背景技术
随着经济发展,城市交通矛盾日益突出,城际间的交通需求也日益上升,道路隧道成为解决交通矛盾的一个有利手段,成为交通设施的重要组成部分。根据交通需要,各区域往往需要设置快速道路***加以沟通。实现沟通常用的方法是采用高架桥梁道路形式,而该形式带来了城市景观、噪声、建设拆迁量大的问题。为了克服其缺点,有必要采用道路隧道的形式。对于穿越山岭、大江、大河、海峡、跨海等隧道,穿越距离较长,势必要修建较长的道路隧道。为了利用汽车行驶的活塞风通风力,减少通风***能耗,道路隧道普遍采用隧道内汽车单向行驶的单向交通隧道。
由于隧道均为全封闭结构,隧道内空气中含有车辆排放的粉尘颗粒物(PM)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和碳氢化合物(HC)等主要污染物。隧道空气中的颗粒物PM会引发血淋巴细胞的染色体畸变;CO因其与人体血红蛋白结合,直接减低血液带氧量,使人出现头痛、昏睡、失去平衡的感觉,浓度过高时会导致死亡;HC会致畸、致癌、致突变,并引发光化学烟雾;NOx会损害视觉、呼吸***,引起窒息,也会导致酸雨,引发光化学烟雾。隧道内的污染物沿着隧道车行方向越来越高,隧道较长时容易超标,如不及时排放,将严重影响隧道内驾乘人员的行车安全和身体健康。
道路隧道内的污染物沿着隧道车行方向,在隧道内部某处污染物浓度超过浓度限值时,需要在该处设置集中排风井将污染空气排出隧道,通过高风塔在大气中稀释达到相关排放标准的要求。隧道较长时,需要设置多处排风井、排风塔,如2007年底通车的日本的首都高速城市中央环状新宿线工程长11km,设置了9座高约50m的排风塔。
对于大量通行柴油车(货车、公共汽车等)的长隧道,其排放的颗粒物PM易使隧道能见度降低,带来不利于驾驶的隧道内环境。国际上对于这类长隧道在隧道内局部设置一处或多处隧道侧线旁路、顶部或下部除烟雾***,以减少隧道内的烟雾浓度,改善隧道内的能见度,而不需要设置过多的排出地面的排风井,以减小工程投资。但由于CO、NOx、SO2、HC未经过净化处理,仍然会在隧道内某处超标,因此,沿隧道仍需要设置排风井、排风塔排除隧道内的有害物。
在隧道口和风井、风塔周围有大量环境敏感点时,采用风塔高空排放也无法解决隧道外环境影响问题时,国外尤其是日本,出现了采用去除隧道污染空气中颗粒物PM的静电除尘装置ESP、去除仅占NOx 5%~10%的NO2脱硝净化装置。日本专利申请JP4346852和JP5015810分别公开了两种隧道静电除尘器,根据隧道的大小、通风设计、所需风量等需求,采取大型独立机房布置方式、隧道侧线布置方式和隧道顶部布置方式。上述装置安装于隧道集中排风***中,污染空气经部分污染物(PM、NO2)净化,其它NO、HC、SO2有害物未经处理,仍然需要通过排风井、风塔高空排放。
对于目前隧道内部仅成功应用的ESP***,确定其安装数量、规模及布点的方法是只要隧道内部某处烟雾、PM超标,该处就设置ESP***,增加能见度,一旦某处CO或其他NOx超标时就设置风塔,对污染空气加以集中对外排放。控制的内部污染物仅仅为一种。如果采用多种污染物(PM、CO、NOx、HC等)净化***,还没有确定***安装数量、规模、净化设备种类及布点的方法。
另外,可以在隧道内部布置多种污染物(PM、CO、NOx、HC等)净化***,使隧道出口的污染物浓度达到或接近室外大气环境标准,但这一作法还没有见到应用,更不会有确定***安装数量、规模、净化设备种类及布点的相应方法。
综上所述,现有的道路隧道,无论隧道长短,还没有在隧道内部设置采用多种污染物(PM、CO、NOx、HC等)的净化***,也没有确定***安装数量、规模、净化设备种类及布点的通用方法。
发明内容
本发明提供了一种确定道路隧道采用污染物净化通风***的数量及布点的通用方法。
本发明的道路隧道采用污染物净化通风***的数量及布点的通用方法,是根据隧道内部污染物控制浓度标准,在隧道内部设置污染物净化通风***,使隧道内部污染物浓度不超标;或根据隧道外部大气污染物环境标准、污染物控制排放量,在隧道内部设置污染物净化通风***,使隧道对外排放的污染空气的影响满足外环境空气质量标准或环境评价要求。
本发明提供的确定道路隧道采用隧道内部设置污染物净化通风***的数量、规模、净化设备种类及布点的通用方法,不受隧道长度限制,不受污染物种类限制。弥补了多污染物、多净化通风***确定***数量、规模与布点的方法,并形成通用的方法,涵盖了目前单一污染物的净化通风***。
