（环境工程专业论文）地铁隧道干式除尘工艺实验研究.pdf

捅要 摘要 世界城市人口迅速增加，导致车辆增多，给城市带来交通拥挤、环境污染与 能源危机等一系列问题。近年来，世界各大城市都在重点发展快速轨道交通系统。 地铁凭借运量大、速度快、安全和污染小等优势，受到现代化大城市的青睐，得 以迅速发展。但同时，地下空间的环境问题也逐渐显露出来。北京地铁一、二号 线经过多年的运营，隧道内常年积尘已经严重影响了地铁环境空气质量。由于地 铁隧道内各种电气设备随着老化程度的提高，已不适应以往所采用的湿式除尘方 式，开发研制一种适合地铁隧道内情况的除尘设备成为当务之急。 本文在隧道干式除尘可行性研究的基础上，进一步对该除尘工艺的各项设计 参数进行了研究。首先通过地铁隧道现场勘查和实验室分析，得出了粉尘的粒径 分布和主要成分，并进行了粉尘粒径分布与表面粗糙度关系实验和粉尘起动风速 的实验。同时对于吹吸气流在隧道中起尘效果进行了现场实验。在粉尘实验的基 础上结合吹、吸气流理论进行吹口与吸口的设计计算。最后在实验和理论计算的 基础上，采用计算流体力学( c f d ) 软件对于吹气、吹吸联合气流的起尘和捕尘效 果进行了模拟和分析，并最终确定隧道除尘清洁车的设计参数。 关键词地铁隧道；除尘：吹吸式； 计算流体力学( c f d ) a b s t r a c t w i mt h ep o p u l a 蛀o no fm ec 蚵i i lt h ew o r l dq u i c k l yi n 口a s i n g ，也e r ea r es u c hp r o b l e m s ：t h e t r a l l s p o r t a t i o nt oh u s t l e d ，t h ep 0 1 l u t i o no f 也ee n v i r o n m e n ta n de n e r g yc r i s i s ，e t c i nr e c e my e a r s ， t h ec i t i e si nt h ew o r l da r em o s u yd e v e l o p i n gt h er a i l w a yn 孙s p o r t a 廿o n s b e c a u s eo fm eb i g c a r r y i n gc 印a c i t y ，丹e e 丘o mp o l l u t i o n ，t 1 1 eq u i c k e rs p e e d ，o nt i m e ，c o m f o n a b l e ，t h ec o r w e n i e n c e a 1 1 ds a v i n ge n e r g y ，s u b w a yi ss o o nd e v e l o p i n g a t 廿1 es a m et i i n e ，t 1 1 ep r o b l e m so fe n v i r o n m e n ti n t h es u b w a ya l s oe m e f g eg r a d u a l l y t h es u b w a yl i n e la 1 1 dl i n e 2o fb e 幻i n gh a v e0 p e r a t e df o r m a n yy e a r s ；t h ed u s ti nt h et i l 衄e lh a ss e r i o u s l ya f 绝c 把dt h eu n d e r 咎o u n da i rq u a l i 可b e c a u s e 也e 岫e 1w i r m gd o e s n ta d 印tt o 也ew e td l i s tc 0 1 l e c t o r ，也eu r g e ma f b i r si sm a n u f a c 删n gan e w t y p eo f 出_ y s 毋l ed u s tc o l l e c t o r ，w h i c hi ss a f e rf o rt h es u b w a y 讹i l l l e l t h i sp a p e r ，w h i c hb a s e do nt h ef e a s i b i l i t ys t u d yo f 也ea p p l i a t l c eo fd r yp u s h - p u l ld u s t c o l l e c t o ri n 啦es u b w a yt 嘲e l ，s m d ym o r ea b o u tt 1 1 ed e s i g no f d r yp u s h - p u l ld u s tc o l l e c t o r f i r s t l y ， a n a l y s i st 1 1 ed i s 仃i b u t i n go f d u s tp a n i c l e sd i 锄e t e ra n dt h em a i nc o m p o n e n to f d u s ts 锄p