静电除尘系统在公路隧道工程中的运用

引言

隧道通常为半封闭结构,通风条件差,隧道内污染源主要有柴油发动机的烟尘排放、汽车行驶产生的废气、汽车制动摩擦、轮胎与地面摩擦产生的粉尘以及隧道内其他设备内部的摩擦,其中柴油发动机的烟尘排放和汽车制动摩擦、轮胎与地面摩擦产生的粉尘对隧道影响最大。因此,随着柴油车的增多,烟尘日益成为隧道内的主要污染源,烟尘可能成为隧道污染的控制指标。

烟尘等污染物若没有及时排出隧道或予以处理,那么在隧道内将会不断累积,从而严重危害司乘人员身体健康和驾驶安全。我国目前的公路隧道中,通常采用高空风塔或地面风塔群进行稀释排放来净化空气污染物的方案。虽然高空排放这一方法可以明显改善隧道内的空气污染情况,但这只是物理稀释,而不是净化治理,利用扩散等方法将污染物分布在隧道外围的大气环境中,将对周边居民的健康和生态环境构成持续性危害。如果要消除隧道空气中的烟尘,静电除尘(Electrostatic Precipitator,ESP)系统是最为安全、有效的技术,有试验证明,静电除尘系统在隧道安置后除尘率达90%以上,Co氧化脱除率达到了70%。目前,在欧洲和日本,静电除尘系统已经成功应用于公路隧道的空气净化,然而,我国目前在这一块相对缺乏经验。

1静电除尘系统原理和结构形式

1.1静电除尘系统工作原理

静电除尘指的是一种利用静电场产生的静电力将粉尘等颗粒物从气流中分离出来,从而达到净化空气的目的的技术,现在广泛应用于冶金、水泥、火力发电和化学等相关工业部门的烟气等废气除尘。静电除尘器的原理是利用高压电场使空气发生电离,气流中的粉尘荷电,在电场作用下与气流分离。高压电场会产生电晕区和电晕外区,电晕区就是把带有负电的放电极周围的空气电离后形成的一个电离区,一般局限于放电极周围直径约几毫米处:电晕外区就是电晕区以外的空间。空气在电晕区内经过电离后,电离出来的正离子快速向负极(放电极）移动,而负数离子(电子）则进入电晕外区,往带正电的阳极板方向移行。含尘空气在通过静电除尘器的时候,由于电晕区的范围比较小,仅有极少数粉尘是在通过电晕区的时候获得正电荷后沉积于放电极上,而其余大部分的粉尘是在电晕外区获得负电荷后沉积在阳极板上,所以阳极板又叫"集尘板"。

1.2静电除尘系统结构形式

首先,为了提升EsP的处理效率,在EsP除尘之前会增设一个过滤网一样的机械初级过滤器,截留直径较大的颗粒,以减少EsP的压力损失。机械初级过滤器(预离子发生器）是由不锈钢材质的模块阵列而成,安装在静电除尘器前方大约1.5m处,它的作用原理是惯性拦截,即粉尘和空气经过混合进入惯性过滤器后,利用叶片来改变方向,从而使空气大部分脱离粉尘本身,大颗粒粉尘利用其较大的质量和惯性的作用可以直接去除,这样可以直接去除灰尘中约10%的颗粒。采用预离子发生器的优点是避免了大颗粒过度覆盖小颗粒,明显提高了颗粒物穿梭于预离子发生器和静电除尘器的荷载率,这样可以为后面的静电除尘做准备。

其次,根据隧道小型化、大风量的现况要求,隧道大多采用两段式的EsP。两段式的电除尘分为带电部和集尘部,除尘的基本原理如图1所示。

图1两段式电除尘的工作原理

当沉积在集尘板上的烟尘过多时,可能会影响烟尘的进一步沉积,同时可能导致沉积的烟尘被气流吹离集尘板返回气流中,从而降低除尘效率。

综上所述,将静电除尘系统结构原理概括为如下4点:

（1)初级过滤,用过滤网除去烟尘气流中较大的颗粒物:

（2)荷电,带负电的放电极周围空气被电离形成电晕区,释放出来的电子和经过的气流中的颗粒物结合后变为带电颗粒物:

