铁路隧道养维护作业空气环境综合整治技术研究

王 祺，王晓斌，卢晓东，李 刚

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

随着铁路运营里程的不断增加，铁路设施日常运营养护的工作量也日益增加，大量燃油养维护机械投入使用，排放出对人体健康有害的大气污染物，主要包括颗粒物、氮氧化物、一氧化碳等，特别是在大气污染物不易扩散的铁路隧道中，养维护机械排放污染物对养维护人员健康的危害应重点关注。为此，调研我国铁路隧道养维护作业涉及的主要作业内容及检测各作业内容产生的主要污染物，通过查阅我国铁路隧道空气环境涉及的主要国内外污染控制标准和技术研究现状，根据污染物的种类确定不同的技术治理方案，为铁路长大隧道养维护作业空气环境综合治理技术研究提供参考。

1 铁路隧道养维护作业基本情况

根据大气污染物的种类不同将养维护作业分为两类：一是以粉尘污染为主的隧道病害整治作业，二是以一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物等大气污染物为主的铁路隧道线路综合整修作业。

1.1 隧道病害整治作业

（1）主要工作内容。隧道病害主要有限界不足、衬砌结构裂损、渗漏水等病害，主要工作内容为治水稳固岩体、锚杆加固岩体、注浆加固围岩、回填和换填、衬砌结构的更换与加固等。

（2）主要工艺流程及设备。隧道病害整治作业的特点是以粉尘污染为主，其中衬砌结构更换污染最为严重，特别是干法喷锚，衬砌结构更换的主要工程流程：凿除旧衬砌(电锤钻)→锚杆→焊接钢筋网(电焊机)→喷锚(搅拌机、注浆泵、空压机和发电机组)。隧道病害整治作业使用的主要设备为电锤钻、搅拌机、注浆泵、电焊机、空压机、发电机组等。

（3）主要大气污染物。隧道病害整治作业采用的主要设备为电锤钻、搅拌机、注浆泵、电焊机、空压机、发电机组等，这些小型设备一般采用外接电源，不排放大气污染物，主要污染源为凿除旧衬砌、打锚杆、喷锚等作业产生的大量粉尘。经调研可知，一氧化碳、氮氧化物等大气污染物未检出，而粉尘超标严重。

1.2 隧道线路综合整修作业

（1）主要工作内容。隧道内线路整修作业主要包括线路捣固、线路清筛、拨正曲线、更换轨枕、打磨钢轨、更换钢轨等。

（2）使用的主要设备。使用的设备可分为铺轨机械、捣固机械、道岔筛查机械、配碴整形机械、道床夯实机械及其他。

（3）主要大气污染物。铁路隧道内线路的养维护作业产生的大气污染物主要分为2 个方面：一是使用以柴油为动力的大型、小型机械产生的一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮和粉尘；二是线路捣固、清筛、轨枕打磨等作业时产生的粉尘。由于隧道内的作业环境相当于封闭或半封闭的空间，一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮和粉尘的浓度随着时间的累计，浓度不断增加，导致一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮和粉尘超标严重。

2 国内外污染控制标准及技术研究现状

目前国内外针对铁路运营期隧道空气污染方面的研究还处于初步阶段，主要研究内容为有害气体及颗粒物的组成、浓度分布、影响因素，以及有害气体和颗粒物的允许浓度标准等方面，其中大部分针对内燃机车排放造成的空气污染，针对电气化铁路运营期隧道空气污染的研究鲜有报道。但是，针对城市隧道空气污染治理的研究相对较多，由于城市隧道空气污染是由机动车尾气中的空气污染物造成的，而主要空气污染物为一氧化碳、颗粒物、氮氧化物、二氧化硫和碳氢化合物等，与铁路长大隧道养护作业机械排放的空气污染物基本一致。城市隧道空气污染治理主要以通风和污染空气净化为主，其中通风是利用管道通过抽气泵的方式从隧道外部抽取未被污染空气对空气污染物进行稀释的方法，污染空气净化是通过轴流风机抽取污染空气进入净化设备，通过吸附或水洗去除隧道内的空气污染物，减轻隧道内机动车尾气对隧道内空气环境的影响。污染空气净化是目前国内外最常用的隧道空气治理技术[1]，主要用于隧道内空气除尘和氮氧化物处理技术的开发和应用，一氧化碳一般采取空气稀释的方式进行控制。因此，城市隧道空气污染治理成果对铁路长大隧道养维护作业空气环境治理具有一定的借鉴意义。

2.1 国外污染控制标准和技术研究现状

2.1.1 污染控制标准

2011 年11 月，欧盟委员会颁布了2011/88/EU 指令，即通常所说的欧6 大气污染物排放标准。该指令于2013 年1 月1 日起正式实施，适用于全功率、用于轨道牵引用机车(RLL 类)及动力车厢(RLR 类)的发动机。