l i n gi nt h e s u b w a yn m n e l ，r e s e a r c ho nt 1 1 er e l a t i o nb e t w e e nt h ed i s t r i b u t i n go f d u s tp a r t i c l e sd i a l l l e t e ra 1 1 dt l l e r o u g h n e s so fs u r f a c ea n d 锄a l y s i st h ew i n ds p e e dt os t a nt h ed u s tp a n i c l e s s e c o n d l yd e s i g na 1 1 d c a l c u l a t e 也eb l o wc o v e ra n dc o n e c tc o v e rp a r a m e t e r ss e p a r a t e l y t h e no nt h eb a s i so fa b o v e ，t h i s t e x ta d o p tc o m p u t 撕o n “f l l l i dd y n a m i c st os i m u l a t ea n dc a l c u l a t ei no r d e rt oe d u c et h e p a r 锄e t e r s ，s u c ha st h ec o n f l g u r a t i o no fp u s h - p u l lh o o d ，t l l er u n o 圮t h ev e l o c i t y ，t h ea n g l ea n d r e l a t i v ep o s i t i o n ，e t c t h i sr e s e a r c hw o r ki st h ev a l u a b l ed i r e c n o nf o re x 仃a c t i n gd u s ti nt h es u b w a yt u 衄e 1 ，a i l d 也e v a l u a b l ep r a c t i c a l i t yf o re x 仃a c 廿n gd u s ti nt 1 1 ec o u r s eo f c o n s t r u c t i o n k e y w o r d ss u b w a y t u n n e l ；“s tr 啪o v a l ；p u s h - p u l l h o o d ；c o m 州a t i o n a lf l u i d d y n 锄i c s ( c f d ) i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：地! i 垒盔日期：幽地日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：逝造盘导师签名：盔鳖日期：塑幺垒旦 第1 章绪论 1 1 研究背景及课题来源 1 1 1 地下铁道交通的发展 2 0 世纪下半叶以来，伴随着世界范围内的城市化进程，世界各国的城市区 域逐渐扩大，城市经济口益发展，城市人口也逐渐r 升。由于流动人口以及道路 车辆的增加，城市交通量呈急骤增长的态势，机动车辆增长尤快：城_ 巾道路的相 对有限性带来了交通阻塞、车速下降、事故频繁等一系列问题。行车难、乘车难， 不仅成为市民工作和生活的一个突出问题，而且制约着城市经济的发展。另外， 道路上汽车排放废气、噪声等环境污染问题也愈来愈引起人们的重视。在这样的 背景下，世界各国纷纷开始采用立体化的快速轨道交通来解决日益恶化的城市交 通问题。大城市逐步形成了目前以地下铁道为主体，多种轨道交通类型并存的现 代城市轨道交通新格局。 地铁与城市中其它交通工具相比，除了能避免城市地面拥挤和充分利用空间 外，还有很多优点“1 。一是运量大。地铁的运输能力要比地面公共汽车大7 l o 倍，每小时运量大于4 万人次，是任何城市交通工具所不能比拟的。二是速度快、 时间准。地铁列车在地下隧道内风驰电掣地行进，行驶的时速可超过1 0 0 公里， 为公共汽车的2 3 倍。三是干扰小，安全可靠，在地下运行，不受气候、地面 行人和车辆的干扰。四是耗能低，污染轻，地铁列车以电力作为动力，空气污染 和噪音污染问题相别较小，且乘坐舒适。地铁满足了现代都市市民对生存环境质 量和时间速度的要求，因此受到各国政府的青睐。 地铁在许多城市交通中已担负起主要的乘客运输任务。3 。莫斯科地铁是世界 上最繁忙的地铁之一，地铁担负了该市客运总量的4 4 ；东京地铁的营运里程和 客运量与莫斯科地铁十分接近；巴黎地铁的日客运量已经超过l 0 0 0 万人次；纽 约的地铁营运线路总长居世界首位，占该市各种交通工具运量的6 0 。很多国家 的地铁与地面铁路、高架道路等联合构成高速道路网，以解决城市紧张的交通运 输问题。地铁现代化的发展，已成为城市交通现代化的重要标志之。 回首中国地铁。