公路隧道静电集尘技术优化研究

陶云平

（中铁十七局集团第五工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

近年来，随着国家公路网的不断完善及中西部大开发战略的逐步实施，我国已成为名副其实的隧道大国。由于公路隧道是一个半封闭空间，其内部污染物不易扩散，使得隧道内污染物浓度不断升高。若不能及时排出，将严重影响洞内空气质量，降低洞内能见度，严重影响到行车舒适性及安全性。静电集尘系统是近年来工程界提出的一种新型除尘方法，国内外学者针对静电除尘的一系列技术已做了大量的研究工作。石明杨等人[1]阐述了公路隧道静电除尘技术安装方式和运营效果，综述了国内研究现状，指出隧道ESP的发展动态，展望了静电除尘器未来在国内的应用前景。李德英[2]介绍了静电集尘机的原理、结构以及影响吸尘效率的因素，并重点介绍了公路隧道采用静电集尘的纵向通风方式以及隧道内静电集尘站的布置方式。涂耘[3]等人研发了“模块化可拆卸公路隧道用标准静电除尘装置”，并通过建立模型，确定最佳公路隧道净化除尘系统方案。本文总结分析了静电集尘系统的工作原理、系统结构和通风方式，在此基础上利用物理模型手段对静电集尘进风口角度优化方案进行研究，以期为类似工程提供技术支持。

1 静电集尘原理

静电集尘（Electrostatic Precipitation）主要是利用电场产生的静电力吸附空气中的尘粒，使得尘粒从气流中分离，进而达到净化空气的目的。目前该技术已广泛应用于冶金、火力发电、水泥生产等方面的烟气除尘及尘粒回收[4-5]。静电集尘系统的主要工作部件为电晕区，其利用带负电的放电极将其周围的空气进行电离，从而形成电离区[6-7]。电晕区发挥作用的有效距离仅为几毫米，即带负电的电极周围，而电晕区以外的所有空间称为电晕外区。当空气进入电晕区，尘粒被带负电的放电极电离后，正离子将被负电极吸引，向负电极方向移动，而负离子被带正电的集尘板所吸引，从而进入电晕外区。当带尘粒的空气通过静电集尘系统时，在电晕区范围内，少数尘粒获得正电荷而被带负电的放电极所吸附，并沉积在电极上，而大部分尘粒进入电晕外区，并获得负电荷，被正电极板所吸附，沉积在正电极板上。静电集尘系统工作原理如图1所示。

图1 静电集尘系统原理示意图

由图1原理示意图可知，静电集尘系统的集尘效率、净化率随集尘板有效长度的增大而增大，且随两电极板间隔距离的减小而增大。同时，当气流在静电集尘系统内的速度较低时，该设备的集尘效率较高，然而当气流过低时，集尘效率反而下降。因此，根据工程实际情况，当隧道内需要净化的气流量较大时，应相应提高静电集尘系统的集尘效率。

2 隧道静电集尘系统的结构

目前，公路隧道常用的静电集尘系统一般为双区式，即在两个不同的部件内完成分离空气中的尘粒电荷和尘粒的作业，该系统主要包括荷电部分、集尘部分、排气通道、清灰部分。其工作过程主要为：a）荷电部分中的电极板通过施加直流电压，产生电晕区；b）当空气通过荷电部分时，空气中的尘粒被荷电；c）附带荷电后的尘粒通过集尘部分时，尘粒吸附在集尘板上，从而将其从空气中分离出来。

当静电集尘系统工作时间较长时，集尘板上所吸附的尘粒较多，其再次吸附尘粒的能力随之下降，甚至有部分尘粒从集尘板上吹落，再次进入气流，影响空气中污染物的浓度。因此，必须采取高效的除尘清灰设备，及时清除集尘板上所积累的尘粒。目前，公路隧道静电集尘系统常用的清灰设备主要工作方式有两种，一为空气清洗，即利用压缩空气将集尘板所吸附的尘粒从集尘板上吹落，并利用专门的空气过滤器进行尘粒收集，从而达到清除集尘板尘粒的目的；二是水清洗，即利用高压水冲洗集尘板，将集尘板上积累的尘粒冲走，再利用相应分离器将尘粒与水进行分离。在实际应用过程中，应根据隧道环境、气流量、隧道空气污染物浓度要求等因素综合分析，进而选取相应的静电集尘系统形式。

