蜂窩型電氣集塵器控制粉塵技術在鐵路運營隧道的適用性研究

馮麗娟（中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京　100081）

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蜂窩型電氣集塵器控制粉塵技術在鐵路運營隧道的適用性研究

馮麗娟
（中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

摘要鐵路運營隧道內通常采用通風排塵凈化空氣，但在長大隧道中效果不好。蜂窩型電氣集塵器（HEP）是在電除塵器的沉淀極與電暈極上形成一個高壓電場，使塵粒子帶電并積聚于沉淀極，除塵效率＞90％。本文從HEP構造、原理、除塵效率的影響因素、社會效益和經濟效益等方面分析了HEP在我國鐵路運營隧道應用的可行性。結果表明:目前在貨運隧道采用HEP除塵并不可取，但是在高速鐵路、客運專線隧道采用HEP技術可行，但應在運營前安裝。

關鍵詞隧道；粉塵；通風排塵；蜂窩型電氣集塵器

隨著我國鐵路建設的大規(guī)模進行，隧道占線路長度比可達10％以上，平均單座隧道的長度也在增加。在運營隧道中存在的主要危害人體健康的理化因素為行車產生的各種有害氣體、粉塵、各種垃圾、放射性污染等。鐵路運營隧道內的粉塵主要來自柴油機的廢氣顆粒物和各種煤車、水泥車、礦石車等行車造成的二次揚塵。目前，在運營隧道中采用的防塵措施通常是通風排塵，但是其在長大隧道中的效果不明顯，物理稀釋不能達到凈化治理的目的，同時需要耗費大量的能源，而且容易造成二次揚塵。

靜電除塵是一種利用電場產生的靜電力使塵粒從氣流中分離的技術，目前已經廣泛應用于火力發(fā)電、冶金等行業(yè)的煙氣除塵和物料回收，可用于隧道內降低粉塵濃度。HEP（蜂窩型電氣集塵器）是在電除塵器的沉淀極與電暈極上，通以高壓直流電，由于高壓電場的作用，當含塵氣體通過沉淀極與電暈極之間時，灰塵粒子帶電，并在沉淀極沉淀，然后，清除沉淀極上的灰塵，除塵率可達90％以上。本文針對HEP在我國鐵路隧道應用的可行性進行了分析。

1鐵路隧道HEP控制粉塵技術

目前適用于鐵路隧道并現(xiàn)行有效的控制標準有2005年修訂頒布的《鐵路運營隧道空氣中機車廢氣容許濃度及測試方法》（TB /T 1912—2005）［1］，2007年修訂頒布的《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學有害因素》（GB Z2. 1—2007）［2］及2010年修訂頒布的《鐵路隧道運營通風設計規(guī)范》（TB 10068—2010）［3］。下面通過分析我國典型隧道空氣顆粒物性質、分布和濃度，研究粉塵控制技術的適用性。

1. 1典型隧道空氣粉塵監(jiān)測及顆粒物分析

選擇粉塵濃度較高的貨運隧道（軍都山隧道）進行空氣粉塵監(jiān)測，巡檢工接觸的粉塵為煤塵，檢測結果見表1，隧道內粉塵分散度見表2。表1中呼塵為呼吸性粉塵，總塵為總粉塵。

調查發(fā)現(xiàn)，鐵路運煤隧道中的粉塵濃度遠超標準限值，96％都在粒徑5 μm以下，2 μm以下粒徑比例也較高，表明鐵路運煤隧道內粉塵幾乎都能進入人體肺深部和肺泡區(qū)，危害嚴重［4-6］。

1. 2 HEP在隧道中除塵原理及結構

HEP除塵原理見圖1。其結構見圖2。

HEP利用DC15 kV-20 kV的高壓有效吸取普遍存在的PM10以下的各種灰塵。該設備維護簡單，對細塵的吸塵效率高達90％，采用六角形蜂窩狀結構，最大限度地增加單位吸塵面積，而且容易改變結構以適應放置環(huán)境的需要；白天以干洗方式清洗、夜間用水洗滌即可完全洗除污染物質，長時間保持最佳吸塵效率；采用靜電中和裝置，能防止細微粒子的粘附；可用無人全自動系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控；吸塵時還可同時去除石棉、惡臭、細菌等其他空氣污染；在20～30 m/s的高風速度下保持較高的除塵效率；雙向吸塵可在運營干線自然通風口應用。

表1　隧道內巡檢工接觸粉塵情況

表2　隧道內粉塵分散度

圖1　蜂窩式電氣集塵器原理

圖2　HEP結構

1. 3 HEP除塵效率的計算與分析

本文中根據(jù)廈門柔直系統(tǒng)運行特點，以及柔直輸電通道與交流輸電通道的耦合關系，分析含柔直系統(tǒng)的電網(wǎng)潮流優(yōu)化控制目標函數(shù)，包括交流系統(tǒng)約束條件、柔直系統(tǒng)約束條件以及網(wǎng)損優(yōu)化目標函數(shù)，介紹優(yōu)化問題的求解流程和工程實現(xiàn)，并通過算例驗證方法的可行性。

除塵效率是指同一時間內除塵裝置去除的污染物數(shù)量與進入裝置的污染物數(shù)量的百分比，可按照多依奇的管式電除塵器的效率公式（見式（1））進行計算。除塵效率是衡量除塵裝置性能的主要技術指標。