3 建设的近4 0 年，从第一阶段阱“战备为主，兼顾交通”原则 建设的北京地铁；经第二阶段以“以交通为主，兼顾人防”原则建设的上海和广 建设的北京地铁；经第二阶段以“以交通为主，兼顾人防”原则建设的上海和广 北京工业太学硕士学位论文 州地铁；到第三阶段以“建设标准、造价、车辆和设备国产化”原则，筹备并开 始建设的十几个城市地铁的历史，我们可以看到起步晚、高起点、发展快是我国 城市地铁建设的重要特征。北京地铁是中国第一条地铁。1 9 6 9 年1 0 月1 日北京 地铁第一期建成通车。从此，结束了中国没有地铁的历史。经过3 0 多年的发展， 随着一条条新线的落成，地铁运营线路也在迅速延伸，从1 9 8 7 年的4 0 公里、1 9 9 9 年的5 4 公里，迅速上升为2 0 0 3 年的1 1 4 公里，北京成为全国轨道交通运营里程 最长的城市。 未来几年内，全国将有超过2 0 个城市计划修建2 0 条以上的地铁及城市轨道 线路，总里程达到8 5 0 公里。中国目前已批准深圳、南京、武汉、重庆、长春、 成都、青岛、大连以及哈尔滨等城市，启动各自的地铁与轻轨工程项目。届时， 这些城市将自北京、上海、天津、广州之后，拥有自己的地铁与轻轨线路。 1 1 2 地下空间的环境问题 随着地下铁道交通的迅速发展，地下空间的环境问题也逐渐显露出来。资料 表明“1 ，目前地下建筑内的环境存在的主要问题就是通风问题。通风不足，新鲜 空气不够，特别是北方寒冷地区，每年约有一半时间不能机械送风，只能靠自然 通风，造成通风不良，新风量少，致使c 0 ：浓度高、负离子浓度低，多数在此环 境中的人感到头痛、头昏、胸闷、疲倦，记忆力和工作效率下降。工作5 年以上 的人呼吸道疾病的发病率较高，关节痛、视力减退和神经衰弱的也较多。为保护 地铁工作人员和广大乘客的健康，地下环境条件必须加以改进，机械通风系统的 有效运转是十分必要的。 地下空间中的有害物质来源于地铁隧道外部和内部两个渠道。其中粉尘是由 机械通风设备的运作和乘客的活动而带入的“3 。地下铁道的入口及机械通风装置 的引风口多位于污染物相对集中的交通干线两侧，且净化装置简易，不可避免会 带进大量灰尘。这些灰尘常年积存在地面、墙壁以及各种设备表面，严重时会引 起电气设备短路、电气开关接触不良等现象。同时过多的粉尘，会导致火灾探 测器的灵敏度下降或造成失效”1 ，影响火灾报警系统的正常工作，形成安全隐患。 通风机械系统中积累了大量粉尘，也会使通入隧道内的空气质量降低。当粉尘沉 降在设备的运转部位上时，尘粒成了研磨膏，使运转部件磨损，从而降低其精度、 缩短使用寿命。 第l 章绪论 另外，由于隧道内活塞风的带动。1 ，较大的粉尘颗粒经长时间磨耗会逐渐变 为细小颗粒，这种小颗粒对人体健康的危害更为严重。据调查，地铁车站站台9 5 以上的粉尘粒径在1 0um 以下，属可吸入颗粒物。可吸入颗粒物因其细小而不受 人的鼻腔阻档，可以直入人肺部并存留在肺的深处，不易被排出体外，是大气颗 粒物中对人体健康威胁最大的一类。1 。另外粉尘在空气中也会吸附细菌或病毒， 进入人体内，会由于细菌或病毒使人发病，粉尘成了传播疾病的媒介。 因此，在保证通风频率的条件下，为了清除隧道内的积尘、改善隧道空气质 量要定期对隧道进行清扫。 1 1 3 课题研究来源、研究目的与意义 2 0 0 3 年4 月中旬地铁设计研究所提出了地铁隧道除尘方案前期研究的立项 建议，经公司各相关部门协商一致，同意立项，项目列入2 0 0 3 年地铁运营公司 科研计划，计划编号：科研0 9 0 4 。课题由地铁设计研究所环境保护研究室承担、 北京工业大学环境与能源工程学院协作完成。 该课题的预期研究成果是：结合北京地铁一、二期线路的具体情况，提出合 理可行的地铁隧道干法除尘清灰方案，为除尘车的研制、开发提供科学的理论和 工艺参数。此预期成果已经基本完成，本课题是其后续研究。 本课题在前期研究的基础上，进一步对尘源性质，除尘工艺中的起尘部分以 及吹吸式除尘设备的仿真模拟进行了深入地研究和探讨，对于除尘技术在实际中 的应用起到良好的过渡作用。课题研究的意义在以下三个方面体现： ( 1 ) 为了保证地铁服务人员和广大乘客的健康，有必要对于地铁内部的粉尘污 染无进行清扫，给公众一个安全舒适的空间。 ( 2 ) 环境意义：在地下环境中由于活塞通风带进的大量灰尘以及轨道钢轨磨损 产生的带有金属的颗粒物常年积存在地面、墙壁以及各种设备表面，不仅影响设 备的正常运转，还可能成为安全隐患。近年来北京地铁没有进行大规模的隧道清 洗工作，很多隧道内的设备，尤其是电缆上已经布满灰尘，这对于防火是非常不 利的。而且原有的隧道高压水冲洗方式对于隧道内设备有很大的损伤，因此需要 一种更安全有效的清扫方法来替代。 ( 3 ) 经济意义：有资料显示，一列隧道路基干式清扫车的价格约为5 0 0 万美元， 加上进口关税、设备更新维护等费用，其投资相当可观。而经过前期实验研究表 北京工业大学硕士学位论文 明国产化车辆的成本仅约为进口车辆的1 7 。这样可以大大降低地铁隧道除尘的 成本，使得干法隧道清扫的推广更加可行。 1 2 国内外相关领域研究进展 1 2 1 国内外隧道除尘方法的研究进展 121 1 国内目前采用的隧道除尘方法 目前国内地铁隧道清洗均采用高压水喷洗的方法“”( 见图1 1 ) ，其清洗效 果令人满意，但是缺陷也是很明显的。