3 隧道静电集尘通风方式研究

当隧道采用纵向通风方式时，隧道内通风气流所需消耗的能量与通风量的三次方成正比，在此情况下为保证隧道内拥有良好的通风条件，需要配备较大功率的通风设备，但其设备自身购置费用及运营费用将大幅提高，给公路隧道运营成本造成很大压力。因此，利用静电集尘系统对隧道内空气中的尘粒进行吸附，降低空气内污染物浓度，提高隧道内能见度，对于节省隧道运营费用将产生明显的作用。根据现场试验的分析结果，当隧道采用纵向通风方式时，空气中尘粒浓度、CO浓度在通风方向上随距离的变化情况如图2所示。

从图2中可以看出，当隧道采用纵向通风方式时，隧道进洞口处的尘粒浓度、CO浓度开始呈现线性增加。若不采用静电集尘设备，仅有纵向通风的情况下，空气中尘粒浓度在a处达到允许浓度值，而此处CO浓度还未达到允许浓度值，但尘粒已影响到隧道内空气的能见度，必须采取相应的污染空气处置措施。在a处安装静电集尘系统后，对污染空气进行高效处理，大幅降低了空气中尘粒浓度及CO浓度，使得隧道出口处的尘粒浓度及CO浓度均能保持在允许浓度值以下，且采用静电集尘系统并不需要增加隧道内的通风功率，极大地降低了隧道运营成本。

图2 纵向通风条件下静电集尘示意图

4 隧道静电集尘进风口角度优化研究

静电集尘进风口角度即静电集尘设备进风口与隧道轴线的夹角，该角度对静电集尘系统的效率具有决定性的作用，是整个系统设计的重要参数。在此情况下，本文通过物理模型试验对静电集尘系统进风口角度进行全面研究，该模型试验的具体情况如图3所示。为准确模拟隧道通风的全压、静压及动压，本试验利用L型毕托管对隧道模型内的风流状态进行全面测量，该设备测点位置易于布设，且密封效果较好，其具体情况如图4所示。

图3 静电集尘物理模型

图4 毕托管装置图

在试验过程中，为满足隧道模型通风量的条件，本试验在隧道模型进出口分别布设了一台30 kW和22 kW可调节风门式的射流风机，同时为该射流风机配备了相应的变频器，进而准确控制其风压、风速、风量。该射流风机主要包括防护网、可调式风门、风机叶片，其具体情况如图5所示。

图5 射流风机整体图

为深入研究进风口角度对该设备的能量损失影响程度，本文利用模型试验对隧道静电集尘系统进风口角度进行模拟，从而确定最优角度，以提高集尘效率，降低能量消耗。在本次试验中，采用正交法对隧道进风口进行模拟，即在其他条件相同的情况下，仅改变进风口角度；在进风口角度相同的情况下，改变隧道模型内的平均风速。试验中进风口角度取值分别为30°、45°、60°和90°，平均风速取值分别为 2 m/s、4 m/s、6 m/s和 8 m/s，测得采用静电集尘系统后的隧道断面平均风速结果如表1所示。

表1 隧道模型试验测试结果 m/s

根据上述试验结果可知，当隧道静电集尘系统采用旁通道布设方式时，该系统进风口布设在隧道边墙处，在相同通风动力情况下，进风口角度对该集尘段隧道平均风速有明显影响，且随着隧道平均风速的逐渐增大，进风口角度对集尘效率的影响也增大。因此，当采用旁通道布设方式时，静电集尘进风口角度应在安全性允许条件下选取最小值，从而保证其高效工作，降低隧道运营成本。

5 结论

本文总结分析了静电集尘系统的工作原理、系统结构和通风方式，在此基础上利用物理模型手段对静电集尘进风口角度优化方案进行研究，得出以下几点结论：

a）公路隧道静电集尘系统可采用双区式，该静电集尘系统主要包括荷电部分、集尘部分、排气通道、清灰部分，其中清灰设备主要工作方式有空气清洗和水清洗。

b）在隧道纵向通风条件下，采用静电集尘系统后，对污染空气进行高效处理，大幅降低了空气中尘粒浓度及CO浓度，且采用静电集尘系统并不需要增加隧道内的通风功率，极大地降低了隧道运营成本。

c）根据隧道物理模型试验结果可知，当隧道静电集尘系统采用旁通道布设方式时，静电集尘进风口角度应在安全性允许条件下选取最小值，从而保证其高效工作，降低隧道运营成本。