具体地,本发明的道路隧道采用污染物净化通风***的组数确定与布点的方法,包括:通过下述公式计算得到所需设置的所述污染物净化通风***的组数N和间距Sj,使隧道空气污染物浓度可满足隧道空气污染物浓度控制标准,或使隧道对外排放的空气达到大气污染物环境标准或环境评价要求:
且
其中,
i为污染物种类序号,i=1、2、3、......m;如i=1代表第1种污染物CO,i=2代表第2种污染物烟雾,i=3代表第3种污染物NOX,i=4代表第4种污染物HC,i=5代表第5种污染物PM,......i=m代表第m种污染物;
j为所述污染物净化通风***的序号,j=1、2、3、......n;如j=1代表第1组,j=2代表第2组,......j=n代表第n组;
r为抽风比,为无量纲数,是通过所述污染物净化通风***的风量与隧道通风量Q的比值;Q为流入隧道的新风量,单位m3/s,是车辆在某一车速Vk下运行时的活塞风与机械通风、自然风共同作用产生的隧道内纵向实际通风量,Vk的单位km/h;其中机械通风是指隧道***流风机、净化通风***风机(全开)、通风竖井内大型集中通风机部分或全部开启通风;
η为污染物净化效率,为无量纲数,为污染物通过所述污染物净化通风***,净化前后污染物浓度差与净化前污染物浓度的比;
L为所述隧道的长度,单位m;
l为j 1到j2点的隧道段的长度,单位m,j 1和j2分别为第j个所述净化通风***的净化抽风口点和净化排出口上游离排出口最近的点;
Si为相邻的所述污染物净化通风***的进风口和排风口的间距,S1为隧道口与第一个所述污染物净化通风***的进风口的间距,单位m;S1、Sn+1隧道段分别与进洞口、出洞口相连接;
为所述第j个污染物净化通风***的所述隧道空气污染物i在j1点的浓度与所述隧道空气污染物i浓度限值D
ilim的浓度比,为无量纲数;
为所述第j个污染物净化通风***的所述隧道空气污染物i在j2点的浓度与所述隧道空气污染物i浓度限值D
ilim的浓度比,为无量纲数;
为所述隧道空气污染物i在隧道出口的浓度与所述隧道空气污染物i浓度限值D
ilim的浓度比,为无量纲数;
其中Dilim是在车速Vk时隧道内部的污染物浓度控制标准,可以是设计标准也可以是环境污染的控制浓度,单位mg/m3;
为在车速V
k时所述污染物i的第j组所述污染物净化通风***的出口下游段Sj+1与S1段的各坡度修正系数按长度的加权平均值比;
BiS1为所述污染物i在车速Vk时S1段的系数。
在本发明的方法中,公式(1)至(3)是根据质量守恒定律,在某一车速Vk时,由于j1到j2点的隧道段长度l较短,一般取5m~50m,l的长度与抽风比r成正比,假设其污染物产生量沿l的长度变化率与长度为S1的11点到in点隧道段相同的情况下得到的;
公式(4)是这样得到的:
根据JTJ026.1《公路隧道通风照明设计规范》和DG/TJ08-2033《道路隧道设计规范》等相关规范提供的隧道污染物排放计算公式,设Q
iS1为机动车车流以速度V
k通过隧道时,S1段内车流污染物的产生量,单位mg/s。Q
iS1为S 1的函数,设B
iS1为污染物i在车速V
k时S1段的系数,单位m
-1,
与S1存在正比关系:
即:
同时要求
在本发明的方法中,当j=n时,
即为隧道出口处的所述隧道空气污染物i的浓度与所述隧道空气污染物i浓度限值D
ilim的浓度比。
在车速V
K时,公式(1)~(4)一共2m·n+m+1个方程,有变量:n个
和r,n+1个S,m个隧道出口浓度比
η
i,共(2m·n+m+1)+2n+m个未知数,需要已知2n+m个,求解2m·n+m+1个未知数。
在本发明的道路隧道采用污染物净化通风***的组数确定与布点的方法中,在车速V
K时,一般r
j、η
i为已知数,可以先给定S1值,初步计算出n和n个
再求解n个
和m个隧道出口浓度比
再在此基础上,控制
和
的值,求解对应的S 1和
值。
在本发明的道路隧道采用污染物净化通风***的组数确定与布点的方法中,不同的车速VK对应一组所述公式(1)~(4)及相应的参数,通过与不同车速VK相应的各组公式(1)~(4),计算得到j值的最大值,取j值的最大值设为NA及其对应的S 1值为S1A、最小的S1值为S1B,各S2的最小值即最小的布置间距Sj(j>1)值为SM,在S1A和S1B之间按照SM补充设置NB组净化通风***,则隧道内布置所述各污染物净化通风***的最大组数N=NA+NB。