首先，该方法需要大量用水，且清洗后的 废水无法二次利用，从而造成水资源浪费；第二，冲洗产生的泥浆通过隧道排水 沟排放，由于大量淤泥滞留在沟内，不得不进行人工清淤工作，浪费了人力、物 力，而且未能及时清理的淤泥在风干后会再次漂浮起来造成新的污染；第三，由 于采用水清洗，不可避免造成隧道内电气设备、甚至隧道结构不同程度的损伤， 从而形成安全隐患。由此可见，必需采取新的方法以取代水冲洗的方法。 图1 1 地铁隧道湿式清洗车 f i g 1 1w e t c l e a i lv e h i c l ei ns u b w a yn m n e l 图1 2v a k t r a l ( 隧道道床清扫车 f 培1 2v a l ( t r a l 【t u n n e lt r a c kc l e a i lv e h i c l e 1 2 1 2 国外隧道除尘方法的研究进展 随着城市轨道交通的不断发展以及地下铁道隧道除尘技术的不断改进，国外 地铁系统隧道清洗从过去的水洗式已发展到现在的干法清扫方式“”。目前在法 国、德国、美国、意大利及韩国等国家的部分城市地铁已开始采用这一技术“2 。 该技术在很大程度上弥补了湿法清洗的不足，具体方法是采用吹吸相结合的方 法，利用吹气气流将隧道内粉尘、杂物吹起，然后利用真空吸尘原理用吸口将扬 起的粉尘吸入车辆并通过过滤装置将粉尘过滤、收集，车辆、设备运行动力由柴 油电动机组、发电机组提供。本方法的优点是除尘效率高、劳动强度低、节水、 不造成二次污染，主要缺点是维护工作量大，设备造价高。 4 第1 苹绪论 国外目前投入使用较多的隧道道床吹吸式清扫车辆以法国n e ut r a l l fa i r 公司与s o c o f e r 车辆制造厂联合开发的v a k t r a l ( 隧道道床清扫车为代表，见图1 - 2 。 该车全长约6 8 m ，自重18 8 t ，设计空驶速度4 0 k r r m ，除尘工作时2 1 0 k h 以。该 车有前后两个动力车，中间有三节车辆，其中，中部车辆为除尘部，前后两节为 粉尘收集部，过滤方式为布袋除尘。该车的工作方式是高压风吹气使得地面粉尘 扬起，同时采用真空抽吸的方式将含尘气体吸入过滤装置，过滤的粉尘由收集部 收集。两个收集罐的容积各为1 5 m 3 。该车最大空气过滤量为2 8 0 0 0 0 m 3 m 。目前 在法国、英国、美国、汉城等多个城市地铁已经采用。 另外处于研究阶段的隧道除尘车辆还有巴黎地铁的自动清洁车。其车辆外形 如图1 3 。 潮躐黼 图1 3 自动清洁车 f i g 1 3a u 的m a t i cc l e a l lv e h i c l e 这种车辆采用中央控制、自动驾驶，主要工作是完成对道床的吹扫和对墙壁、 应急通道的刷扫。车辆由两节车组成，每节车设计吸气流量6 0 0 0 0 m 3 m 。吹气流 量2 4 0 0 0 m 弧，吹扫行驶速度5 6 k 汕。车辆设有四组吸气装置，一组对地面， 三组对墙壁及应急通道。自动滚刷主要用于墙壁及应急通道的清扫。除尘滤料为 针刺毛毡，粉尘收集部分的有效容量为2 5 m 3 ，个。但是，自动滚刷装置对隧道内 部的设备还是有部分程度的损害。 1 2 2 国内外吹吸式除尘方法的特点和研究进展 1 2 2 1 吹吸罩的应用 如何控制尘源的扩散，将其经济、合理、有效地捕集是空气环境污染控制及 治理的关键性问题。影响地铁站台环境空气质量的粉尘主要来源于乘客活动与车 辆运行时活塞风带入隧道内的地面空气中的粉尘，以及由于隧道内车辆运动和通 北京工业大学硕士学位论文 风等气流运动带动隧道墙壁和设备上的积尘，使其运动到环境空气中而形成的污 染。针对其特殊性，国际上最新技术就是利用干法捕尘方式，利用吹吸气流清扫 积尘、控制粉尘扩散，减少对环境的污染。 吹吸气流的利用由来已久。“。最早的尝试是在1 9 0 4 年台菲路斯冯凯末 尔在房间的出入口处用气流把室内外空气隔断。后来进行了研究和改进，使这种 称为空气幕的装置被应用于出入口、通道、食品橱窗、冷藏室、防灾防烟等。采 用吹吸气流排气罩控制较大面积的工业污染源或较强烈的污染扩散，效果较好。 所以吹吸气流在电镀、酸洗、清洗、脱脂、溶解、混合、浇注、浸涂、装料等行 业，国内外都得到了广泛的应用。2 “。如s i w a t s o n 和j r c a i n 利用吹吸通风 系统控制硫化烟气；r d b i n s o nm 和i n 啦锄d b 利用吹吸罩控制大型敞开式容器 发散的烟气；史建国、茅清希和孙莉华对封闭大空间焊接烟尘污染控制也采用吹 吸罩方式等。 吹吸式通风主要应用于下列场合： ( 1 ) 隔断和排除某些工业设备产生的污染气流或建筑物着火时产生的烟气； ( 2 ) 将吹吸式通风装置设置于空调、洁净房间的出、入口，以隔断内外侧空气 对流，保证内侧空气参数满足特定的要求； ( 3 ) 控制敞口容器内散发出的有害、有毒气体或蒸汽： ( 4 ) 控制飞溅的有害物颗粒或小飞虫等。 