美国于2004 年5 月发布了Tier4 非道路排放标准，适用于新生产和再制造的轨道机车和机车内燃机。

2017 年3 月，印度中央污染控制委员会向国家环境与森林部提交了柴油机车的排放标准提案，包括2套限值标准，分别适用于美国机车公司Alco型机车和高马力的EMD 型机车。标准提案中关于排放认证、测试和在用检测的方法主要参考美国铁路行业相关实践经验。

2.1.2 技术研究现状

国外从20 世纪40 年代开始对隧道内主要空气污染物的组成、浓度、空间分布范围进行研究，通过对隧道内空气环境的检测，采取模拟的手段对隧道内空气污染影响因素、污染物浓度限值、污染物对人体健康的影响、隧道内空气环境质量改善措施等进行了研究[1]。在隧道内空气环境处理技术研究和应用方面起步较早的国家是挪威和日本，已在多条城市隧道中采取了静电除尘器装置和氮氧化物处理装置，取得了较好的隧道空气净化效果。目前，在多个国家开展应用的静电除尘装置的运行效率达到80%以上，现有隧道内氮氧化物净化技术分为过滤、分解和直接摄取3 种方法[2]。

日本开发的吸附式氮氧化物处理装置应用于Cen‐tral Circular Shiniyuka隧道，对氮氧化物的脱除效率达到90%[1]；开发的“脱氮氧化物子系统”，通过利用表面涂覆氢氧化钾(KOH)的活性炭，与氮氧化物进行吸收中和反应，能够有效脱除氮氧化物，稳定运行时间长达8 个月。意大利罗马某隧道[2]釆用TiO2和ZnO 作为光催化剂，将TiO2和ZnO加入建筑材料中做成光催化涂料，喷涂于隧道内表面，同时配备紫外线光照系统以降解隧道内的有害物质，该处理系统对氮氧化物的去除率不高。

挪威的隧道空气净化公司采用“大型轴流风机+机械预过滤器+静电除尘器+氮氧化物净化系统+自动水洗系统+废水处理系统+控制系统”的处理方案[3]。其中，机械预过滤器采用网格式或迷宫式结构，利用惯性原理从空气中分离2 μm以上颗粒，效率达到98%以上；静电过滤器采用不锈钢和铝制造，模块化设计，可以符合旁通截面下的风速和效率要求，细小的颗粒物被电场电离带上电荷并被后续极板捕捉，整个过滤过程阻力非常小；氮氧化物净化系统采用特制活性炭去除氮氧化物，氮氧化物去除率达到80%～85%；自动水洗系统包括水箱、清洗剂罐、加热罐、泵阀系统及清洗过滤器的管路喷嘴系统，自动清洗后的水存放在污水槽内供循环使用；废水处理系统在远程监控下完全自动运行，能够沉淀分离回收受污染的水并进行有效杀菌消毒，可以自动进行废水处理和循环使用，该系统可以去除99.9%的杂质、化学品和细菌。

2.2 国内污染控制标准和技术研究现状

2.2.1 尾气污染控制标准

2005 年5 月，原环境保护部与原国家质量监督检验检疫总局联合发布《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》(GB 17691—2005)。该标准于2007 年1 月1 日 实施，从2017 年1 月1 日开始全面实施第5阶段标准。

2014年，原环境保护部针对移动污染源陆续颁布实施《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》(GB 20891—2014)和《非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》(2014 年第92 号公告)，明确规定铁路内燃机车排放大气污染物排放系数执行国Ⅰ前标准。

2016 年10 月，原环境保护部发布《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段）》(征求意见稿)，该标准于2020年1月1日实施。

2013 年2 月，北京市环境保护局与北京市质量技术监督局联合发布《非道路机械用柴油机排气污染物限值及测量方法》(DB 11/185—2013)，该标准于2013年7月1日开始实施。

2015 年4 月，深圳市环境保护局与深圳市质量技术监督局联合发布《在用非道路移动机械用柴油机排气烟度排放限值及测量方法》(SZJG 49—2015)，该标准于2015年7月1日开始实施。

2016 年4 月，上海市环境保护局与上海市质量技术监督局联合发布《在用非道路移动机械用柴油机排气烟度排放限值及测量方法》(DB 31/981—2016)，该标准于2016年7月1日开始实施。

2017 年6 月5 日，国家铁路局发布《牵引动力装置用柴油机排放实验》(TB/T 2783—2017，2018 年1月1日实施)的铁道行业标准，规定了铁路牵引用柴油机排放污染物的限值和检测方法。

