靜電除塵系統(tǒng)在公路隧道工程中的運用

梁富琴

摘要：半封閉的隧道內(nèi)，車輛行駛產(chǎn)生的尾氣及粉塵顆粒不僅影響車內(nèi)人員的身體健康，而且影響隧道內(nèi)的行車安全，同時也會對周邊居民的健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成持續(xù)性的危害。隨著國家對環(huán)境保護(hù)重視程度的日益提升，公路隧道的空氣污染控制也必將愈發(fā)受到重視，煙塵可能成為隧道污染的控制指標(biāo)。鑒于此，介紹了靜電除塵系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)形式，以及公路隧道采用靜電除塵站的布置方式及特點。靜電除塵系統(tǒng)能夠有效控制煙塵，減少通風(fēng)量，降低建設(shè)費用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，因而具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：隧道通風(fēng);空氣污染物;靜電除塵

0 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)[1]。

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[2]。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[3-4]。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%[5]。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[6]，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)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”[7]。

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1.5 m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。

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。

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。