1 2 2 2 特点 吹吸式排风罩的应用有下列特点： ( 1 ) 具有比一般排风罩较高的效能。冷过程排风罩吸口风速随距离衰减很快， 即吸口能量或动量被均匀分散到各个方向的几何空间去了。增加排风量来提高污 染源处的“控制风速”，将无用的增加罩口附近所有空间的风速，排风口能量利 用率很低。吹吸式罩口将改善这种低效能状况，利用射流来提高污染源处的控制 风速，能量或动量的有效利用率将有所提高。 ( 2 ) 与接受式排风罩相比有较稳定的效果。接受式排风罩利用了工业产生的气 流来收集污染气体，如上悬式罩口收集上升热气流，但是这种热气流有时是不稳 定的，受到干扰的气流，可能逸出罩外。吹吸式排风罩的吹出气流可以根据需要 来进行设计，使污染物在一定范围内输送到排风口，运行中可保持较稳定的效果。 第l 章鳍论 ( 3 ) 适合于大面积、强扩散的污染源。一般排风罩对于大范围面积，扩散速度 较大的污染源是难于控制的。吹吸式排风罩将利用射流的有效射程，扩大控制范 围，提高控制速度。 ( 4 ) 不影响工艺操作，不遮挡操作视线。 1 2 2 3 本课题吹吸式除尘研究基本原理 单独利用外部罩控制有害物的扩散时，由于流向罩口的气流速度衰减很快， 因此要在较远的控制点造成必要的吸入速度，需要的排风量就较大，而且易受干 扰气流的影响。为此，可采用在一侧吸气的同时在另一侧加设喷吹气流，向吸气 罩输送污染物，从而提高其控制有害物的效果。利用射流作为动力，通过射流和 吸入气流联合作用来提高所需的“控制风速”，把有害物吹送至排风口再由其排 除。在同样的控制效果下，采用吹吸式通风罩，风量可以大大减少，控制点至排 风口的距离越大，效果越明显。吹吸罩这一特点非常适用于地铁隧道除尘：由于 隧道壁面电缆支架的限制，吸尘罩不能距离目标太近，若单纯以吸尘方式清灰， 就需要很大的风量来完成，而采用吹吸式风罩就可以节省部分的风量。 1 2 2 4 本课题对传统吹吸式除尘方法的改进 由于地铁隧道内部墙壁、地面铺设了大量线缆和管路，对于直线式吹吸除尘 无法实现吹吸口的布置，而且没有主动尘源，必须依靠吹气口射流吹到墙壁或地 面的剪切力作为粉尘起动的作用力，所以需要对直线式吹吸除尘装置进行改进。 本课题研究的吹吸式除尘装置与常用吹吸式除尘的不同见表1 1 。 表卜l 传统吹吸方式与改进后吹吸方式的比较 、 方式 差f 常用吹吸方式改进后吹吸方式 吹口一十_ 吸口 吹口，吸口 、 吹吸方式污染物污染物 见图卜4见图卜5 使粉尘克服与接触面间的粘附 吹气口作用向真空吸气口输送污染物力而悬浮于空气中，并输送到真 空吸气口附近 污染物种类流动污染物( 气态或气溶胶)附着在物体表面的固体颗粒 推 吹斗一u尘 图1 4 传统吹吸式除尘方式 f i g 1 - 4t r a d i t i o n a 【p l l s h _ p u l ld u s tc 0 1 1 e c t o r 吹吸u 锄二二纛漉乙弱弱历历移彩彩荔荔象沥荔历勿历翮 图1 。5 改变后的吹吸式除尘方式 f i 9 1 5r e d e s i g n e dp u s h - p u l ld u s tc o l l e c t o r 1 3 研究方法选择 1 3 1 改善地铁隧道空气质量的方法选择 吸 改善地铁隧道空气质量进而达到改善车站空气质量的方法概括为两方面：一 是对隧道空气进行过滤；二是对隧道积尘的清除。其中积尘的清除比空气过滤更 为重要。其理由如下： ( 1 ) 地铁隧道内粉尘除漂浮在空气中的部分外，绝大部分附着在地面以及各种 设备表面。以往的测试研究表明，车站空气粉尘浓度与车辆运行密度有较大的关 系，即：运营高峰期粉尘浓度高于低峰期；昼间浓度高于夜间；运营期浓度高于 停运期浓度。这一现象说明，除去由于客流带入的粉尘外( 这一部分是有限的) ， 隧道内的粉尘有一部分被列车运行所产生的活塞风扬起，并带入车站站台空间。 因此，如果不能将隧道内粉尘清除，是很难达到净化车站站台空气效果的目的。 由此可知，只进行隧道空气过滤是不可取的。 ( 2 ) 现场调查结果表明，地铁隧道内接近车站的喇叭口处积尘最多( 相对于隧 道内部) 。分析其原因，主要有两个：其一是由于车辆在隧道内运行时产生的活 塞风作用将隧道内粉尘带起，在接近车站时，受列车减速和隧道截面增大两因素 影响，隧道内活塞风风速迅速减小，较大的粉尘颗粒( 1 0um ) 在重力作用下 快速沉降，因此蓄积在这一区域：其二，列车启动、制动均在这一区域，因此， 该区域中的积尘也包括列车制动产生的磨耗粉尘和由于列车出站产生的负压带 第1 章绪论 入车站站台灰尘。该区域大致在车站两侧5 0 m 左右。因此，清除该区域的粉尘 对提高车站空气质量也是极其重要的。 ( 3 ) 尽管隧道中接近站台区域的粉尘比较集中，隧道中的粉尘量依然占绝大部 分。隧道内电缆、信号机、照明等设备上的积尘除可能造成安全隐患以外，由于 活塞风的带动，较大的粉尘颗粒经长时间磨耗会逐渐变为细小颗粒，进而会对乘 客和工作人员构成更大的健康威胁。因此，隧道内的粉尘必需定期予以清除。 综上只有清除隧道内的积尘才可能降低隧道内电气设备安全隐患，进而达到 改善车站空气质量的目的。 1 32 清除积尘的方式选择 清除地铁隧道积尘的全过程包括吹气起尘尘的捕集除尘三个环节。 