靜電除塵系統在公路隧道工程中的運用

梁富琴

摘要：半封閉的隧道內，車輛行駛產生的尾氣及粉塵顆粒不僅影響車內人員的身體健康，而且影響隧道內的行車安全，同時也會對周邊居民的健康和生態環境構成持續性的危害。隨著國家對環境保護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受到重視，煙塵可能成為隧道污染的控制指標。鑒于此，介紹了靜電除塵系統工作原理和結構形式，以及公路隧道采用靜電除塵站的布置方式及特點。靜電除塵系統能夠有效控制煙塵，減少通風量，降低建設費用，具有明顯的經濟效益和社會效益，因而具有廣闊的市場前景。

關鍵詞：隧道通風;空氣污染物;靜電除塵

0 引言

隧道通常為半封閉結構，通風條件差，隧道內污染源主要有柴油發動機的煙塵排放、汽車行駛產生的廢氣、汽車制動摩擦、輪胎與地面摩擦產生的粉塵以及隧道內其他設備內部的摩擦，其中柴油發動機的煙塵排放和汽車制動摩擦、輪胎與地面摩擦產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的主要污染源，煙塵可能成為隧道污染的控制指標[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[2]。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[3-4]。雖然高空排放這一方法可以明顯改善隧道內的空氣污染情況，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境中，將對周邊居民的健康和生態環境構成持續性危害。如果要消除隧道空氣中的煙塵，靜電除塵（Electrostatic Precipitator，ESP）系統是最為安全、有效的技術，有試驗證明，靜電除塵系統在隧道安置后除塵率達90%以上，CO氧化脫除率達到了70%[5]。目前，在歐洲和日本，靜電除塵系統已經成功應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驗。

1 靜電除塵系統原理和結構形式

1.1? ? 靜電除塵系統工作原理

靜電除塵指的是一種利用靜電場產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，現在廣泛應用于冶金、水泥、火力發電和化學等相關工業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。高壓電場會產生電暈區和電暈外區，電暈區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，一般局限于放電極周圍直徑約幾毫米處;電暈外區就是電暈區以外的空間。空氣在電暈區內經過電離后，電離出來的正離子快速向負極（放電極）移動，而負離子（電子）則進入電暈外區，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，由于電暈區的范圍比較小，僅有極少數粉塵是在通過電暈區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獲得負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（預離子發生器）是由不銹鋼材質的模塊陣列而成，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。采用預離子發生器的優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，根據隧道小型化、大風量的現況要求，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，將靜電除塵系統結構原理概括為如下4點：

（1）初級過濾，用過濾網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，釋放出來的電子和經過的氣流中的顆粒物結合后變為帶電顆粒物;

（3）收塵，帶負電的顆粒物在通過收塵區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。通風系統在吸風口強行把污染的空氣抽到靜電除塵設備內，在出風口把除塵凈化后的空氣再回灌到隧道內，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，明顯提高效率;

（3）主要適用于明挖的隧道，不僅節省了設備占地，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，但整個系統的細節設計還需要結合實際情況進行調整。