2021 年12 月，《铁路内燃机车及其发动机排气污染物排放限值及测量方法(草案)》已完成第五版草案，目前正在征求意见中。

2.2.2 隧道污染控制标准

目前，适用于铁路隧道并现行有效的控制标准有《铁路运营隧道空气中机车废气容许浓度及测试方法》(TB 1912—2005)、《工作场所有害因素职业接触限值第1 部分：化学有害因素》(GBZ 2.1—2019)及《铁路隧道运营通风设计规范》(TB 10068—2010)。

《铁路运营隧道空气中机车废气容许浓度及测试方法》规定了铁路运营隧道空气中机车废气的容许浓度及测试、计算方法，内燃机车运营隧道内的氮氧化物和一氧化碳的日均浓度、15 min时间加权浓度，内燃机车运营隧道机械通风停止时隧道内的氮氧化物、一氧化碳容许浓度。该标准适用于海拔3 000 m 以下地区铁路运营隧道空气中机车废气的卫生监测和通风设计，但没有对粉尘的容许浓度进行规定。《铁路隧道运营通风设计规范》(TB 10068—2010)在前述标准的基础上，结合长大隧道通风关键技术的研究，对运营隧道内的空气卫生及温湿度环境标准进行了修订，增加了石英粉尘和动植物性粉尘的隧道标准。运营隧道空气卫生及温湿度环境标准如表1所示。

表1 运营隧道空气卫生环境标准

2.2.3 技术研究现状

我国对隧道内空气环境污染物的研究始于20世纪60 年代，主要研究方向为隧道内空气污染物的组成、浓度、空间分布范围，以及隧道内空气环境的评价与控制措施等方面。林志勇[4]对公路隧道中通风措施、静电除尘效果进行了研究。苏振中[5]研究了高速公路隧道内的通风除尘设施等问题。任明亮等[6]采取数值模拟的方法，通过理论分析，对城市道路隧道内风力的形成机理，以及气体的流动特性、空气污染物的处理技术等展开了深入的探讨。姚伟等[7]和王恩丞等[8]详细介绍了国内外城市隧道内空气污染物的净化技术。罗慧等[9]对静电除尘设备应用于我国城市隧道中的可行性进行分析和研究。夏永旭[10]、赵琦等[11]、李宏晋[12]对特长隧道内通风存在的技术问题进行优化，对隧道内空气环境质量监测进行研究。纳米技术及应用国家工程研究中心等单位[13]研发了在常温条件下一氧化碳净化催化剂、高效碳氢化合物与氮氧化物的吸附材料，通过模拟实验平台，实现了集高效静电除尘、一氧化碳常温催化氧化、碳氢化合物和氮氧化物吸附净化为一体的技术，同时兼顾喷淋清洗、数据检测与采集、自动控温、污染源模拟发生、风量可控和各净化材料装填量可调等功能，颗粒物的去除率达到90%以上，一氧化碳的去除效率达到80%以上，对一氧化碳、总碳氢化合物和二氧化硫的净化率分别达到80%、65%和98%，有效降低了隧道排风口周边区域的空气污染，其净化设备成功地在世博园区打浦路隧道3 号风塔和翔殷路隧道浦东出口处进行了空气污染物排放治理应用工程示范。

3 铁路隧道养维护作业空气环境综合整治技术方案比选

3.1 隧道病害整治作业处理技术方案比选

铁路隧道病害整治作业主要污染源为凿除旧衬砌、打锚杆、喷锚等作业产生的大量粉尘。根据现场监测结果可知，一氧化碳、氮氧化物等大气污染物不超标，而粉尘超标严重。常见的粉尘处理技术主要有电除尘、布袋除尘、湿式除尘和干式旋风除尘等，常见的粉尘处理技术优缺点比较如表2所示。

由于铁路隧道病害整治作业产生的粉尘漂浮在隧道空气中且粉尘浓度较高，隧道无外接水源条件，对照表2 常见的粉尘处理技术比较，干式旋风除尘器适合用于对铁路隧道病害整治作业产生的粉尘进行处理。综合比较，建议采用可组合式干式除尘器进行除尘，干式除尘器内设置过滤芯片用于过滤除尘，配备负压风机和连接风管进行抽风，配备空压机和压缩空气罐对过滤芯片进行脉冲反清洗以清除灰尘，配置灰尘除尘灰斗和灰尘输送机进行灰尘输送，配备电控柜进行所有仪器的控制。

表2 常用粉尘处理技术比较

主要工作原理为粉尘通过除尘器的进风口进入干式除尘器，由内置的高分子复合过滤板截留灰尘进行气固分离，净化的空气被吸入风机并排出。吸附在高分子复合过滤板上的粉尘通过脉冲阀利用压缩空气反吹，粉尘掉入除尘器箱体灰斗内，最后通过粉尘输送机排出。

