公路隧道靜電集塵技術優化研究

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，隨著國家公路網的不斷完善及中西部大開發戰略的逐步實施，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，其內部污染物不易擴散，使得隧道內污染物濃度不斷升高。若不能及時排出，將嚴重影響洞內空氣質量，降低洞內能見度，嚴重影響到行車舒適性及安全性。靜電集塵系統是近年來工程界提出的一種新型除塵方法，國內外學者針對靜電除塵的一系列技術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安裝方式和運營效果，綜述了國內研究現狀，指出隧道ESP的發展動態，展望了靜電除塵器未來在國內的應用前景。李德英[2]介紹了靜電集塵機的原理、結構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方式以及隧道內靜電集塵站的布置方式。涂耘[3]等人研發了“模塊化可拆卸公路隧道用標準靜電除塵裝置”，并通過建立模型，確定最佳公路隧道凈化除塵系統方案。本文總結分析了靜電集塵系統的工作原理、系統結構和通風方式，在此基礎上利用物理模型手段對靜電集塵進風口角度優化方案進行研究，以期為類似工程提供技術支持。

1 靜電集塵原理

靜電集塵（Electrostatic Precipitation）主要是利用電場產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。目前該技術已廣泛應用于冶金、火力發電、水泥生產等方面的煙氣除塵及塵粒回收[4-5]。靜電集塵系統的主要工作部件為電暈區，其利用帶負電的放電極將其周圍的空氣進行電離，從而形成電離區[6-7]。電暈區發揮作用的有效距離僅為幾毫米，即帶負電的電極周圍，而電暈區以外的所有空間稱為電暈外區。當空氣進入電暈區，塵粒被帶負電的放電極電離后，正離子將被負電極吸引，向負電極方向移動，而負離子被帶正電的集塵板所吸引，從而進入電暈外區。當帶塵粒的空氣通過靜電集塵系統時，在電暈區范圍內，少數塵粒獲得正電荷而被帶負電的放電極所吸附，并沉積在電極上，而大部分塵粒進入電暈外區，并獲得負電荷，被正電極板所吸附，沉積在正電極板上。靜電集塵系統工作原理如圖1所示。

圖1 靜電集塵系統原理示意圖

由圖1原理示意圖可知，靜電集塵系統的集塵效率、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，當氣流在靜電集塵系統內的速度較低時，該設備的集塵效率較高，然而當氣流過低時，集塵效率反而下降。因此，根據工程實際情況，當隧道內需要凈化的氣流量較大時，應相應提高靜電集塵系統的集塵效率。

2 隧道靜電集塵系統的結構

目前，公路隧道常用的靜電集塵系統一般為雙區式，即在兩個不同的部件內完成分離空氣中的塵粒電荷和塵粒的作業，該系統主要包括荷電部分、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，產生電暈區；b）當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。

當靜電集塵系統工作時間較長時，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常用的清灰設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，再利用相應分離器將塵粒與水進行分離。在實際應用過程中，應根據隧道環境、氣流量、隧道空氣污染物濃度要求等因素綜合分析，進而選取相應的靜電集塵系統形式。

3 隧道靜電集塵通風方式研究

當隧道采用縱向通風方式時，隧道內通風氣流所需消耗的能量與通風量的三次方成正比，在此情況下為保證隧道內擁有良好的通風條件，需要配備較大功率的通風設備，但其設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，利用靜電集塵系統對隧道內空氣中的塵粒進行吸附，降低空氣內污染物濃度，提高隧道內能見度，對于節省隧道運營費用將產生明顯的作用。根據現場試驗的分析結果，當隧道采用縱向通風方式時，空氣中塵粒濃度、CO濃度在通風方向上隨距離的變化情況如圖2所示。

從圖2中可以看出，當隧道采用縱向通風方式時，隧道進洞口處的塵粒濃度、CO濃度開始呈現線性增加。若不采用靜電集塵設備，僅有縱向通風的情況下，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空氣的能見度，必須采取相應的污染空氣處置措施。在a處安裝靜電集塵系統后，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并不需要增加隧道內的通風功率，極大地降低了隧道運營成本。

圖2 縱向通風條件下靜電集塵示意圖

4 隧道靜電集塵進風口角度優化研究

靜電集塵進風口角度即靜電集塵設備進風口與隧道軸線的夾角，該角度對靜電集塵系統的效率具有決定性的作用，是整個系統設計的重要參數。在此情況下，本文通過物理模型試驗對靜電集塵系統進風口角度進行全面研究，該模型試驗的具體情況如圖3所示。為準確模擬隧道通風的全壓、靜壓及動壓，本試驗利用L型畢托管對隧道模型內的風流狀態進行全面測量，該設備測點位置易于布設，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量的條件，本試驗在隧道模型進出口分別布設了一臺30 kW和22 kW可調節風門式的射流風機，同時為該射流風機配備了相應的變頻器，進而準確控制其風壓、風速、風量。該射流風機主要包括防護網、可調式風門、風機葉片，其具體情況如圖5所示。

圖5 射流風機整體圖

為深入研究進風口角度對該設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進風口角度進行模擬，從而確定最優角度，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口進行模擬，即在其他條件相同的情況下，僅改變進風口角度；在進風口角度相同的情況下，改變隧道模型內的平均風速。試驗中進風口角度取值分別為30°、45°、60°和90°，平均風速取值分別為 2 m/s、4 m/s、6 m/s和 8 m/s，測得采用靜電集塵系統后的隧道斷面平均風速結果如表1所示。

表1 隧道模型試驗測試結果 m/s

根據上述試驗結果可知，當隧道靜電集塵系統采用旁通道布設方式時，該系統進風口布設在隧道邊墻處，在相同通風動力情況下，進風口角度對該集塵段隧道平均風速有明顯影響，且隨著隧道平均風速的逐漸增大，進風口角度對集塵效率的影響也增大。因此，當采用旁通道布設方式時，靜電集塵進風口角度應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 結論

本文總結分析了靜電集塵系統的工作原理、系統結構和通風方式，在此基礎上利用物理模型手段對靜電集塵進風口角度優化方案進行研究，得出以下幾點結論：

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

b）在隧道縱向通風條件下，采用靜電集塵系統后，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并不需要增加隧道內的通風功率，極大地降低了隧道運營成本。

c）根據隧道物理模型試驗結果可知，當隧道靜電集塵系統采用旁通道布設方式時，靜電集塵進風口角度應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。