蜂窝型电气集尘器控制粉尘技术在铁路运营隧道的适用性研究

冯丽娟（中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京　100081）



蜂窝型电气集尘器控制粉尘技术在铁路运营隧道的适用性研究

冯丽娟
（中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京100081）

摘要铁路运营隧道内通常采用通风排尘净化空气，但在长大隧道中效果不好。蜂窝型电气集尘器（HEP）是在电除尘器的沉淀极与电晕极上形成一个高压电场，使尘粒子带电并积聚于沉淀极，除尘效率＞90％。本文从HEP构造、原理、除尘效率的影响因素、社会效益和经济效益等方面分析了HEP在我国铁路运营隧道应用的可行性。结果表明:目前在货运隧道采用HEP除尘并不可取，但是在高速铁路、客运专线隧道采用HEP技术可行，但应在运营前安装。

关键词隧道；粉尘；通风排尘；蜂窝型电气集尘器

随着我国铁路建设的大规模进行，隧道占线路长度比可达10％以上，平均单座隧道的长度也在增加。在运营隧道中存在的主要危害人体健康的理化因素为行车产生的各种有害气体、粉尘、各种垃圾、放射性污染等。铁路运营隧道内的粉尘主要来自柴油机的废气颗粒物和各种煤车、水泥车、矿石车等行车造成的二次扬尘。目前，在运营隧道中采用的防尘措施通常是通风排尘，但是其在长大隧道中的效果不明显，物理稀释不能达到净化治理的目的，同时需要耗费大量的能源，而且容易造成二次扬尘。

静电除尘是一种利用电场产生的静电力使尘粒从气流中分离的技术，目前已经广泛应用于火力发电、冶金等行业的烟气除尘和物料回收，可用于隧道内降低粉尘浓度。HEP（蜂窝型电气集尘器）是在电除尘器的沉淀极与电晕极上，通以高压直流电，由于高压电场的作用，当含尘气体通过沉淀极与电晕极之间时，灰尘粒子带电，并在沉淀极沉淀，然后，清除沉淀极上的灰尘，除尘率可达90％以上。本文针对HEP在我国铁路隧道应用的可行性进行了分析。

1铁路隧道HEP控制粉尘技术

目前适用于铁路隧道并现行有效的控制标准有2005年修订颁布的《铁路运营隧道空气中机车废气容许浓度及测试方法》（TB /T 1912—2005）［1］，2007年修订颁布的《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》（GB Z2. 1—2007）［2］及2010年修订颁布的《铁路隧道运营通风设计规范》（TB 10068—2010）［3］。下面通过分析我国典型隧道空气颗粒物性质、分布和浓度，研究粉尘控制技术的适用性。

1. 1典型隧道空气粉尘监测及颗粒物分析

选择粉尘浓度较高的货运隧道（军都山隧道）进行空气粉尘监测，巡检工接触的粉尘为煤尘，检测结果见表1，隧道内粉尘分散度见表2。表1中呼尘为呼吸性粉尘，总尘为总粉尘。

调查发现，铁路运煤隧道中的粉尘浓度远超标准限值，96％都在粒径5 μm以下，2 μm以下粒径比例也较高，表明铁路运煤隧道内粉尘几乎都能进入人体肺深部和肺泡区，危害严重［4-6］。

1. 2 HEP在隧道中除尘原理及结构

HEP除尘原理见图1。其结构见图2。

HEP利用DC15 kV-20 kV的高压有效吸取普遍存在的PM10以下的各种灰尘。该设备维护简单，对细尘的吸尘效率高达90％，采用六角形蜂窝状结构，最大限度地增加单位吸尘面积，而且容易改变结构以适应放置环境的需要；白天以干洗方式清洗、夜间用水洗涤即可完全洗除污染物质，长时间保持最佳吸尘效率；采用静电中和装置，能防止细微粒子的粘附；可用无人全自动系统进行远程监控；吸尘时还可同时去除石棉、恶臭、细菌等其他空气污染；在20～30 m/s的高风速度下保持较高的除尘效率；双向吸尘可在运营干线自然通风口应用。

表1　隧道内巡检工接触粉尘情况

表2　隧道内粉尘分散度

图1　蜂窝式电气集尘器原理

图2　HEP结构

1. 3 HEP除尘效率的计算与分析

本文中根据厦门柔直系统运行特点，以及柔直输电通道与交流输电通道的耦合关系，分析含柔直系统的电网潮流优化控制目标函数，包括交流系统约束条件、柔直系统约束条件以及网损优化目标函数，介绍优化问题的求解流程和工程实现，并通过算例验证方法的可行性。

除尘效率是指同一时间内除尘装置去除的污染物数量与进入装置的污染物数量的百分比，可按照多依奇的管式电除尘器的效率公式（见式（1））进行计算。除尘效率是衡量除尘装置性能的主要技术指标。

式中：ω为尘粒的漂移速度；L为沉淀极长度；V为有效断面内的气体流速；R为沉淀极管内半径。

由式（1）可以看出，提高荷电尘粒向沉淀极的漂移速度、增加沉淀极的长度、减小有效断面内的气体流速、减小沉淀极管内半径都可以提高除尘效率。其中尘粒的漂移速度最不容易确定，除了受除尘器内的气体流速、气流分布、电极构造、荷电条件等因素影响外，还要受到气体的成分、温度、粘度、湿度、含尘浓度，粉尘的粒径分布、化学成分和比电阻的影响。尘粒的漂移速度可根据进出口含尘浓度计算得到。在实际应用中，一般都是利用实测出的除尘效率、已经确定的烟气量和除尘器的总面积来反算尘粒的漂移速度。