3.2 铁路隧道养维护机械排放尾气后处理方案

目前我国绝大部分铁路隧道为电力机车牵引隧道，铁路隧道内线路综合整修作业主要污染源为大型养维护机械排放的尾气和作业时产生的粉尘，其余小型手持机械一般采用电力驱动，人工辅助作业产生的粉尘极少。对大型养维护机械安装尾气后处理装置，在大型养维护机械作业位置布置灰尘收集装置，收集后通过除尘装置集中处理，可以有效降低电力机车牵引隧道内线路综合整修作业产生的大气污染物。

目前，商业上使用比较成熟的柴油机尾气处理技术有选择性催化还原器(SCR)、颗粒捕集器(DPF)和氧化催化器(DOC)，以及采用上述技术相结合的综合治理技术路线组成不同的处理模块。结合铁路养路机械设备的结构特点和使用要求，根据目前我国柴油机尾气处理技术的商用情况，建议尾气后处理装置采用氧化催化器(DOC)+颗粒捕集器(DPF)+选择性催化还原器(SCR)组合系统。其中，DOC 能够氧化未完全燃烧的碳氢化合物和一氧化碳，降低为未完全燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排放；DPF能够吸附颗粒物，降低吸附颗粒物的排放；SCR能催化还原氮氧化物，降低氮氧化物的排放。

灰尘处理装置采用干式除尘装置，干式除尘器内设置过滤芯片用于过滤除尘，配备负压风机和连接风管进行抽风，过滤芯片定期更换。

3.3 铁路隧道养维护作业空气环境综合整治技术方案比选

目前我国铁路存在极少内燃机车隧道，内燃机车隧道内线路综合整修作业大气污染物主要来源于大型养维护机械排放的尾气和作业时产生的粉尘，其次为内燃机车通过隧道及小型机械作业时排放的大气污染物。

大气污染物的主要成分为一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮和粉尘。对大型养维护机械安装尾气后处理装置及对作业位置布置灰尘收集处理装置，虽能够有效降低隧道内大污染物的浓度，但不能从根本上解决问题，本次研究拟采用空气净化设备对养维护作业时铁路隧道内的空气环境进行净化。常见的一氧化碳、氮氧化物理技术主要有选择性催化还原器(SCR)、氧化催化器(DOC)、颗粒氧化型催化器(POC)、颗粒捕捉器(DPF)、低温等离子体技术等。常见的一氧化碳、氮氧化物处理技术比选如表3所示。

表3 常见的一氧化碳、氮氧化物处理技术比选

由于选择性催化还原器(SCR)、氧化催化器(DOC)和颗粒氧化型催化器(POC)处理技术均有温度工作区间，在常温下对一氧化碳和氮氧化物作用甚小，而颗粒捕捉器(DPF)只对颗粒物有处理效果。因此，研究建议采用滤筒过滤除尘+静电除尘处理粉尘，采用双层双介质阻挡放电低温等离子体技术处理隧道内空气中的粉尘、一氧化碳和氮氧化物等大气污染物，后配套深度氧化器处理反应过程中产生的臭氧，中间配备贵金属催化剂，配备负压风机和连接风管进行抽风，配备一氧化碳气体作为还原剂，设计还原剂智能控制系统，配备手动控制电控柜。

4 结论与建议

4.1 结论

本次研究查阅了我国铁路隧道空气环境涉及的主要国内外污染控制标准和技术研究现状，调研我国铁路隧道养维护作业涉及的主要作业内容及检测各作业内容产生的主要污染物。根据查阅相关研究资料、现场踏勘及检测结果，对目前各种污染物涉及的主要处理技术进行研究，针对不同的养维护作业及不同的大气污染物，经过技术方案比选，确定了以下集中技术方案。

（1）隧道病害整治作业技术方案采用干式旋风除尘处理工艺。

（2）养维护机械后处理技术方案采用“DPF+DOC+SCR”组合处理工艺。

（3）空气环境综合整治技术方案采用“滤筒过滤除尘+静电除尘+双介质阻挡放电等离子体技术+深度氧化消除臭氧”处理工艺。

4.2 建议

（1）建立和完善铁路行业移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法。由于目前我国相关大气污染排放标准中尚无铁路行业移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法，并且近年来关于铁路大气污染防治及养维护人员身体健康越来越受到关注，迫切需要出台相关的铁路行业标准加以规范。

（2）对铁路隧道养维护作业空气环境综合整治，建议对移动机械用柴油机大气污染物排放开展治理，对移动机械用柴油机尾气采取后处理装置进行净化。