靜電除塵空氣凈化系統在公路隧道工程中的試驗研究

王晨，張君

（上海隧道工程有限公司，上海 200062）

1 引言

公路隧道一般是半封閉結構，通風條件并不好，車輛在隧道內行駛過程中產生的污染物如CO、氮氧化物等較難排至外界。隧道內的污染物若不能及時排出或者處理，對司乘人員及附近居民的身體健康都會造成危害。為了緩解隧道內的污染問題，國內外學者提出了很多處理方案。目前，我國對于公路隧道內的空氣凈化的方案一般選擇利用高空風塔或地面風塔群來進行稀釋排放，但這種方案并不是凈化治理，只是物理稀釋，對隧道附近居民的健康依然有威脅。靜電除塵是通過靜電場產生的靜電力從氣流中分離塵粒的技術，其應用較為廣泛。在靜電除塵器的吸塵站內，相關的配套設備有壓縮空氣的風機、袋式過濾器、吸式風扇、集塵器及相關的測試設備等。靜電除塵系統可以有效改善公路隧道中的空氣質量，同時能夠提高隧道中的能見度，一定程度上避免交通事故的發生。20世紀90年代后，靜電除塵器在大煙氣量、火力發電及復雜的煙塵污染中得到了廣泛的應用。同時，相關試驗研究表明，在隧道內安裝靜電除塵系統后，隧道內的除塵率可以達到90%以上，CO氧化脫除率可以達到70%。在歐洲（挪威、奧地利、德國等）及日本，靜電除塵系統已經成功應用于公路隧道的空氣凈化，而目前我國在這方面相對缺乏經驗。

本文設計了靜電除塵空氣凈化系統，主要包括射流風機、靜電除塵單元、高壓電源發生器、控制單元、清洗系統等，將其用于上海北橫公路隧道中，通過儀器測試研究靜電除塵器的凈化效果，為后期靜電除塵系統在國內的公路隧道中的應用提供一定的理論基礎和實際指導。

2 試驗測試

2.1 工程概況

上海北橫通道全長約19.1km，其中隧道長度約10.2km，包括7.75km盾構段，雙層式雙向6車道，2.45km明挖段以及4座下立交，它是目前國內最長的盾構法雙層隧道，投入運營后的車流量較大。在該隧道內采用空氣凈化系統，降低隧道內污染空氣向隧道外排放的污染濃度，降低隧道運營對周圍居民或商業區的影響，是打造“綠色環保隧道”和“高品質的隧道行車環境”的一部分。

2.2 測試儀器

如圖1所示，本文所采用的空氣凈化系統裝置主要包括射流風機、靜電除塵單元、高壓電源發生器、控制單元、清洗系統等。其中靜電除塵單元“MEP-1000”為蜂窩形結構，安裝在射流風機進風口之前，隧道內污染空氣經過MEP-1000時，其中的顆粒物在電場力的作用下定向運動，被吸附在集塵部，去除污染空氣中的PM10、PM2.5等懸浮顆粒污染物。

圖1

本次測試過程中用到的測試儀器及其規格如表1所示，在北京廣渠路隧道項目測試中也使用本套測試儀器。測試的流程為：在進風口位置設置4套測試顆粒物濃度溫濕度傳感器和4套NO2濃度傳感器，出風口4套測試顆粒物濃度溫濕度傳感器和4套NO2濃度傳感器，通過對比進出風口數據，得出空氣凈化效率。

表1 測試儀器

3 試驗結果

本次測試時長為兩周，通過測試得到不同時段PM1、PM2.5以及PM10三種污染物濃度的平均值，同時分析對比凈化前后空氣質量及凈化效率，研究ESP系統的凈化效果，為后期靜電除塵系統在國內的公路隧道中的應用提供一定的理論基礎。

3.1 早高峰時段（7:00～9:00）PM1、PM2.5、PM10平均濃度分布情況

圖2、圖3為早高峰時段，即7:00～9:00時段內PM1、PM2.5、PM10三種污染物凈化前后平均濃度分布對比圖。從圖1可以發現，在凈化前，三種污染物的濃度值都較高，且隨著時間的推移，隧道內污染物的含量逐漸增多，平均濃度逐漸增大，在8:20～8:30時間段內三種污染物的平均值都達到了最大，PM1的平均值達到了約42mg/m3，PM2.5的平均值達到了約60mg/m3，PM10的平均值甚至達到約72mg/m3。這是因為在這段時間是上班的主要時段，隧道內行駛的車輛較多，使得隧道內污染物迅速增多。從圖3可以看到，在凈化后，三種污染物的濃度值有了明顯降低，在8:00之前三種污染物的平均值基本處于10mg/m3以下，與凈化前一樣，因為上班高峰期，所以8:20～8:30時間段內三種污染物的平均值依舊是最大，但是凈化后該時間段內的三種污染物的平均值已經大幅降低，最大的PM10的平均值也只有約15mg/m3。

