静电除尘空气净化系统在公路隧道工程中的试验研究

王晨，张君

（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闭结构，通风条件并不好，车辆在隧道内行驶过程中产生的污染物如CO、氮氧化物等较难排至外界。隧道内的污染物若不能及时排出或者处理，对司乘人员及附近居民的身体健康都会造成危害。为了缓解隧道内的污染问题，国内外学者提出了很多处理方案。目前，我国对于公路隧道内的空气净化的方案一般选择利用高空风塔或地面风塔群来进行稀释排放，但这种方案并不是净化治理，只是物理稀释，对隧道附近居民的健康依然有威胁。静电除尘是通过静电场产生的静电力从气流中分离尘粒的技术，其应用较为广泛。在静电除尘器的吸尘站内，相关的配套设备有压缩空气的风机、袋式过滤器、吸式风扇、集尘器及相关的测试设备等。静电除尘系统可以有效改善公路隧道中的空气质量，同时能够提高隧道中的能见度，一定程度上避免交通事故的发生。20世纪90年代后，静电除尘器在大烟气量、火力发电及复杂的烟尘污染中得到了广泛的应用。同时，相关试验研究表明，在隧道内安装静电除尘系统后，隧道内的除尘率可以达到90%以上，CO氧化脱除率可以达到70%。在欧洲（挪威、奥地利、德国等）及日本，静电除尘系统已经成功应用于公路隧道的空气净化，而目前我国在这方面相对缺乏经验。

本文设计了静电除尘空气净化系统，主要包括射流风机、静电除尘单元、高压电源发生器、控制单元、清洗系统等，将其用于上海北横公路隧道中，通过仪器测试研究静电除尘器的净化效果，为后期静电除尘系统在国内的公路隧道中的应用提供一定的理论基础和实际指导。

2 试验测试

2.1 工程概况

上海北横通道全长约19.1km，其中隧道长度约10.2km，包括7.75km盾构段，双层式双向6车道，2.45km明挖段以及4座下立交，它是目前国内最长的盾构法双层隧道，投入运营后的车流量较大。在该隧道内采用空气净化系统，降低隧道内污染空气向隧道外排放的污染浓度，降低隧道运营对周围居民或商业区的影响，是打造“绿色环保隧道”和“高品质的隧道行车环境”的一部分。

2.2 测试仪器

如图1所示，本文所采用的空气净化系统装置主要包括射流风机、静电除尘单元、高压电源发生器、控制单元、清洗系统等。其中静电除尘单元“MEP-1000”为蜂窝形结构，安装在射流风机进风口之前，隧道内污染空气经过MEP-1000时，其中的颗粒物在电场力的作用下定向运动，被吸附在集尘部，去除污染空气中的PM10、PM2.5等悬浮颗粒污染物。

图1

本次测试过程中用到的测试仪器及其规格如表1所示，在北京广渠路隧道项目测试中也使用本套测试仪器。测试的流程为：在进风口位置设置4套测试颗粒物浓度温湿度传感器和4套NO2浓度传感器，出风口4套测试颗粒物浓度温湿度传感器和4套NO2浓度传感器，通过对比进出风口数据，得出空气净化效率。

表1 测试仪器

3 试验结果

本次测试时长为两周，通过测试得到不同时段PM1、PM2.5以及PM10三种污染物浓度的平均值，同时分析对比净化前后空气质量及净化效率，研究ESP系统的净化效果，为后期静电除尘系统在国内的公路隧道中的应用提供一定的理论基础。

3.1 早高峰时段（7:00～9:00）PM1、PM2.5、PM10平均浓度分布情况

图2、图3为早高峰时段，即7:00～9:00时段内PM1、PM2.5、PM10三种污染物净化前后平均浓度分布对比图。从图1可以发现，在净化前，三种污染物的浓度值都较高，且随着时间的推移，隧道内污染物的含量逐渐增多，平均浓度逐渐增大，在8:20～8:30时间段内三种污染物的平均值都达到了最大，PM1的平均值达到了约42mg/m³，PM2.5的平均值达到了约60mg/m³，PM10的平均值甚至达到约72mg/m³。这是因为在这段时间是上班的主要时段，隧道内行驶的车辆较多，使得隧道内污染物迅速增多。从图3可以看到，在净化后，三种污染物的浓度值有了明显降低，在8:00之前三种污染物的平均值基本处于10mg/m³以下，与净化前一样，因为上班高峰期，所以8:20～8:30时间段内三种污染物的平均值依旧是最大，但是净化后该时间段内的三种污染物的平均值已经大幅降低，最大的PM10的平均值也只有约15mg/m³。