本实验设计以起尘与尘的捕集为主，除尘只是工艺设备选型匹配的问题，不做重 点考虑。 ( 1 ) 吹气起尘 影响地铁隧道空间及车站环境空气质量的粉尘主要是由地铁车辆在隧道中 运行时产生的活塞风运动带入隧道内的。由于车辆轮轨间摩擦生热使列车各部件 的机械油蒸发到空间中，使粉尘颗粒间的作用力增大，同时又由于沉降作用和表 面摩擦力使粉尘附着在隧道各种设备的表面。地铁隧道内活塞风风速一般为 6 8 5 耐s ，经现场实验观察，活塞风带走的是设备表面最外层的积尘，而附着于 物体深层表面的粉尘很难被风吹起。因此，本实验研究重点为能被列车正常运行 时产生的一般速度活塞风带动的粉尘。并在此基础上寻找影响吹气起尘效果的工 艺参数。 ( 2 ) 粉尘捕集方式的选择 就粉尘捕集方式而言，通过对地铁隧道实际情况及车辆运行特点分析可知： 避免采用水冲洗的方法。以往的隧道粉尘主要由高压水冲洗的方法完成， 效果令人满意，但是其缺陷也很明显。首先，该方法需要大量的用水，且清洗后 的废水无法二次利用，从而造成了水资源浪费；第二，冲洗后产生的泥浆通过隧 道排水沟排放，由于大量淤泥滞留在沟内，不得不进行人工清淤，浪费了人力、 物力，且未能及时清理的淤泥在风干后再次漂浮起来造成新的污染；第三，由于 采用水清洗，不可避免的造成隧道内电气设备甚至隧道结构的不同程度损伤，从 北京工业大学硕士学位论文 而形成安全隐患。 由于隧道边界的限制，地铁车厢与墙壁、地面、设备之间有一定的距离， 而且墙面上布满了电缆和设备，不能直接用吸气口接近墙面或设备去吸尘。但根 据吸气口附近气流衰减迅速的性质，若吸口远离目标物，则需要很大的风量才能 保证尘粒被有效的捕集。如果在一定距离内，一定角度下配合吹气口，用较少的 风量将尘扬起，降低吸尘时需要克服的粘滞力，将减少吸口的风量。同时形成气 流闭合回路避免了粉尘散逸形成二次污染。 因此，选择吹吸式干法集尘替代湿式水冲洗的方法。 1 4 研究内容 本实验选择干法吹吸收尘与袋式除尘结合的方式，其基本原理是：为更有效 的除去附着在隧道道床、墙壁、设备表面灰尘，利用高压气流将隧道内粉尘吹起， 同时利用真空吸尘的原理将含尘空气吸入袋式除尘器，经滤袋将粉尘与空气分离 以达到除尘目的。被分离的粉尘由储尘室收集然后分装处理，从而减少二次污染。 吹吸式粉尘捕集方式的研究分为两个部分，首先是吹口的研究，即吹口对于 粉尘扬起效率的影响，其中应包括粉尘与物体表面附着力的研究和粉尘动力学的 研究；其次是吹吸配合捕集粉尘的过程，由于吹吸气流的运动情况较为复杂，到 目前为止还没有一种公认的较好的计算方法。各种计算方法都有很多条件限制， 与实际情况有很大的差距，不论采用哪种方法，其计算结果只能提供借鉴。为此， 采用计算机运算模拟的方式进行气流组织模拟、吹吸速度、角度及相对位置等参 数的确定，为隧道除尘的中试和最终制成专门适用地铁隧道除尘的清洁车做理论 论证和参数设计。 本文将采用实验研究、理论计算和计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n 锄i c s ，简称c f d ) 数值模拟三种形式，层层递进，通过理论计算和实验研究 确定初步设计参数，再用计算机数值模拟正交实验来验证，并最终确定除尘清扫 车的设计参数。 在国内地铁系统中采用干式除尘技术尚属首例，该技术对于地铁隧道的养护 和站台内空气质量的提高具有指导意义，对于其他交通设施的养护工作和地铁隧 道施工中产生的粉尘清除同样具有广泛的实用价值。 1 0 第2 章地铁隧道现状调查 第2 章地铁隧道现状调查 2 1 地铁隧道及车辆基本资料调查 2 1 1 地铁隧道概况 北京地铁一、二期隧道采用明挖法和浅埋暗挖矿山法施工，区间线路建筑形 式分为两种： ( 1 ) 环线地铁区间、一线地铁苹果园至复兴门区间为矩形隧道； ( 2 ) 一线复兴门至大望路地下段出口区间为马蹄形隧道。 地铁区间为单线单洞形式，两线间1 0 0 m 左右有联络通道互通。地铁隧道大 体分为直线区段、曲线区段、岔线渡线区段和接近车站的喇叭口区段。隧道中有 道岔区，道岔区为单洞隧道。 就建筑尺寸而言：直线区段尺寸最接近直线区间限界标准”“，为最小尺寸： 曲线段在直线段基础上加宽、超高，建筑尺寸略大于直线区段；接近车站的喇叭 口区段，由于车站形式、车站建筑等级的不同，区段建筑宽度不尽相同，为最大 宽度，建筑宽度可达6 m 以上。 地铁轨道线路采用5 0 k g 钢轨，轨高1 5 2 m m ，线路宽度为1 4 3 5 m m 。接触轨 安装位置在车辆运行方向的左侧，其中心线距相临走行轨内侧距离7 0 0 8 m m ， 轨面高度距轨顶面1 4 0 6 m m 。 地铁隧道内除轨道线路外，还布置其他供电、给水、信号等设备，具体安装 位置如下： ( 1 ) 电缆：动力及控制电缆敷设于行车方向的左侧墙壁，一般敷设高度为距轨 顶面1 5 m 以上；通讯信号电缆敷设于行车方向右侧，安装高度3 m 左右。 ( 2 ) 电缆支架：电缆支架沿线路两侧设置，支架宽度约4 0 0 m m 。 ( 3 ) 给水管道：沿隧道纵向布置的给排水管道敷设于车辆运行方向右侧隧道下 角，安装位置在直线段紧邻设备限界，一般其外缘距墙面5 0 0 m m 左右，略高于 轨平面，在给水管道上隔一定距离安装有阀门，阀门高度约1 2 m 。 ( 4 ) 信号机：信号机安装在行车方向右侧墙面，距墙面5 0 0 m m 以内，其下缘 安装高度1 5 m 。 ( 5 ) 接触轨护板：除复兴门至大望路区段区间，其余区间接触轨均安装有防护 北京工业大学硕士学位论文 板，防护板安装高度约5 0 0 m m ，宽3 0 0 m m ，护板与同侧隧道墙面距离约3 0 0 m m 。 ( 6 ) 电源控制箱：在行车方向左侧，约每1 0 0 m 安装维修用电源控制箱，安装 高度1 5 m 。 ( 7 ) 照明：照明灯具安装在行车方向左侧，距隧道顶约5 0 0 m m 。 ( 8 ) 排水沟：在线路中间有排水沟，宽7 0 0 m m 左右，深度约5 0 0 m m 。 ( g ) 其他：在隧道墙壁上还安装有里程、坡度坡长标、电话插座等。 2 1 2 地铁车辆概况 北京地铁一二期车辆全部采用接触轨受电方式，无论那种车型，其车辆尺寸 均满足g b 5 0 1 5 7 “”的规定，具体为： ( 1 ) 车辆长度：车体长度：1 9 0 0 0 r n m ；两车钩中心距离：1 9 6 0 0 m m ； ( 2 ) 车体最大宽度：2 8 0 0 m m ； ( 3 ) 车辆高度：3 5 1 0 m m ； ( 4 ) 车辆定距：1 2 6 0 0 m m ； ( 5 ) 固定轴距：2 1 0 0 2 3 0 0 r m ； ( 6 ) 地板面距轨顶面高度：1 1 0 0 m m ； ( 7 ) 受流器安装尺寸：受流器端部距车体横向中心：1 4 7 3 m m ；受流器中心距 轨顶面高度：1 4 0 1 1 1 i n 。 2 1 3 地铁限界 地铁限界包括车辆限界、设备限界、建筑限界、接触轨和接触网限界。地铁 限界坐标以轨顶平面线路中心为原点。地铁车厢限界距隧道壁面4 0 0 7 0 0 m m 。 北京地铁一、二期车辆为接触轨供电方式，车辆轮廓线坐标值如表2 1 。建 筑限界“7 3 见图2 1 、2 2 。 表2 1 地铁车辆轮廓线坐标值 o 1234 5 678 91 0 1 1 xo 8 0 01 1 0 01 2 5 5 1 3 2 51 4 0 01 4 0 0 1 2 7 7 1 2 7 71 2 7 71 4 7 31 4 7 3 y 3 5 1 5 3 5 1 53 4 3 53 3 5 0 3 2 5 01 8 6 06 0 06 0 03 5 02 1 01 8 51 0 5 1 21 31 41 51 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 12 2 x 1 2 2 0n 6 01 1 4 01 0 0 01 0 0 08 1 8 8 1 8 7 1 7 57 1 756 7 656 7 6 5 y 1 0 51 0 51 5 01 5 01 0 0】o ooo2 5 - 2 51 0 0 第2 章地铁隧道现状调查 图2 1 矩形隧道建筑限界 f 毽2 1c 咖】棚0 nd d i m 诜鲥o n 曲c e c 均r l 出衄嘴l 图2 2 马蹄形隧道建筑限界 f 培2 - 2c s 廿u 甜o n d e u 时碰0 n o f i o 【s e s h o en u l n e l 2 2 地铁隧道及站台粉尘现状调查 2 2 1 地铁车站粉尘浓度 在前期的课题研究中，对北京地铁前门和复兴门上层车站进行了粉尘浓度测 试，测点布置在车辆进站口、出站口及站中，测试结果如下： 表2 2 车站粉尘浓度单位：m g m 3 1 h b l e2 2d u s tc o n c e n 拄a t i o no nt h es t a d o n 车站测点位置粉尘浓度 进站口0 2 4 前 门出站口 0 2 0 站中 0 1 7 进站口 0 2 9 复兴门出站口 o 1 8 站中 o 2 2 由结果表明，地铁车站车辆进站口粉尘浓度最高，即车辆进站时，粉尘随列 车活塞风进入站台。地铁车站粉尘浓度正常情况下不超过环境三级标准 ( o 5 m g ，m 3 ) 。这与地铁内部监测资料测试结果。7 3 是符合的( 见表2 3 ) 。 表2 31 9 9 9 年粉尘测试 单位：m g m 3 t h b l e2 3d u s tc o n c e n t r a t i o ni n1 9 9 9 采样地点春夏 秋冬 前门 o - 3 6 4o2 5 00 3 0 00 2 5 0 木樨地 o 4 6 40 2 8 90 1 8 7 o 4 4 0 建国门 o 3 9 7o 1 9 60 1 9 6o 8 2 0 安定门 o5 8 10 1 3 00 1 7 7o 1 8 0 积水潭 0 4 2 1o 2 0 7o 1 1 8o 2 6 0 表2 42 0 0 1 年北京地铁各车站可吸入颗粒物( p m l o ) 浓度单位：m g ，m 3 采样地点春季夏季秋季冬季 复兴门( 上) o 1 3o 1 6 o 2 10 3 3 车公庄 0 