圖2 凈化前早高峰時段污染物平均濃度分布圖

圖3 凈化后早高峰時段污染物平均濃度分布圖

3.2 低谷時段（11:00～13:00）PM1、PM2.5、PM10平均濃度分布情況

圖4、圖5為低谷時段，即11：00～13：00時段內PM1、PM2.5、PM10三種污染物凈化前后平均濃度分布對比圖。從圖4中可以看出，凈化前，低谷時段三種污染物的濃度均大于早高峰時段的平均值，這是因為此時測得的污染物濃度值即為上午與中午的累積，且可以看到在12:00與12:30出現了2次峰值，在12:00時，PM1的峰值達到50mg/m3，PM2.5最大值則為62mg/m3，PM10的峰值達到了75mg/m3。凈化后可以看到，隨著時間的推移，三種污染物的平均值沒有較大的波動，12:00的峰值也已經減弱，雖然三種污染物仍在12:30達到了最大值，但是整體的均值有了大幅降低。

圖4 凈化前低谷時段污染物平均濃度分布圖

圖5 凈化后低谷時段污染物平均濃度分布圖

3.3 晚高峰時段（16:30～19:00）PM1、PM2.5、PM10平均濃度分布情況

圖6、圖7為晚高峰時段，即16:30～19:00時段內PM1、PM2.5、PM10三種污染物凈化前后平均濃度分布對比圖。

圖6 凈化前晚高峰時段污染物平均濃度分布圖

圖7 凈化后晚高峰時段污染物平均濃度分布圖

從圖6可以看出，在凈化前，三種污染物整體的均值沒有較大的波動，處于較平穩的狀態，且相較低谷時段，三種污染物的均值也有所下降，這表明晚高峰時間段內射流風機已開啟。而凈化后的污染物平均值也相應地繼續降低，PM1的平均值基本維持在6mg/m3左右，而PM2.5的均值基本處于9mg/m3左右，PM10的均值雖然較大，但整體也在12mg/m3左右。

3.4 凈化前后空氣質量對比

圖8～10為兩周內測得凈化前后的PM1、PM2.5以及PM10的平均值對比圖。從圖中可以看出，凈化前（即進風口處）的PM1的平均值大約在20左右波動，而PM2.5的平均值則主要集中在30左右波動，PM10的平均值波動的范圍則略大。

圖8 凈化前后PM1平均值對比圖

在使用靜電過濾器后，（即出風口處）三種污染物的值均有明顯的降低，且PM1、PM2.5以及PM10平均值基本都是在10左右波動，這表明靜電過濾器的凈化效果較好。

圖9 凈化前后PM2.5平均值對比圖

圖10 凈化前后PM10平均值對比圖

3.5 空氣凈化效率

通過對比上述兩周內測得的進出風口數據，可以得出三種污染物的空氣凈化效率。圖11為PM1、PM2.5以及PM10的空氣凈化效率對比圖。從圖11分析可以得到，無論是PM1，還是PM2.5與PM10，這三種污染物的凈化效率整體基本都處于70%～80%，說明整體的凈化效果明顯，即表明本文所選用的靜電過濾器的性能較好。

圖11 三種污染物凈化效率對比圖

4 結語

本文設計了靜電除塵空氣凈化系統，將其用于上海北橫公路隧道中，利用儀器測試得到了不同時段凈化前后PM1、PM2.5以及PM10的濃度分布情況，以及兩周內三種污染物的平均值，同時分析對比了凈化前后的空氣質量以及凈化效率，研究結果表明：

（1）不同時段內PM1、PM2.5、PM10三種污染物的分布情況不同。凈化前，在早高峰時段，尤其是八點半左右，隧道內三種污染物平均濃度達到最大；而低谷時段，由于上午隧道內污染物的累積，使得三種污染物的平均濃度持續增大；晚高峰時段，三種污染物的平均濃度有明顯的降低，這是因為晚高峰時段射流風機開啟；凈化后，無論是哪個時段，三種污染物的均值都有大幅度的降低。

（2）凈化前（即進風口處）的PM1的平均值大多在20左右波動，而PM2.5的平均值則主要集中在30左右之間，PM10的平均值則略大。

（3）在使用靜電過濾器后，（即出風口處）三種污染物的值都有明顯的降低，且PM1、PM2.5以及PM10的平均值均在10左右波動，表明靜電除塵器的凈化效果較好。

（4）無論是PM1，還是PM2.5與PM10，這三種污染物的凈化效率整體基本都處于70%～80%，說明整體的凈化效果較明顯，即表明本文所選用的靜電設備性能較好。

本文重點研究的是靜電除塵空氣凈化系統的凈化效果，但是國內的研究中對于靜電除塵的應用較少，因而缺乏與靜電除塵系統相關的規范標準。在后續的研究中，可以完善靜電除塵系統的設計規范及行業標準，進一步優化靜電除塵的設計，從而提高凈化效率。