图2 净化前早高峰时段污染物平均浓度分布图

图3 净化后早高峰时段污染物平均浓度分布图

3.2 低谷时段（11:00～13:00）PM1、PM2.5、PM10平均浓度分布情况

图4、图5为低谷时段，即11：00～13：00时段内PM1、PM2.5、PM10三种污染物净化前后平均浓度分布对比图。从图4中可以看出，净化前，低谷时段三种污染物的浓度均大于早高峰时段的平均值，这是因为此时测得的污染物浓度值即为上午与中午的累积，且可以看到在12:00与12:30出现了2次峰值，在12:00时，PM1的峰值达到50mg/m³，PM2.5最大值则为62mg/m³，PM10的峰值达到了75mg/m³。净化后可以看到，随着时间的推移，三种污染物的平均值没有较大的波动，12:00的峰值也已经减弱，虽然三种污染物仍在12:30达到了最大值，但是整体的均值有了大幅降低。

图4 净化前低谷时段污染物平均浓度分布图

图5 净化后低谷时段污染物平均浓度分布图

3.3 晚高峰时段（16:30～19:00）PM1、PM2.5、PM10平均浓度分布情况

图6、图7为晚高峰时段，即16:30～19:00时段内PM1、PM2.5、PM10三种污染物净化前后平均浓度分布对比图。

图6 净化前晚高峰时段污染物平均浓度分布图

图7 净化后晚高峰时段污染物平均浓度分布图

从图6可以看出，在净化前，三种污染物整体的均值没有较大的波动，处于较平稳的状态，且相较低谷时段，三种污染物的均值也有所下降，这表明晚高峰时间段内射流风机已开启。而净化后的污染物平均值也相应地继续降低，PM1的平均值基本维持在6mg/m³左右，而PM2.5的均值基本处于9mg/m³左右，PM10的均值虽然较大，但整体也在12mg/m³左右。

3.4 净化前后空气质量对比

图8～10为两周内测得净化前后的PM1、PM2.5以及PM10的平均值对比图。从图中可以看出，净化前（即进风口处）的PM1的平均值大约在20左右波动，而PM2.5的平均值则主要集中在30左右波动，PM10的平均值波动的范围则略大。

图8 净化前后PM1平均值对比图

在使用静电过滤器后，（即出风口处）三种污染物的值均有明显的降低，且PM1、PM2.5以及PM10平均值基本都是在10左右波动，这表明静电过滤器的净化效果较好。

图9 净化前后PM2.5平均值对比图

图10 净化前后PM10平均值对比图

3.5 空气净化效率

通过对比上述两周内测得的进出风口数据，可以得出三种污染物的空气净化效率。图11为PM1、PM2.5以及PM10的空气净化效率对比图。从图11分析可以得到，无论是PM1，还是PM2.5与PM10，这三种污染物的净化效率整体基本都处于70%～80%，说明整体的净化效果明显，即表明本文所选用的静电过滤器的性能较好。

图11 三种污染物净化效率对比图

4 结语

本文设计了静电除尘空气净化系统，将其用于上海北横公路隧道中，利用仪器测试得到了不同时段净化前后PM1、PM2.5以及PM10的浓度分布情况，以及两周内三种污染物的平均值，同时分析对比了净化前后的空气质量以及净化效率，研究结果表明：

（1）不同时段内PM1、PM2.5、PM10三种污染物的分布情况不同。净化前，在早高峰时段，尤其是八点半左右，隧道内三种污染物平均浓度达到最大；而低谷时段，由于上午隧道内污染物的累积，使得三种污染物的平均浓度持续增大；晚高峰时段，三种污染物的平均浓度有明显的降低，这是因为晚高峰时段射流风机开启；净化后，无论是哪个时段，三种污染物的均值都有大幅度的降低。

（2）净化前（即进风口处）的PM1的平均值大多在20左右波动，而PM2.5的平均值则主要集中在30左右之间，PM10的平均值则略大。

（3）在使用静电过滤器后，（即出风口处）三种污染物的值都有明显的降低，且PM1、PM2.5以及PM10的平均值均在10左右波动，表明静电除尘器的净化效果较好。

（4）无论是PM1，还是PM2.5与PM10，这三种污染物的净化效率整体基本都处于70%～80%，说明整体的净化效果较明显，即表明本文所选用的静电设备性能较好。

本文重点研究的是静电除尘空气净化系统的净化效果，但是国内的研究中对于静电除尘的应用较少，因而缺乏与静电除尘系统相关的规范标准。在后续的研究中，可以完善静电除尘系统的设计规范及行业标准，进一步优化静电除尘的设计，从而提高净化效率。