靜電除塵系統(tǒng)在公路隧道工程中的運(yùn)用

引言

隧道通常為半封閉結(jié)構(gòu),通風(fēng)條件差,隧道內(nèi)污染源主要有柴油發(fā)動機(jī)的煙塵排放、汽車行駛產(chǎn)生的廢氣、汽車制動摩擦、輪胎與地面摩擦產(chǎn)生的粉塵以及隧道內(nèi)其他設(shè)備內(nèi)部的摩擦,其中柴油發(fā)動機(jī)的煙塵排放和汽車制動摩擦、輪胎與地面摩擦產(chǎn)生的粉塵對隧道影響最大。因此,隨著柴油車的增多,煙塵日益成為隧道內(nèi)的主要污染源,煙塵可能成為隧道污染的控制指標(biāo)。

煙塵等污染物若沒有及時排出隧道或予以處理,那么在隧道內(nèi)將會不斷累積,從而嚴(yán)重危害司乘人員身體健康和駕駛安全。我國目前的公路隧道中,通常采用高空風(fēng)塔或地面風(fēng)塔群進(jìn)行稀釋排放來凈化空氣污染物的方案。雖然高空排放這一方法可以明顯改善隧道內(nèi)的空氣污染情況,但這只是物理稀釋,而不是凈化治理,利用擴(kuò)散等方法將污染物分布在隧道外圍的大氣環(huán)境中,將對周邊居民的健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成持續(xù)性危害。如果要消除隧道空氣中的煙塵,靜電除塵(Electrostatic Precipitator,ESP)系統(tǒng)是最為安全、有效的技術(shù),有試驗證明,靜電除塵系統(tǒng)在隧道安置后除塵率達(dá)90%以上,Co氧化脫除率達(dá)到了70%。目前,在歐洲和日本,靜電除塵系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于公路隧道的空氣凈化,然而,我國目前在這一塊相對缺乏經(jīng)驗。

1靜電除塵系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)形式

1.1靜電除塵系統(tǒng)工作原理

靜電除塵指的是一種利用靜電場產(chǎn)生的靜電力將粉塵等顆粒物從氣流中分離出來,從而達(dá)到凈化空氣的目的的技術(shù),現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、火力發(fā)電和化學(xué)等相關(guān)工業(yè)部門的煙氣等廢氣除塵。靜電除塵器的原理是利用高壓電場使空氣發(fā)生電離,氣流中的粉塵荷電,在電場作用下與氣流分離。高壓電場會產(chǎn)生電暈區(qū)和電暈外區(qū),電暈區(qū)就是把帶有負(fù)電的放電極周圍的空氣電離后形成的一個電離區(qū),一般局限于放電極周圍直徑約幾毫米處:電暈外區(qū)就是電暈區(qū)以外的空間?？諝庠陔姇瀰^(qū)內(nèi)經(jīng)過電離后,電離出來的正離子快速向負(fù)極(放電極）移動,而負(fù)數(shù)離子(電子）則進(jìn)入電暈外區(qū),往帶正電的陽極板方向移行。含塵空氣在通過靜電除塵器的時候,由于電暈區(qū)的范圍比較小,僅有極少數(shù)粉塵是在通過電暈區(qū)的時候獲得正電荷后沉積于放電極上,而其余大部分的粉塵是在電暈外區(qū)獲得負(fù)電荷后沉積在陽極板上,所以陽極板又叫"集塵板"。

1.2靜電除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

首先,為了提升EsP的處理效率,在EsP除塵之前會增設(shè)一個過濾網(wǎng)一樣的機(jī)械初級過濾器,截留直徑較大的顆粒,以減少EsP的壓力損失。機(jī)械初級過濾器(預(yù)離子發(fā)生器）是由不銹鋼材質(zhì)的模塊陣列而成,安裝在靜電除塵器前方大約1.5m處,它的作用原理是慣性攔截,即粉塵和空氣經(jīng)過混合進(jìn)入慣性過濾器后,利用葉片來改變方向,從而使空氣大部分脫離粉塵本身,大顆粒粉塵利用其較大的質(zhì)量和慣性的作用可以直接去除,這樣可以直接去除灰塵中約10%的顆粒。采用預(yù)離子發(fā)生器的優(yōu)點是避免了大顆粒過度覆蓋小顆粒,明顯提高了顆粒物穿梭于預(yù)離子發(fā)生器和靜電除塵器的荷載率,這樣可以為后面的靜電除塵做準(zhǔn)備。

其次,根據(jù)隧道小型化、大風(fēng)量的現(xiàn)況要求,隧道大多采用兩段式的EsP。兩段式的電除塵分為帶電部和集塵部,除塵的基本原理如圖1所示。

圖1兩段式電除塵的工作原理

當(dāng)沉積在集塵板上的煙塵過多時,可能會影響煙塵的進(jìn)一步沉積,同時可能導(dǎo)致沉積的煙塵被氣流吹離集塵板返回氣流中,從而降低除塵效率。

綜上所述,將靜電除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理概括為如下4點:

（1)初級過濾,用過濾網(wǎng)除去煙塵氣流中較大的顆粒物:

（2)荷電,帶負(fù)電的放電極周圍空氣被電離形成電暈區(qū),釋放出來的電子和經(jīng)過的氣流中的顆粒物結(jié)合后變?yōu)閹щ婎w粒物:

（3)收塵,帶負(fù)電的顆粒物在通過收塵區(qū)時在電場的作用下向集塵板移動:

（4)清灰,當(dāng)集塵板的顆粒物達(dá)到一定程度后清洗裝置會自動定期清洗。

2靜電除塵站布置方式

目前,總結(jié)國內(nèi)外的隧道空氣凈化工程項目,主要布置方式有吊頂式、旁通式和豎井式。

2.1吊頂式布置方式

吊頂式布置方式,顧名思義,就是把靜電除塵設(shè)備安裝在隧道的頂部,在隧道頂部開設(shè)有吸風(fēng)口和出風(fēng)口。通風(fēng)系統(tǒng)在吸風(fēng)口強(qiáng)行把污染的空氣抽到靜電除塵設(shè)備內(nèi),在出風(fēng)口把除塵凈化后的空氣再回灌到隧道內(nèi),如圖2所示。

圖2吊頂式靜電除塵站

吊頂式空氣凈化站的特點主要有以下3點:

（1)相比其他方式,氣流更加順暢:

（2)能夠充分利用活塞風(fēng),明顯提高效率:

（3)主要適用于明挖的隧道,不僅節(jié)省了設(shè)備占地,而且施工費(fèi)用低。

吊頂式布置方式有效解決了在隧道上端安裝大風(fēng)量隧道空氣凈化裝置的空間利用問題,可以充分利用隧道上方不規(guī)則（例如半圓柱面等形狀)的空間,在安置處理風(fēng)量足夠大的凈化設(shè)備的同時降低設(shè)備阻力:在原有的隧道低壓力、大風(fēng)量的射流風(fēng)機(jī)作用下,明顯提高了空氣凈化率。

將來進(jìn)行隧道電除塵空氣凈化改造的時候,吊頂式將是唯一切實可行的技術(shù)方案,但整個系統(tǒng)的細(xì)節(jié)設(shè)計還需要結(jié)合實際情況進(jìn)行調(diào)整。

2.2旁通式布置方式

通常旁通式布置方式是將靜電除塵設(shè)備設(shè)置在與隧道平行的側(cè)面,在隧道的側(cè)壁上開設(shè)有吸風(fēng)口和出風(fēng)口。通風(fēng)系統(tǒng)在吸風(fēng)口強(qiáng)行把污染的空氣抽到靜電除塵設(shè)備內(nèi),在出風(fēng)口把除塵凈化后的空氣再回灌到隧道內(nèi),如圖3所示。

圖3旁通式靜電除塵站

旁通式靜電除塵站的特點主要是:

（1)此裝置與隧道在同一層位置,安裝方便:

（2)把經(jīng)過凈化后的空氣回灌到隧道內(nèi),從而減少了新風(fēng)量,稀釋了隧道內(nèi)受污染的空氣:

（3)維護(hù)保養(yǎng)方便,且不影響隧道內(nèi)行車。

2.3豎井式布置方式

利用旁通式或吊頂式靜電除塵站強(qiáng)行抽取隧道內(nèi)污染的空氣,經(jīng)過除塵凈化處理后再把凈化后的空氣通過豎井直接排到大氣,如圖4所示。

圖4豎井式靜電除塵站

它的主要原理是:公路隧道內(nèi)被粉塵和煙塵污染的空氣被風(fēng)機(jī)吸入靜電除塵器,除塵器處理后,排出凈化后的空氣到大氣中。在空氣通道的拐角處安裝導(dǎo)流板,清潔的空氣可以順暢地流進(jìn)通道并通過消音器,最后從通風(fēng)塔排出。

3結(jié)語

目前,隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展,公路隧道特別是特長隧道在我國整個公路體系中所占比例日漸加大。靜電除塵系統(tǒng)運(yùn)用在公路隧道通風(fēng)中能有效改善隧道內(nèi)部駕駛員的視野和空氣質(zhì)量,減小隧道對外部空氣環(huán)境的污染。楊洪海等做的試驗研究也證實了應(yīng)用靜電除塵器能明顯降低公路隧道中空氣的顆粒物濃度,改善空氣的質(zhì)量,凈化效果顯著。

我國目前雖然還沒有將公路隧道污染物納入固定源污染物進(jìn)行控制,但隨著國家對環(huán)境保護(hù)越來越重視,公路隧道的空氣污染控制也必將受到重視。根據(jù)日本隧道對于靜電除塵的使用,這項技術(shù)對于環(huán)境和社會都是可以產(chǎn)生較大效益的,具有廣闊的市場前景。同時,已建成的廈門翔安隧道五通排風(fēng)豎井廢氣經(jīng)靜電除塵系統(tǒng)收集處理后,其濃度明顯低于廈門市大氣污染物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的顆粒物允許的最高排放濃度。廈門翔安隧道成功應(yīng)用靜電除塵技術(shù),實現(xiàn)了工程建設(shè)與周邊發(fā)展相適應(yīng),很好地保護(hù)了周圍環(huán)境,同時最大程度地實現(xiàn)了工程效益,也為國內(nèi)其他公路隧道空氣污染物的減排提供了新的思路和參考經(jīng)驗。

但靜電除塵系統(tǒng)目前在我國隧道中的應(yīng)用案例還比較少,且缺乏有針對性的設(shè)計規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此,可以借鑒國外現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并參考靜電除塵系統(tǒng)在其他行業(yè)使用的設(shè)計和應(yīng)用規(guī)范,從而建立適用于我國隧道的靜電除塵系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。將來,還可以通過完善和優(yōu)化設(shè)計,減少通風(fēng)量來降低豎井等裝置的建設(shè)費(fèi)用和通風(fēng)能耗,進(jìn)一步提高除塵效率,節(jié)約運(yùn)行能耗,提高經(jīng)濟(jì)效益。