式中：ω為塵粒的漂移速度；L為沉淀極長度；V為有效斷面內的氣體流速；R為沉淀極管內半徑。

由式（1）可以看出，提高荷電塵粒向沉淀極的漂移速度、增加沉淀極的長度、減小有效斷面內的氣體流速、減小沉淀極管內半徑都可以提高除塵效率。其中塵粒的漂移速度最不容易確定，除了受除塵器內的氣體流速、氣流分布、電極構造、荷電條件等因素影響外，還要受到氣體的成分、溫度、粘度、濕度、含塵濃度，粉塵的粒徑分布、化學成分和比電阻的影響。塵粒的漂移速度可根據(jù)進出口含塵濃度計算得到。在實際應用中，一般都是利用實測出的除塵效率、已經確定的煙氣量和除塵器的總面積來反算塵粒的漂移速度。

1. 4影響HEP除塵效率的因素

1）粉塵比電阻是衡量粉塵導電性能的一個指標，是影響除塵效率的重要因素。HEP除塵應提高對高比電阻粉塵的收集效率。鐵路運營隧道內的粉塵主要是柴油機廢氣顆粒物，貨運列車如煤車、水泥車、礦石車行車造成的二次揚塵和動植物粉塵等。通常情況下，高比電阻粉塵居多，即使同一粉塵在不同條件下其比電阻可相差幾個數(shù)量級。對于鐵路隧道的粉塵可通過增加濕度、升高溫度、改變煙氣成分等方式提高HEP的除塵效率，如在環(huán)境氣候中加入3％～10％的水可使粉塵的比電阻降低1～2個數(shù)量級。

2）對于粒徑5 μm以上的顆粒物其去除率可達90％以上、粒徑0. 5 μm以上的顆粒物其去除率可達84％以上、0. 5 μm以下的顆粒物其去除率約為61％。鐵路隧道顆粒物的粒徑一般在40 μm以下，從對軍都山隧道煤塵的檢測結果來看，其粉塵粒徑以5 μm以下為主，2 μm以下的近50％，HEP對2 μm以下的、人體危害大的顆粒物去除效率為61. 5％～86. 4％，除塵效果不理想（去除效率在90％以下即認為不理想）。

4）氣體溫度對HEP除塵效率也有一定影響，溫度太高或太低都可影響除塵效率。隧道的氣體溫度一般不會超過50℃，可滿足HEP對氣體溫度的要求。

5）氣體流速對除塵效率也有影響。如果氣體流速過高，已經積聚于沉淀極上的粉塵有可能重新回到氣流中，產生二次揚塵。HEP夜間采用濕式除塵，塵粒不容易被高速氣流卷走，可以滿足HEP高流速的特點并提高除塵效率［7-11］。

1. 5 HEP在運營隧道的適用性

1）除塵器的結構形式也影響除塵效率。蜂窩式沉淀極為正六邊形，可增大空氣通過面積，節(jié)省占地空間。但對于已經運營的鐵路隧道，考慮限界要求，難以解決安裝場地。

2）目前靜電除塵器已經在歐洲和亞洲的公路隧道得到廣泛使用，而且比其他處理隧道廢氣的方法更加簡便環(huán)保。在我國運營隧道采用HEP，在技術上是可行的。

3）我國鐵路運營隧道通常采用通風的方式來改善隧道空氣質量。通風費用主要包括2個方面：①修建隧道的各類通風設施所需的費用（如建造豎井的費用、購買和安裝風機的費用等）；②隧道建成后運營通風設施的費用（如各類風機運轉所需的電費、維護通風設施的費用等）。

4）采用HEP除塵，設備購置費及維護費用較大，而且在運營隧道中HEP的安裝受場地和安全限界的限制，因此，目前我國鐵路運營隧道不適合采用HEP除塵。

2　結論

從影響HEP除塵效率的因素、設備構造、設備安裝場地、社會效益和經濟效益等方面的分析，可以看出HEP在我國隧道內應用在技術上沒有問題，但是從設備安裝場地、購置費用和維護費用等方面考慮，在運營隧道采用HEP除塵并不可行。應把HEP安裝場地、購置費用和維護費用等問題納入隧道設計中統(tǒng)一考慮，因此，應繼續(xù)研究應用HEP除塵的經濟性，明確隧道建設和維護期發(fā)生的相關費用，盡快在我國鐵路隧道內應用HEP除塵技術，凈化隧道內空氣質量，改善養(yǎng)護人員的工作環(huán)境。

參考文獻

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［2］中華人民共和國衛(wèi)生部. GB Z2. 1—2007工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學有害因素［S］.北京：人民衛(wèi)生出版社，2007.

［3］中華人民共和國鐵道部. TB 10068—2010鐵路隧道運營通風設計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2010.

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［10］藺小力.電除塵器對高比電阻粉塵收集的研究［J］.內蒙古環(huán)境科學，2009，21（2）：24-26.

［11］中國鐵道科學研究院.鐵路隧道應用HEP設備去除粉塵的技術調查［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2012.

（責任審編葛全紅）

Study on Suitability of Dust-Control Technology by Honeycomb-type Electrostatic Precipitator for Railway Tunnel in Operation

FENG Lijuan
（Energy Saving & Environmental Protection & Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

AbstractT he general practice of ventilation and dedusting in railway tunnel fails to deliver concrete results in its application to super-long tunnels. Honeycomb-type Electrostatic Precipitator（HEP），generating a high-voltage electric field between receiving electrode and corona discharge electrode，electrifies the dust particles and accumulates them in the receiving electrode. T he efficiency of dedusting is greater than 90％. T he structure，principle，influential factors，economic and social benefits and other aspects of the feasibility of HEP application in railway tunnel were analyzed in this paper. T he results indicate that although HEP dedusting can not be used in freight railway tunnel，it stands as a valid approach for high speed railway tunnel and passenger dedicated railway tunnel where the installation of the relevant equipment is to be carried out before operation.

Key wordsT unnel；Dust；Ventilation and dedusting；HEP

中圖分類號U453

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 20

文章編號：1003-1995（2016）06-0073-04

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-03-20

作者簡介：馮麗娟（1979—），女，助理研究員，碩士。