（3)收尘,带负电的颗粒物在通过收尘区时在电场的作用下向集尘板移动:

（4)清灰,当集尘板的颗粒物达到一定程度后清洗装置会自动定期清洗。

2静电除尘站布置方式

目前,总结国内外的隧道空气净化工程项目,主要布置方式有吊顶式、旁通式和竖井式。

2.1吊顶式布置方式

吊顶式布置方式,顾名思义,就是把静电除尘设备安装在隧道的顶部,在隧道顶部开设有吸风口和出风口。通风系统在吸风口强行把污染的空气抽到静电除尘设备内,在出风口把除尘净化后的空气再回灌到隧道内,如图2所示。

图2吊顶式静电除尘站

吊顶式空气净化站的特点主要有以下3点:

（1)相比其他方式,气流更加顺畅:

（2)能够充分利用活塞风,明显提高效率:

（3)主要适用于明挖的隧道,不仅节省了设备占地,而且施工费用低。

吊顶式布置方式有效解决了在隧道上端安装大风量隧道空气净化装置的空间利用问题,可以充分利用隧道上方不规则（例如半圆柱面等形状)的空间,在安置处理风量足够大的净化设备的同时降低设备阻力:在原有的隧道低压力、大风量的射流风机作用下,明显提高了空气净化率。

将来进行隧道电除尘空气净化改造的时候,吊顶式将是唯一切实可行的技术方案,但整个系统的细节设计还需要结合实际情况进行调整。

2.2旁通式布置方式

通常旁通式布置方式是将静电除尘设备设置在与隧道平行的侧面,在隧道的侧壁上开设有吸风口和出风口。通风系统在吸风口强行把污染的空气抽到静电除尘设备内,在出风口把除尘净化后的空气再回灌到隧道内,如图3所示。

图3旁通式静电除尘站

旁通式静电除尘站的特点主要是:

（1)此装置与隧道在同一层位置,安装方便:

（2)把经过净化后的空气回灌到隧道内,从而减少了新风量,稀释了隧道内受污染的空气:

（3)维护保养方便,且不影响隧道内行车。

2.3竖井式布置方式

利用旁通式或吊顶式静电除尘站强行抽取隧道内污染的空气,经过除尘净化处理后再把净化后的空气通过竖井直接排到大气,如图4所示。

图4竖井式静电除尘站

它的主要原理是:公路隧道内被粉尘和烟尘污染的空气被风机吸入静电除尘器,除尘器处理后,排出净化后的空气到大气中。在空气通道的拐角处安装导流板,清洁的空气可以顺畅地流进通道并通过消音器,最后从通风塔排出。

3结语

目前,随着我国交通事业的发展,公路隧道特别是特长隧道在我国整个公路体系中所占比例日渐加大。静电除尘系统运用在公路隧道通风中能有效改善隧道内部驾驶员的视野和空气质量,减小隧道对外部空气环境的污染。杨洪海等做的试验研究也证实了应用静电除尘器能明显降低公路隧道中空气的颗粒物浓度,改善空气的质量,净化效果显著。

我国目前虽然还没有将公路隧道污染物纳入固定源污染物进行控制,但随着国家对环境保护越来越重视,公路隧道的空气污染控制也必将受到重视。根据日本隧道对于静电除尘的使用,这项技术对于环境和社会都是可以产生较大效益的,具有广阔的市场前景。同时,已建成的厦门翔安隧道五通排风竖井废气经静电除尘系统收集处理后,其浓度明显低于厦门市大气污染物排放控制标准》中规定的颗粒物允许的最高排放浓度。厦门翔安隧道成功应用静电除尘技术,实现了工程建设与周边发展相适应,很好地保护了周围环境,同时最大程度地实现了工程效益,也为国内其他公路隧道空气污染物的减排提供了新的思路和参考经验。

但静电除尘系统目前在我国隧道中的应用案例还比较少,且缺乏有针对性的设计规范和行业标准。因此,可以借鉴国外现有的相关标准,并参考静电除尘系统在其他行业使用的设计和应用规范,从而建立适用于我国隧道的静电除尘系统设计规范和行业标准。将来,还可以通过完善和优化设计,减少通风量来降低竖井等装置的建设费用和通风能耗,进一步提高除尘效率,节约运行能耗,提高经济效益。