公路隧道靜電集塵技術(shù)優(yōu)化研究

陶云平

（中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近年來，隨著國家公路網(wǎng)的不斷完善及中西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步實施，我國已成為名副其實的隧道大國。由于公路隧道是一個半封閉空間，其內(nèi)部污染物不易擴散，使得隧道內(nèi)污染物濃度不斷升高。若不能及時排出，將嚴(yán)重影響洞內(nèi)空氣質(zhì)量，降低洞內(nèi)能見度，嚴(yán)重影響到行車舒適性及安全性。靜電集塵系統(tǒng)是近年來工程界提出的一種新型除塵方法，國內(nèi)外學(xué)者針對靜電除塵的一系列技術(shù)已做了大量的研究工作。石明楊等人[1]闡述了公路隧道靜電除塵技術(shù)安裝方式和運營效果，綜述了國內(nèi)研究現(xiàn)狀，指出隧道ESP的發(fā)展動態(tài)，展望了靜電除塵器未來在國內(nèi)的應(yīng)用前景。李德英[2]介紹了靜電集塵機的原理、結(jié)構(gòu)以及影響吸塵效率的因素，并重點介紹了公路隧道采用靜電集塵的縱向通風(fēng)方式以及隧道內(nèi)靜電集塵站的布置方式。涂耘[3]等人研發(fā)了“模塊化可拆卸公路隧道用標(biāo)準(zhǔn)靜電除塵裝置”，并通過建立模型，確定最佳公路隧道凈化除塵系統(tǒng)方案。本文總結(jié)分析了靜電集塵系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)方式，在此基礎(chǔ)上利用物理模型手段對靜電集塵進風(fēng)口角度優(yōu)化方案進行研究，以期為類似工程提供技術(shù)支持。

1 靜電集塵原理

靜電集塵（Electrostatic Precipitation）主要是利用電場產(chǎn)生的靜電力吸附空氣中的塵粒，使得塵粒從氣流中分離，進而達到凈化空氣的目的。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于冶金、火力發(fā)電、水泥生產(chǎn)等方面的煙氣除塵及塵?；厥誟4-5]。靜電集塵系統(tǒng)的主要工作部件為電暈區(qū)，其利用帶負(fù)電的放電極將其周圍的空氣進行電離，從而形成電離區(qū)[6-7]。電暈區(qū)發(fā)揮作用的有效距離僅為幾毫米，即帶負(fù)電的電極周圍，而電暈區(qū)以外的所有空間稱為電暈外區(qū)。當(dāng)空氣進入電暈區(qū)，塵粒被帶負(fù)電的放電極電離后，正離子將被負(fù)電極吸引，向負(fù)電極方向移動，而負(fù)離子被帶正電的集塵板所吸引，從而進入電暈外區(qū)。當(dāng)帶塵粒的空氣通過靜電集塵系統(tǒng)時，在電暈區(qū)范圍內(nèi)，少數(shù)塵粒獲得正電荷而被帶負(fù)電的放電極所吸附，并沉積在電極上，而大部分塵粒進入電暈外區(qū)，并獲得負(fù)電荷，被正電極板所吸附，沉積在正電極板上。靜電集塵系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 靜電集塵系統(tǒng)原理示意圖

由圖1原理示意圖可知，靜電集塵系統(tǒng)的集塵效率、凈化率隨集塵板有效長度的增大而增大，且隨兩電極板間隔距離的減小而增大。同時，當(dāng)氣流在靜電集塵系統(tǒng)內(nèi)的速度較低時，該設(shè)備的集塵效率較高，然而當(dāng)氣流過低時，集塵效率反而下降。因此，根據(jù)工程實際情況，當(dāng)隧道內(nèi)需要凈化的氣流量較大時，應(yīng)相應(yīng)提高靜電集塵系統(tǒng)的集塵效率。

2 隧道靜電集塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前，公路隧道常用的靜電集塵系統(tǒng)一般為雙區(qū)式，即在兩個不同的部件內(nèi)完成分離空氣中的塵粒電荷和塵粒的作業(yè)，該系統(tǒng)主要包括荷電部分、集塵部分、排氣通道、清灰部分。其工作過程主要為：a）荷電部分中的電極板通過施加直流電壓，產(chǎn)生電暈區(qū)；b）當(dāng)空氣通過荷電部分時，空氣中的塵粒被荷電；c）附帶荷電后的塵粒通過集塵部分時，塵粒吸附在集塵板上，從而將其從空氣中分離出來。

當(dāng)靜電集塵系統(tǒng)工作時間較長時，集塵板上所吸附的塵粒較多，其再次吸附塵粒的能力隨之下降，甚至有部分塵粒從集塵板上吹落，再次進入氣流，影響空氣中污染物的濃度。因此，必須采取高效的除塵清灰設(shè)備，及時清除集塵板上所積累的塵粒。目前，公路隧道靜電集塵系統(tǒng)常用的清灰設(shè)備主要工作方式有兩種，一為空氣清洗，即利用壓縮空氣將集塵板所吸附的塵粒從集塵板上吹落，并利用專門的空氣過濾器進行塵粒收集，從而達到清除集塵板塵粒的目的；二是水清洗，即利用高壓水沖洗集塵板，將集塵板上積累的塵粒沖走，再利用相應(yīng)分離器將塵粒與水進行分離。在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)隧道環(huán)境、氣流量、隧道空氣污染物濃度要求等因素綜合分析，進而選取相應(yīng)的靜電集塵系統(tǒng)形式。

