公路隧道负离子空气净化方法技术领域
本发明涉及一种空气净化方法，特别涉及一种公路隧道负离子空气净化方法。
背景技术
目前隧道净化空气方面主要有三种方法。我国隧道主要采用以稀释有害污染物浓
度为目的的通风换气法，其次为静电除尘法和气态污染物净化法。(1)对传统的通风净化研
究方面，国内不少学者对隧道施工通风进行了研究。(2)在静电除尘方面，我国目前尚没有
隧道采用ESP技术。如：西南交通大学和同济大学对公路隧道静电除尘器在使用条件和安装
方式方面进行了研究。(3)气态污染物净化方面，重庆大学与四川交通厅合作研制了隧道空
气净化静电除尘装置，利用脉冲电晕放电技术的空气净化静电除尘装置对一氧化氮、氮氧
化合物、二氧化硫在室内试验中能进行净化，但由于工作风速低、处理流量小、体积大、费用
等原因，限制了其在现实隧道中的应用。李晓红等人、何剑等人、瞆燕辉等人都对ESP进行了
有益的室内及试验研究，都得出了对粉尘可降除只是效率不同的相关结论，尤其需要说明
的是，李晓红等人还得出了对CO净化率可达70％的结论。
针对公路隧道空气净化领域使用。公路隧道是在山中或地下凿成的通道，埋置于
地层内、满足车辆通行的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。
上面所述在静电除尘方面重点为空气污染物中的粉尘，气态污染物净化方面为污
染物中的气体分类。静电除尘和气态污染物净化均为容器式，容器中都需要正负的极板，其
中有一个为收尘板，实际上都属于ESP技术。简单说，ESP技术作用机理是通过正负极板之间
的静电引力消尘除害的。而现有的负离子技术创造性应用到公路隧道中，技术本身就为非
容器式，属于开放式，大地作为阳极，没有收尘板。负离子技术除了有静电吸附功能外，还有
产生的负氧离子对人体的诸多健康功能。所以负离子技术并没有因为具有的静电吸附功能
而得到抹杀，反而得到了诸多专家和学者的肯定。
现有的负离子技术作用机理及应用：负离子技术近年来才发展的新技术。它的作
用机理为：而是利用大地作为阳极，利用高频副高压装置产生负离子继而和空气形成负氧
离子，释放于空气中来降尘除害。高浓度负离子与隧道中的烟尘及有毒气体，如：尾气、烟
尘、二氧化硫、氮化物、病菌等集聚成大颗粒，在重力作用下降落或吸附到地面，达到消除和
降低烟雾及有害气体的效果。这些颗粒降落到地面后对人无害或影响极小，部分随后分解
为无害物。这种方法对于悬浮于空气中又最易被人吸入的微粒有毒污染物、尘埃等降除效
果非常明显。在室内空气环境、医疗方面研究比较充分，对人体的功效、空气质量的改善已
得到充分的证实，在计算机房、大型化工厂房、医院、车站候车大厅等应用广泛。如在车站大
型场所等有相关研究。成霞等人采用流体力学，对不同送风方式负离子在室内的分布进行
了模拟研究，认为区域不同负离子浓度不同。饶松涛等人对某食堂空气改善效果进行了研
究，分析了负离子滞留密度和颗粒物浓度之间的关系。沈晋明等人对负离子在地铁环境应
用进行了研究，评价了其与污染物、气流分布的净化效应，探讨了其在地铁环境中的可行
性。但负离子在公路隧道消烟除害的应用方面暂无相关资料，原因是这些研究及应用环境
条件与公路隧道环境条件存在巨大差别和难点。
由于ESP技术因为费用大、体积大、能耗与产出对比等问题，我国有研究但没应用。
所以目前我国隧道内部有毒有害气体及尘埃污染物的处理方法，主要还采用传统的单一的
通风换气法。但是通风换气法存在以下缺陷：
1)单一通风有时不能将污染物浓度稀释到允许值以内；
2)隧道通风费用与隧道长度的平方成正比，投资费用大，运行成本高，效果也不
佳；
