰粒径及粘聚力等 对灰场扬尘有着一定的影响， 下面将就这些粉煤灰性质对灰场扬尘的影响进行探究。 2 ．2 ．1 粉煤灰的粒径对灰场扬尘的影响 粉煤灰颗粒组成主要是粗颗粒 0 ．2 5 ～0 ．O l m m 和细颗粒 0 ．0 0 5 0 ．0 0 1 m m 的比例 【4 1 。粉煤灰的粒径组成与粉煤灰的持水性能密切相关。持水性能是指粉煤灰吸持水 分的的能力。根据卡庆斯基土壤质地分类制标准，按照颗粒组成它相当于紫砂土、 砂壤土和轻壤土，持水特性与类似质地土壤相一致。由于各电厂粉煤灰不同颗粒构 造所占比例不同，表现出持水性能也有差异。这是因为不同粉煤灰的粒径组成决 定其具有各自的渗透系数与毛细现象。保持水分除靠颗粒之间的毛细管孔隙外，还 在颗粒破碎球体的洞穴和蜂窝状孔隙内蓄水。 实验发现，一般粉煤灰雨后1 ～2 天水分便可渗出。由此可见粉煤灰持水性能 较差。因此灰面易干燥，易发生扬尘污染。 2 ．2 ．2 粉煤灰粘聚力对灰场扬尘的影响 粉煤灰不但持水性差，而且其粘聚力也较小。由于粉煤灰比土壤粘聚力小 3 0 ～5 0 ％ 均指在相应的最佳含水量 时，饱水后，粉煤灰的粘聚力降低2 0 一4 0 ％。因 此，在风力作用下，粉煤灰较土壤更易起尘，所以灰场扬尘问题也更为突出。 2 ．3 灰场表露面含水量对灰场扬尘问题的影响 灰场表露面含水量与灰场扬尘污染有着密切联系。华北电力大学针对二者之间 的关系进行了实验研究。 实验测试并对比了粉煤灰在不同风速、灰面湿度、堆积密度下的起灰量。实验 结果见表2 ．3 。 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 3 不同风速起灰量试验 ． 起灰量 g ／m 2 h 风速 灰样湿度1 0 ％灰样湿度1 0 ％灰样湿度2 0 ％ 堆积密度下碾压密度下碾压密度下 起动风速1 9 ．9 31 1 ．2 51 0 ．2 5 3 m ／s 5 7 ．8 91 6 ．1 81 5 ．3 8 6 m ／s1 3 0 ．2 62 3 - 3 62 3 ．0 6 由表2 ．3 可知起灰量即扬尘污染程度，与风速、灰面湿度、密实程度具有密 切关系。在风速和紧密程度相同的情况下，灰面湿度越大，起灰量越小。 文献2 5 在研究降雨与起沙的关系时，也得到类似结论。该文献利用风洞研究 了土壤含水量与起尘量之间的关系，发现土壤表层水分的增加可减弱直至抑制起沙 过程。因此，灰场表露面含水量是抑制灰场重要因素。文献2 6 、2 7 指出当粉煤 灰颗粒含湿量高于4 ％时，可以保证扬尘浓度达到5 m g ／m 3 的大气环保标准大气污 染物综合排放标准 G B l 6 2 9 7 ．1 9 9 6 。因此，灰面状况决定着扬尘过程中的起灰量， 在研究灰场扬尘污染问题时，系统地考虑灰面状况是十分必要的。 2 ．4 空气湿度对灰场扬尘的影响 空气湿度是影响灰场扬尘污染的一个重要因素。空气湿度增大，空气中大粒悬 浮颗粒比重增大，沉降速度增大，风引起的扬尘污染减轻，于是扬尘污染程度较小。 文献2 8 对大气总悬浮颗粒物浓度 T S P 测定中空气湿度对其影响的规律进行了分 析，并得到修正系数。经过试验得出2 0 0 2 年不同月份、．不同湿度范围的总悬浮颗 粒物修正值见表2 ．4 。 根据G r u b b s 检验法去除异常值，去