3 隧道靜電集塵通風(fēng)方式研究

當(dāng)隧道采用縱向通風(fēng)方式時，隧道內(nèi)通風(fēng)氣流所需消耗的能量與通風(fēng)量的三次方成正比，在此情況下為保證隧道內(nèi)擁有良好的通風(fēng)條件，需要配備較大功率的通風(fēng)設(shè)備，但其設(shè)備自身購置費用及運營費用將大幅提高，給公路隧道運營成本造成很大壓力。因此，利用靜電集塵系統(tǒng)對隧道內(nèi)空氣中的塵粒進行吸附，降低空氣內(nèi)污染物濃度，提高隧道內(nèi)能見度，對于節(jié)省隧道運營費用將產(chǎn)生明顯的作用。根據(jù)現(xiàn)場試驗的分析結(jié)果，當(dāng)隧道采用縱向通風(fēng)方式時，空氣中塵粒濃度、CO濃度在通風(fēng)方向上隨距離的變化情況如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)隧道采用縱向通風(fēng)方式時，隧道進洞口處的塵粒濃度、CO濃度開始呈現(xiàn)線性增加。若不采用靜電集塵設(shè)備，僅有縱向通風(fēng)的情況下，空氣中塵粒濃度在a處達到允許濃度值，而此處CO濃度還未達到允許濃度值，但塵粒已影響到隧道內(nèi)空氣的能見度，必須采取相應(yīng)的污染空氣處置措施。在a處安裝靜電集塵系統(tǒng)后，對污染空氣進行高效處理，大幅降低了空氣中塵粒濃度及CO濃度，使得隧道出口處的塵粒濃度及CO濃度均能保持在允許濃度值以下，且采用靜電集塵系統(tǒng)并不需要增加隧道內(nèi)的通風(fēng)功率，極大地降低了隧道運營成本。

圖2 縱向通風(fēng)條件下靜電集塵示意圖

4 隧道靜電集塵進風(fēng)口角度優(yōu)化研究

靜電集塵進風(fēng)口角度即靜電集塵設(shè)備進風(fēng)口與隧道軸線的夾角，該角度對靜電集塵系統(tǒng)的效率具有決定性的作用，是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要參數(shù)。在此情況下，本文通過物理模型試驗對靜電集塵系統(tǒng)進風(fēng)口角度進行全面研究，該模型試驗的具體情況如圖3所示。為準(zhǔn)確模擬隧道通風(fēng)的全壓、靜壓及動壓，本試驗利用L型畢托管對隧道模型內(nèi)的風(fēng)流狀態(tài)進行全面測量，該設(shè)備測點位置易于布設(shè)，且密封效果較好，其具體情況如圖4所示。

圖3 靜電集塵物理模型

圖4 畢托管裝置圖

在試驗過程中，為滿足隧道模型通風(fēng)量的條件，本試驗在隧道模型進出口分別布設(shè)了一臺30 kW和22 kW可調(diào)節(jié)風(fēng)門式的射流風(fēng)機，同時為該射流風(fēng)機配備了相應(yīng)的變頻器，進而準(zhǔn)確控制其風(fēng)壓、風(fēng)速、風(fēng)量。該射流風(fēng)機主要包括防護網(wǎng)、可調(diào)式風(fēng)門、風(fēng)機葉片，其具體情況如圖5所示。

圖5 射流風(fēng)機整體圖

為深入研究進風(fēng)口角度對該設(shè)備的能量損失影響程度，本文利用模型試驗對隧道靜電集塵系統(tǒng)進風(fēng)口角度進行模擬，從而確定最優(yōu)角度，以提高集塵效率，降低能量消耗。在本次試驗中，采用正交法對隧道進風(fēng)口進行模擬，即在其他條件相同的情況下，僅改變進風(fēng)口角度；在進風(fēng)口角度相同的情況下，改變隧道模型內(nèi)的平均風(fēng)速。試驗中進風(fēng)口角度取值分別為30°、45°、60°和90°，平均風(fēng)速取值分別為 2 m/s、4 m/s、6 m/s和 8 m/s，測得采用靜電集塵系統(tǒng)后的隧道斷面平均風(fēng)速結(jié)果如表1所示。

表1 隧道模型試驗測試結(jié)果 m/s

根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，當(dāng)隧道靜電集塵系統(tǒng)采用旁通道布設(shè)方式時，該系統(tǒng)進風(fēng)口布設(shè)在隧道邊墻處，在相同通風(fēng)動力情況下，進風(fēng)口角度對該集塵段隧道平均風(fēng)速有明顯影響，且隨著隧道平均風(fēng)速的逐漸增大，進風(fēng)口角度對集塵效率的影響也增大。因此，當(dāng)采用旁通道布設(shè)方式時，靜電集塵進風(fēng)口角度應(yīng)在安全性允許條件下選取最小值，從而保證其高效工作，降低隧道運營成本。

5 結(jié)論

本文總結(jié)分析了靜電集塵系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)方式，在此基礎(chǔ)上利用物理模型手段對靜電集塵進風(fēng)口角度優(yōu)化方案進行研究，得出以下幾點結(jié)論：

a）公路隧道靜電集塵系統(tǒng)可采用雙區(qū)式，該靜電集塵系統(tǒng)主要包括荷電部分、集塵部分、排氣通道、清灰部分，其中清灰設(shè)備主要工作方式有空氣清洗和水清洗。

b）在隧道縱向通風(fēng)條件下，采用靜電集塵系統(tǒng)后，對污染空氣進行高效處理，大幅降低了空氣中塵粒濃度及CO濃度，且采用靜電集塵系統(tǒng)并不需要增加隧道內(nèi)的通風(fēng)功率，極大地降低了隧道運營成本。

c）根據(jù)隧道物理模型試驗結(jié)果可知，當(dāng)隧道靜電集塵系統(tǒng)采用旁通道布設(shè)方式時，靜電集塵進風(fēng)口角度應(yīng)在安全性允許條件下選取最小值，從而保證其高效工作，降低隧道運營成本。