在本发明的道路隧道采用污染物净化通风***的组数确定与布点的方法中,在道路隧道的不同运行时期(如初期、近期、远期的运行年限)对应不同的污染物净化通风***组数N和各相应参数,选取合适的参数和组数进行***的配置。
在本发明的方法的一个实施方案中,如果出于节省投资等目的,在不考虑净化污染物i的情况下,
需要设置排风竖井排除所有污染物到隧道外的大气中,再设送风竖井送入等量的新风,可以看作是净化通风***的一个特例,其所有污染物i的净化效率η
i均为1。
在本发明的方法的另一个实施方案中,在所述污染物净化通风***的抽风比r≤0.5,j1到j2点的隧道段的长度l相对相邻的所述污染物净化通风***的间距Sj忽略不计,即取l=0m,所述隧道各点的坡度为0,所述各污染物净化通风***的r相同的情况下,所述污染物i的各
设为相同,且
所述各污染物i的净化通风***的S 1不相同,所述各污染物i的净化通风***的设置组数n不同,则由公式(5)得到n
i值,n
i为在车速V
K下所述污染物i的净化通风***的最小组数,
由公式(2)得到:
Sj=rηiS1,i=2~ni。
各Sj相等,即净化通风***为等间距布置;上式与公式(4)可以计算各Sj。
取ni(i=1~m)的最大值nZ作为在车速VK下,隧道内布置所述污染物净化通风***的最大组数,nZ对应的iz为车速VK下重点净化的污染物,iz对应BizS1和S1Z;
不同的车速VK下,对应一组公式(1)~(5)及相应的参数(Dilim、ni、BiS1、S1、iz、nZ、S1Z等参数)。各nZ的最大值设为NA,其对应的S1Z为S1A;各S1的最小值为S1B,各S2的最小值为SM,在S1A和S1B之间按照SM补充设置净化***NB,隧道内布置所述各污染物净化通风***的最大组数N=NA+NB。N由下式确定:
可见,当污染物的净化效率和抽风比越大时,隧道内布置的净化通风***就越少。需要重点净化的污染物iz需要全部布设,其他污染物灵活布置,有些净化***可以不设,即对应的效率ηi为0,以节省投资和运行费用。
在本发明的方法的具体实施中,可根据隧道外环境要求和隧道出口浓度比
的大小,确定是否在隧道出洞口设置集中排风井。
在本发明的方法中,所述的道路隧道包括地下道路、各种全封闭或部分封闭汽车行驶道路。
在本发明的方法中,所述污染物净化通风***包括与隧道相接的机械引风口,与机械引风口相接的机械引风管道、与机械引风管道相接的隧道污染空气净化装置,与隧道污染空气净化装置连接的风机,与风机连接的机械排风管道,与机械排风管道相连接机械排出口。所述污染物净化通风***的机械排出口与隧道相连接。
隧道污染空气净化装置4由高压静电除尘单元ESP、高效除NOx、HC、SO2单元和高效常温除CO单元及附属设备组成。隧道污染空气由排风机5收集引入机械引风管道3内,经隧道污染空气净化装置4净化处理,除去大量有害物质(PM、NOx、CO、HC、SO2)后,再排到隧道1内,继续稀释隧道内污染物。
在本发明的方法中,还应控制机械引风口2和机械排出口7之间的短道不产生回流,且机械排出口7设置导流装置顺气流排放污染空气。由于抽风比r小于1,短道内有空气向下游流动,理论上不会产生回流。当r接近于0时,短道长度l也接近于0m,控制短道长度l至少为5m,以防止回流;当r接近于1.0时,应加大短道的长度,控制短道长度l为50m,以防止回流。因此,短道长度即j 1到j2点的隧道段的长度l取5m~50m。
机械引风管道3、隧道污染空气净化装置4、排风机5和机械排风管道6可以位于长道路隧道1车行空间的侧面或顶部,与隧道的火灾烟气流经的空间8分别独立设置。烟气流经的空间可以是隧道本体也可以是独立设置的机械排烟风道。
使用本发明的方法,可将道路隧道内污染空气加以收集,通过在隧道车行空间限界外部设置的1组或多组污染空气净化***净化治理后,直接排到隧道内,稀释排放点下游的污染物,也可以直接排到大气中。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的道路隧道采用隧道内部设置污染物净化通风***的布点方法做详细说明。
在实施例中,采用抽风比r≤0.5的净化通风***,机械引风口2和机械排出口7之间的距离l=0m,隧道各点坡度为0;各净化通风***r相同,设各污染物i的各各污染物i的净化通风***的S1不相同,各污染物i的净化通风***设置组数n不同,则隧道内至少设置ni组污染物i净化通风***,由下式得到在车速Vk下污染物i净化***的最小组数ni值:
