引言

隧道通常為半封閉結構,通風條件差,隧道內(nèi)污染源主要有柴油發(fā)動機的煙塵排放、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)其他設備內(nèi)部的摩擦,其中柴油發(fā)動機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。

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,通常采用高空風塔或地面風塔群進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,有試驗證明,靜電除塵系統(tǒng)在隧道安置后除塵率達90%以上,Co氧化脫除率達到了70%。目前,在歐洲和日本,靜電除塵系統(tǒng)已經(jīng)成功應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)原理和結構形式

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,從而達到凈化空氣的目的的技術,現(xiàn)在廣泛應用于冶金、水泥、火力發(fā)電和化學等相關工業(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。空氣在電暈區(qū)內(nèi)經(jīng)過電離后,電離出來的正離子快速向負極(放電極）移動,而負數(shù)離子(電子）則進入電暈外區(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)結構形式

首先,為了提升EsP的處理效率,在EsP除塵之前會增設一個過濾網(wǎng)一樣的機械初級過濾器,截留直徑較大的顆粒,以減少EsP的壓力損失。機械初級過濾器(預離子發(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備。

其次,根據(jù)隧道小型化、大風量的現(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

當沉積在集塵板上的煙塵過多時,可能會影響煙塵的進一步沉積,同時可能導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)結構原理概括為如下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合后變?yōu)閹щ婎w粒物:

（3)收塵,帶負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,當集塵板的顆粒物達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,就是把靜電除塵設備安裝在隧道的頂部,在隧道頂部開設有吸風口和出風口。通風系統(tǒng)在吸風口強行把污染的空氣抽到靜電除塵設備內(nèi),在出風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,明顯提高效率:

（3)主要適用于明挖的隧道,不僅節(jié)省了設備占地,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,在安置處理風量足夠大的凈化設備的同時降低設備阻力:在原有的隧道低壓力、大風量的射流風機作用下,明顯提高了空氣凈化率。

將來進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方案,但整個系統(tǒng)的細節(jié)設計還需要結合實際情況進行調(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備設置在與隧道平行的側(cè)面,在隧道的側(cè)壁上開設有吸風口和出風口。通風系統(tǒng)在吸風口強行把污染的空氣抽到靜電除塵設備內(nèi),在出風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),從而減少了新風量,稀釋了隧道內(nèi)受污染的空氣:

（3)維護保養(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機吸入靜電除塵器,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流板,清潔的空氣可以順暢地流進通道并通過消音器,最后從通風塔排出。

3結語

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)運用在公路隧道通風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行控制,但隨著國家對環(huán)境保護越來越重視,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準》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用靜電除塵技術,實現(xiàn)了工程建設與周邊發(fā)展相適應,很好地保護了周圍環(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用案例還比較少,且缺乏有針對性的設計規(guī)范和行業(yè)標準。因此,可以借鑒國外現(xiàn)有的相關標準,并參考靜電除塵系統(tǒng)在其他行業(yè)使用的設計和應用規(guī)范,從而建立適用于我國隧道的靜電除塵系統(tǒng)設計規(guī)范和行業(yè)標準。將來,還可以通過完善和優(yōu)化設計,減少通風量來降低豎井等裝置的建設費用和通風能耗,進一步提高除塵效率,節(jié)約運行能耗,提高經(jīng)濟效益。