靜電除塵空氣凈化系統(tǒng)在公路隧道工程中的試驗(yàn)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(jié)構(gòu)，通風(fēng)條件并不好，車輛在隧道內(nèi)行駛過(guò)程中產(chǎn)生的污染物如CO、氮氧化物等較難排至外界。隧道內(nèi)的污染物若不能及時(shí)排出或者處理，對(duì)司乘人員及附近居民的身體健康都會(huì)造成危害。為了緩解隧道內(nèi)的污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多處理方案。目前，我國(guó)對(duì)于公路隧道內(nèi)的空氣凈化的方案一般選擇利用高空風(fēng)塔或地面風(fēng)塔群來(lái)進(jìn)行稀釋排放，但這種方案并不是凈化治理，只是物理稀釋，對(duì)隧道附近居民的健康依然有威脅。靜電除塵是通過(guò)靜電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電力從氣流中分離塵粒的技術(shù)，其應(yīng)用較為廣泛。在靜電除塵器的吸塵站內(nèi)，相關(guān)的配套設(shè)備有壓縮空氣的風(fēng)機(jī)、袋式過(guò)濾器、吸式風(fēng)扇、集塵器及相關(guān)的測(cè)試設(shè)備等。靜電除塵系統(tǒng)可以有效改善公路隧道中的空氣質(zhì)量，同時(shí)能夠提高隧道中的能見(jiàn)度，一定程度上避免交通事故的發(fā)生。20世紀(jì)90年代后，靜電除塵器在大煙氣量、火力發(fā)電及復(fù)雜的煙塵污染中得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，相關(guān)試驗(yàn)研究表明，在隧道內(nèi)安裝靜電除塵系統(tǒng)后，隧道內(nèi)的除塵率可以達(dá)到90%以上，CO氧化脫除率可以達(dá)到70%。在歐洲（挪威、奧地利、德國(guó)等）及日本，靜電除塵系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于公路隧道的空氣凈化，而目前我國(guó)在這方面相對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)了靜電除塵空氣凈化系統(tǒng)，主要包括射流風(fēng)機(jī)、靜電除塵單元、高壓電源發(fā)生器、控制單元、清洗系統(tǒng)等，將其用于上海北橫公路隧道中，通過(guò)儀器測(cè)試研究靜電除塵器的凈化效果，為后期靜電除塵系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的公路隧道中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)際指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 工程概況

上海北橫通道全長(zhǎng)約19.1km，其中隧道長(zhǎng)度約10.2km，包括7.75km盾構(gòu)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(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的盾構(gòu)法雙層隧道，投入運(yùn)營(yíng)后的車流量較大。在該隧道內(nèi)采用空氣凈化系統(tǒng)，降低隧道內(nèi)污染空氣向隧道外排放的污染濃度，降低隧道運(yùn)營(yíng)對(duì)周圍居民或商業(yè)區(qū)的影響，是打造“綠色環(huán)保隧道”和“高品質(zhì)的隧道行車環(huán)境”的一部分。

2.2 測(cè)試儀器

如圖1所示，本文所采用的空氣凈化系統(tǒng)裝置主要包括射流風(fēng)機(jī)、靜電除塵單元、高壓電源發(fā)生器、控制單元、清洗系統(tǒng)等。其中靜電除塵單元“MEP-1000”為蜂窩形結(jié)構(gòu)，安裝在射流風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口之前，隧道內(nèi)污染空氣經(jīng)過(guò)MEP-1000時(shí)，其中的顆粒物在電場(chǎng)力的作用下定向運(yùn)動(dòng)，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(cè)試過(guò)程中用到的測(cè)試儀器及其規(guī)格如表1所示，在北京廣渠路隧道項(xiàng)目測(cè)試中也使用本套測(cè)試儀器。測(cè)試的流程為：在進(jìn)風(fēng)口位置設(shè)置4套測(cè)試顆粒物濃度溫濕度傳感器和4套NO2濃度傳感器，出風(fēng)口4套測(cè)試顆粒物濃度溫濕度傳感器和4套NO2濃度傳感器，通過(guò)對(duì)比進(jìn)出風(fēng)口數(shù)據(jù)，得出空氣凈化效率。

表1 測(cè)試儀器

3 試驗(yàn)結(jié)果

本次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為兩周，通過(guò)測(cè)試得到不同時(shí)段PM1、PM2.5以及PM10三種污染物濃度的平均值，同時(shí)分析對(duì)比凈化前后空氣質(zhì)量及凈化效率，研究ESP系統(tǒng)的凈化效果，為后期靜電除塵系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的公路隧道中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