取ni(i=1~m)的最大值nZ作为在车速Vk下,隧道内布置所述污染物净化通风***的最大组数。iz对应BizS1和S1Z。不同的车速VK下,对应一组方程(1)~(5)及方程的参数(Dilim、ni、BiS1、S1、iz、nZ、S1Z等参数)。由各nZ的最大值得到NA,其对应的S1Z为S1A;各S1的最小值为S1B,各S2的最小值为SM,在S1A和S1B之间按照SM补充设置NB组净化通风***,隧道内布置所述各污染物净化通风***的最大组数N由下式确定:
下面,根据本发明的方法求解N和Sj的值,即确定道路隧道采用隧道内部设置污染物净化***的数量、规模、净化设备种类及布点。
隧道长2089m、设计车速40km/h、车流量1693辆/h、横断面面积51m2,车种比例:小客车∶小货车∶大客车=70∶15∶15,对污染物CO、NOX、THC、PM、SO2净化,欲在隧道内布置多组污染物净化通风***,净化效率分别为0.85、0.8、0.62、0.9和0.95。通过控制隧道外污染物排放量来达到外环境要求,净化后隧道空气直接排出洞口,不需要设置风塔。
对于长500m的隧道,在正常、阻塞工况下,规范允许自然通风,污染空气可以从出洞口直接排出,阻塞工况的污染物排放量最大。本实施例各车速下的Dilim按满足隧道外污染物排放量不超过阻塞工况下污染排放量的24%和对外排放标准不小于外环境标准两个条件之一来取值。外环境标准为《环境空气质量标准》GB3095-1996及其2000年修订文件、《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996。车辆污染物排放量采用普遍应用的美国环保局提供的MOBILE6.2程序进行预测,计算结果见表1~3。
表1Vk=10km/h,Q=80m3/s,r=0.5,阻塞工况下的各参数
注:由于颗粒物有PM10的相关环境标准,因此以PM10代表PM进行计算。计算程序对PM10和SO2的排放量,只给出了各速度下计算值的均值,计算的铅排放量为0g/km,计算的醛类物排放量约为THC的0.014倍,可以忽略不计。
表2Vk=20km/h,Q=119m3/s,r=0.336,慢速工况下的参数
表3Vk=40km/h,Q=224m3/s,r=0.179,设计工况下的参数
由表1~3的计算结果可得到:最大的ni为nA=11,对应的i=2,代表NOx,iz=2,即NOx为重点净化污染物,其次为CO或THC,其他PM、SO2设置的组数较少,尽管给出了均值,由于处理效率高,不是净化的主要对象。最小的S1为S1B=501m,与iz对应的S1A=814m,SM=116m。
因此,使用本发明的方法计算得到N=14,单机净化风量为40m3/s,在上述隧道中,从S1=514m开始,布置14组污染物净化通风***。
优选污染物净化通风***中的隧道污染空气净化装置4采用CN101530828A中的方法得到的装置。具体地,该装置由高压静电除尘单元、氮氧化物NOx和总碳氢THC吸附/中和净化单元和CO常温催化净化单元及附属设备组成。隧道污染空气净化装置4的各个处理单元如下:
1)高压静电除尘单元
采用管极式双区静电场结构高压静电除尘单元,隧道污染空气经过滤网、荷电区、集尘区、吸附网后,大量颗粒物PM得到去除。
2)氮氧化物NOx和总碳氢THC吸附/中和净化单元
吸附剂材料负载于整体式蜂窝载体上,用于NO/THC室温吸附,HC和NO扩散至吸附剂,被吸附在孔道内;碱液浸润/负载于整体式蜂窝载体,用于NOx中和净化。隧道污染空气经过蜂窝载体,所吸附的NOx和THC,大部分经化学反应、气相催化,生成无毒无害产物。
3)CO常温催化净化单元
采用蜂窝状负载型纳米金或钯等催化剂,即过渡金属氧化物改性的负载型Pd/C和Pd/Al2O3催化剂,催化剂粉体高效涂敷在整体式蜂窝载体上,能在低浓度、常温湿度和较高风速条件下工作。隧道污染空气经过整体式蜂窝载体,将CO在常温下直接催化氧化成CO2,降低空气中CO含量。
由于本实施例中使用的隧道污染空气净化装置4的各净化单元已在隧道中得到了一定规模的示范应用,实测数据(源于国家科技支撑计划《道路隧道空气治理关键技术研究及示范工程应用》项目)表明,颗粒物PM的净化效率>90%、NOx>80%、CO>85%、总HC>62%、SO2>95%,综合治理效率>82%。随着隧道空气净化技术的发展,不排除在本发明的方法中应用其它同等水平或更加高效的净化技术装置。