1. 4影响HEP除尘效率的因素

1）粉尘比电阻是衡量粉尘导电性能的一个指标，是影响除尘效率的重要因素。HEP除尘应提高对高比电阻粉尘的收集效率。铁路运营隧道内的粉尘主要是柴油机废气颗粒物，货运列车如煤车、水泥车、矿石车行车造成的二次扬尘和动植物粉尘等。通常情况下，高比电阻粉尘居多，即使同一粉尘在不同条件下其比电阻可相差几个数量级。对于铁路隧道的粉尘可通过增加湿度、升高温度、改变烟气成分等方式提高HEP的除尘效率，如在环境气候中加入3％～10％的水可使粉尘的比电阻降低1～2个数量级。

2）对于粒径5 μm以上的颗粒物其去除率可达90％以上、粒径0. 5 μm以上的颗粒物其去除率可达84％以上、0. 5 μm以下的颗粒物其去除率约为61％。铁路隧道颗粒物的粒径一般在40 μm以下，从对军都山隧道煤尘的检测结果来看，其粉尘粒径以5 μm以下为主，2 μm以下的近50％，HEP对2 μm以下的、人体危害大的颗粒物去除效率为61. 5％～86. 4％，除尘效果不理想（去除效率在90％以下即认为不理想）。

4）气体温度对HEP除尘效率也有一定影响，温度太高或太低都可影响除尘效率。隧道的气体温度一般不会超过50℃，可满足HEP对气体温度的要求。

5）气体流速对除尘效率也有影响。如果气体流速过高，已经积聚于沉淀极上的粉尘有可能重新回到气流中，产生二次扬尘。HEP夜间采用湿式除尘，尘粒不容易被高速气流卷走，可以满足HEP高流速的特点并提高除尘效率［7-11］。

1. 5 HEP在运营隧道的适用性

1）除尘器的结构形式也影响除尘效率。蜂窝式沉淀极为正六边形，可增大空气通过面积，节省占地空间。但对于已经运营的铁路隧道，考虑限界要求，难以解决安装场地。

2）目前静电除尘器已经在欧洲和亚洲的公路隧道得到广泛使用，而且比其他处理隧道废气的方法更加简便环保。在我国运营隧道采用HEP，在技术上是可行的。

3）我国铁路运营隧道通常采用通风的方式来改善隧道空气质量。通风费用主要包括2个方面：①修建隧道的各类通风设施所需的费用（如建造竖井的费用、购买和安装风机的费用等）；②隧道建成后运营通风设施的费用（如各类风机运转所需的电费、维护通风设施的费用等）。

4）采用HEP除尘，设备购置费及维护费用较大，而且在运营隧道中HEP的安装受场地和安全限界的限制，因此，目前我国铁路运营隧道不适合采用HEP除尘。

2　结论

从影响HEP除尘效率的因素、设备构造、设备安装场地、社会效益和经济效益等方面的分析，可以看出HEP在我国隧道内应用在技术上没有问题，但是从设备安装场地、购置费用和维护费用等方面考虑，在运营隧道采用HEP除尘并不可行。应把HEP安装场地、购置费用和维护费用等问题纳入隧道设计中统一考虑，因此，应继续研究应用HEP除尘的经济性，明确隧道建设和维护期发生的相关费用，尽快在我国铁路隧道内应用HEP除尘技术，净化隧道内空气质量，改善养护人员的工作环境。

参考文献

［1］中华人民共和国铁道部. TB/T 1912—2005铁路运营隧道空气中机车废气容许浓度和测试方法［S］.北京：中国环境科学出版社，2007.

［2］中华人民共和国卫生部. GB Z2. 1—2007工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素［S］.北京：人民卫生出版社，2007.

［3］中华人民共和国铁道部. TB 10068—2010铁路隧道运营通风设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2010.

［4］钟星灿，曾臻.自然通风公路隧道有害气体浓度分布［J］.铁道工程学报，2006（9）：44-49.

［5］施红生，赵亚林，任安绚.电气化隧道内有害气体污染的监测评价模式研究［J］.中国铁道科学，2002，23（1）：126-130.

［6］赵琦，许君，余家燕.等.特长隧道空气质量的调查研究［J］.三峡环境与生态，2011，33（1）：14-17.

［7］李晓红，雷玉勇，卢义玉，等.公路隧道空气净化的实验研究［J］.中国安全科学学报，1999，9（3）：64-68.

［8］吴开兴，郑玉卿.提高电除尘器效率的有效途径［J］.河北工业科技，2009，26（5）：424-427.

［9］蔺小力.电除尘器对低比电阻粉尘收集的研究［J］.环境科学与管理，2008，33（12）：102-104.

［10］蔺小力.电除尘器对高比电阻粉尘收集的研究［J］.内蒙古环境科学，2009，21（2）：24-26.

［11］中国铁道科学研究院.铁路隧道应用HEP设备去除粉尘的技术调查［R］.北京：中国铁道科学研究院，2012.

（责任审编葛全红）

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

中图分类号U453

文献标识码A

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

文章编号：1003-1995（2016）06-0073-04

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-03-20

作者简介：冯丽娟（1979—），女，助理研究员，硕士。