3.1 早高峰時(shí)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(shí)段，即7:00～9:00時(shí)段內(nèi)PM1、PM2.5、PM10三種污染物凈化前后平均濃度分布對(duì)比圖。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，在凈化前，三種污染物的濃度值都較高，且隨著時(shí)間的推移，隧道內(nèi)污染物的含量逐漸增多，平均濃度逐漸增大，在8:20～8:30時(shí)間段內(nèi)三種污染物的平均值都達(dá)到了最大，PM1的平均值達(dá)到了約42mg/m3，PM2.5的平均值達(dá)到了約60mg/m3，PM10的平均值甚至達(dá)到約72mg/m3。這是因?yàn)樵谶@段時(shí)間是上班的主要時(shí)段，隧道內(nèi)行駛的車輛較多，使得隧道內(nèi)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?yàn)樯习喔叻迤冢?:20～8:30時(shí)間段內(nèi)三種污染物的平均值依舊是最大，但是凈化后該時(shí)間段內(nèi)的三種污染物的平均值已經(jīng)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(shí)段污染物平均濃度分布圖

圖3 凈化后早高峰時(shí)段污染物平均濃度分布圖

3.2 低谷時(shí)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(shí)段，即11：00～13：00時(shí)段內(nèi)PM1、PM2.5、PM10三種污染物凈化前后平均濃度分布對(duì)比圖。從圖4中可以看出，凈化前，低谷時(shí)段三種污染物的濃度均大于早高峰時(shí)段的平均值，這是因?yàn)榇藭r(shí)測(cè)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(xiàn)了2次峰值，在12:00時(shí)，PM1的峰值達(dá)到50mg/m3，PM2.5最大值則為62mg/m3，PM10的峰值達(dá)到了75mg/m3。凈化后可以看到，隨著時(shí)間的推移，三種污染物的平均值沒(méi)有較大的波動(dòng)，12:00的峰值也已經(jīng)減弱，雖然三種污染物仍在12:30達(dá)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(shí)段污染物平均濃度分布圖

圖5 凈化后低谷時(shí)段污染物平均濃度分布圖

3.3 晚高峰時(shí)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(shí)段，即16:30～19:00時(shí)段內(nèi)PM1、PM2.5、PM10三種污染物凈化前后平均濃度分布對(duì)比圖。

圖6 凈化前晚高峰時(shí)段污染物平均濃度分布圖

圖7 凈化后晚高峰時(shí)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(méi)有較大的波動(dòng)，處于較平穩(wěn)的狀態(tài)，且相較低谷時(shí)段，三種污染物的均值也有所下降，這表明晚高峰時(shí)間段內(nèi)射流風(fēng)機(jī)已開(kāi)啟。而凈化后的污染物平均值也相應(yīng)地繼續(xù)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(zhì)量對(duì)比

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

圖8 凈化前后PM1平均值對(duì)比圖

在使用靜電過(guò)濾器后，（即出風(fēng)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(dòng)，這表明靜電過(guò)濾器的凈化效果較好。

圖9 凈化前后PM2.5平均值對(duì)比圖

圖10 凈化前后PM10平均值對(duì)比圖

3.5 空氣凈化效率

通過(guò)對(duì)比上述兩周內(nèi)測(cè)得的進(jìn)出風(fēng)口數(shù)據(jù)，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(duì)比圖。從圖11分析可以得到，無(wú)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(shuō)明整體的凈化效果明顯，即表明本文所選用的靜電過(guò)濾器的性能較好。

圖11 三種污染物凈化效率對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了靜電除塵空氣凈化系統(tǒng)，將其用于上海北橫公路隧道中，利用儀器測(cè)試得到了不同時(shí)段凈化前后PM1、PM2.5以及PM10的濃度分布情況，以及兩周內(nèi)三種污染物的平均值，同時(shí)分析對(duì)比了凈化前后的空氣質(zhì)量以及凈化效率，研究結(jié)果表明：

（1）不同時(shí)段內(nèi)PM1、PM2.5、PM10三種污染物的分布情況不同。凈化前，在早高峰時(shí)段，尤其是八點(diǎn)半左右，隧道內(nèi)三種污染物平均濃度達(dá)到最大；而低谷時(shí)段，由于上午隧道內(nèi)污染物的累積，使得三種污染物的平均濃度持續(xù)增大；晚高峰時(shí)段，三種污染物的平均濃度有明顯的降低，這是因?yàn)橥砀叻鍟r(shí)段射流風(fēng)機(jī)開(kāi)啟；凈化后，無(wú)論是哪個(gè)時(shí)段，三種污染物的均值都有大幅度的降低。

（2）凈化前（即進(jìn)風(fēng)口處）的PM1的平均值大多在20左右波動(dòng)，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(guò)濾器后，（即出風(fēng)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(dòng)，表明靜電除塵器的凈化效果較好。

（4）無(wú)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(shuō)明整體的凈化效果較明顯，即表明本文所選用的靜電設(shè)備性能較好。

本文重點(diǎn)研究的是靜電除塵空氣凈化系統(tǒng)的凈化效果，但是國(guó)內(nèi)的研究中對(duì)于靜電除塵的應(yīng)用較少，因而缺乏與靜電除塵系統(tǒng)相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。在后續(xù)的研究中，可以完善靜電除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步優(yōu)化靜電除塵的設(shè)計(jì)，從而提高凈化效率。