1 00 1 0o 2 3o 5 0 积水潭 o 1 0o 1 0o 2 30 3 9 安定门 o 1 3o 1 00 2 4o 3 6 东直门 o 1 00 1 3o 2 9o 3 6 朝阳门 o 1 3 o 1 00 2 40 3 3 北京站 o 1 3o 1 3o 2 3o 3 3 前门 o 1 30 1 30 2 5o 3 3 宣武门0 1 00 1 00 2 4o 3 3 复兴门( 下) 0 1 2 02 00 1 3o 3 3 木樨地 o 1 2o1 1o 1 0o 3 6 公主坟 o 1 2o 1 10 1 0o - 3 8 五棵松 0 1 60 1 6o 1 3o 3 6 八宝山o 1 3o 1 20 1 0o 3 0 古城 0 1 301 6o 1 60 3 3 天安门西站( 台) o 2 30 1 90 1 3o 3 4 天安门西站( 厅) o 1 5o 1 2o 0 80 2 5 王府井( 台) 0 2 30 2 00 1 30 - 3 3 王府井( 厅) 0 1 50 1 20 1 10 2 2 建国门( 台) 0 2 5o1 6 o 1 6o 3 8 国贸( 台) o 2 60 1 20 1 3o 3 6 国贸( 厅)0 1 6 0 0 80 1 1o 2 4 四惠站( 台) 0 4 60 1 60 1 6 0 4 0 四惠站( 厅) o 4 2o 1 10 1 3 0 3 8 表2 4 为2 0 0 1 年地铁典型车站可吸入颗粒物p m l o 的测试结果。”。以上数据 显示车站粉尘浓度以冬季最高，夏季最低。这与大气中可吸入颗粒物监测规律相 似，说明地铁粉尘来源中有较大部分来自地面大气，进入途径主要为地铁通风系 统和车站通道活塞风作用。 为了进一步证明，吹口起尘的效果，进行隧道现场实验。现场实验用b o s c h 风机( g b l 5 5 0 型，5 5 0 w ，2 7 m 3 m i n ) 以6 0 。夹角分别对地面水管和电缆表面 附着的粉尘进行吹气起尘实验。 表2 5 现场吹尘实验环境空气粉尘浓度 单位：m g m 3 吹尘后空气中粉尘浓度 采样地点吹尘前空气中本底粉尘浓度 水管表面电缆表面 前门站进站口 0 2 44 8 36 5 0 a ) 吹尘前的水管表面 a ) ，a t e rp i p es l 】r f a c eb e f o r eb l o w i n g b ) 吹尘后的水管表面 b ) w 乱e rp i p es u r f k ea f e r b l o w i n g 图2 3 水管表面粉尘变化 f i g 2 - 3 、，打i a t i o no f d u s tc o n c e n 打a t i o no nw a t e rp i p es u r f a c e a ) 吹尘前的电缆表面 a ) c a b l es u r f a c eb e f o r eb l o w i n g b ) 吹尘后的电缆表面 b ) c a b l es u r f 如e 啦e r b l o w i n g 图2 4 电缆表面粉尘变化 f i g 2 4v a r i a t i o no f d u s tc o n c e n t r a t i o no nc a b l es u r f a c e 北京工业大学硕士学位论文 由以上图片和粉尘浓度变化对比可以清晰看出吹尘的效果，吹尘后空气中粉 尘浓度远远大于吹尘前空气中粉尘浓度本底值。证明利用射流作用起尘的效果是 明显的。同时说明这部分附着在物体表面的粉尘可以被活塞风扬起而引起车站站 台的污染。由于地铁隧道内列车运行期间粉尘浓度测试有一定的困难，因此本次 未进行试验。 2 2 2 地铁隧道粉尘粒径分布 隧道中不同地点和不同位置的粉尘粒径是不同的，为此在隧道内收集了4 个 样品进行体积粒径分析，结果见表2 6 及图2 。5 ： 表2 _ 6 隧道内不同位置粉尘体积中位径单位：um t 曲l e2 - 6d u s tm e a i lv o l u m ed i a m e t e r 编号采样点体积中位径 1 拌 前门车站喇叭口内1 0 米电缆上 1 4 1 8 5 拌 隧道内风机进口消声器壁面6 3 1 6 拌 隧道内5 0 米隧道墙壁底角( 絮状) 2 8 8 6 8 拌 隧道内接触轨下 5 0 8 8 累 积 百 分 比 ( ) 曼! 苎苎号鼍墨墨暑罨簧。：暑：兰= ：暑量蔓窝誊孽 oooo _一一n 甘 一一n 吲卜 。 体积粒径( um ) 图2 5 隧道内不同位置粉尘体积粒径累积分布 f i g 2 - 5d l l s tp a n i c l e sv o i u m ed i a i n e t e rd i s 订i b u t i o n 由观测及分析结果可得出以下结论： ( 1 ) 车站站台粉尘粒径在1 0 pm 以下，其中位径在2 也5um 之间，为可吸入 颗粒物，对人体健康危害最大。 ( 2 ) 地铁隧道内墙壁，地面粉尘中位粒径在5 5 0 um 之间。其中以接触轨下 印砷加o 第2 章地铁隧道现状调查 粉尘粒径最大，粉尘主要由接触轨磨耗