3)通风换气法是对污染物的转移，造成二次污染；
4)通常大部分时间隧道内供人体需要和机械需要的氧气含量正常，而呼尘、有害
气体浓度较大，传统通风作用是加速稀释有害气体浓度，消耗大量电能。
5)在建隧道施工循环中，不能快速将有害气体浓度降低到国家相关标准以下，施
工人员不能及时进场或超标进场作业，严重影响施工进度，增加成本。
现实隧道中通风效果往往不佳，施工人员虽然佩戴口罩，驾驶人员可于车内，但只
能过滤掉对人体伤害小的、肉眼常能看到的大颗粒粉尘，对人体损伤最大的呼尘(如PM2.5)
和有毒有害气体往往没有效果。而这却是负离子技术本身优势所在。
那么如何能将负离子技术应用于公路隧道中存在以下难点：
1)规范标准不同。两者的规范即标准要求不同，如对隧道而言，认为的通风后的合
格空气，这种空气对室内标准而言可能被界定为污染空气。
2)污染物产生源及量级差异巨大。已有研究及应用产生源主要是人的活动和装饰
物散发等引起，后者主要是放炮、大型机械、喷浆、电焊、车量等引起。从量上来看，室内的污
染物对隧道来讲基本可以忽略，根本不在一个量级。
3)空间量级差异巨大。室内净化基本属于相对封闭空间，基本单元为房间的十几
个平方米，继而扩展到厂房、地铁等这些相对封闭场所；而施工隧道属于半封闭空间，常用
断面面积就达到百平方米左右，隧道长度超过0.8km～1km时目前采用的通风排污方法压力
巨大，再用体积来考虑两者差异就更大。
4)时效性要求不同。室内污染物产生量小，没有显著时间要求。而在建隧道有工期
(10分钟对于在建隧道都是相当关注的)和经济要求，时效性要求更苛刻。营运隧道有风机
长期通风电能损耗压力，也要迅速将汽车尾气等污染物降低到允许值之内，否则烟气影响
驾驶员视线产生交通事故等。
5)计算方法不能照搬。室内采用的基本密闭空间的面积/体积计算法相对简单，而
在建隧道属于半封闭，受通风影响大和环境影响大，需要采用流体理论等并动态考量，需要
有自己的计算体系。
6)布设方案不同。室内空间各区域空气质量差异小，布设点位等要求低，空间稍大
的常随空调进风口位置而定，空间小的常按照室内面积定，选择位置方便地点安放。这种室
内等场所布设方案即能解决问题，而隧道空间大且污染源为放炮或车辆等非人因素混合产
生，加之各区域、各时段污染空气种类及密度上下分布、前后分布均不同，呈现长条状动态
变化状况，所以需要有针对性布设系统方案。
7)技术上困难及复杂性不同。室内仅仅考虑降除，隧道内采用负离子净化技术，将
必须综合考虑大的隧道恶劣环境下的迅速降除、通风影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够清除有毒有害气体、降除粉尘含量，改善隧道施
工环境、防止污染进入大气产生二次污染，且安装、操作简便、便于施工人员操作使用的公
路隧道负离子空气净化方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)监测
首先，在二衬台车处、防水工作面处、掌子面附近的不同高度安装相应监测项目的
传感器，并将各传感器通过中继器与中央处理器相连将监测数据输入中央处理器；
2)布置方案
根据负离子与有毒有害气体发生的化学反应以及负离子同尾气、烟尘、病菌集聚
成大颗粒进行降除的机理，同时根据步骤1)监测的有害气体浓度分布情况，当有毒有害气
体及粉尘较多时采用双侧布置，污染较轻时采用单侧布置，呈带状的固定式分布和移动式
的立体相结合的方式，固定式安装于已做好二衬的区域或斜洞、导洞内；移动式随二衬台
车，防水台车向前移动；
3)调节方案
为保证隧道内呼吸区域的空气质量将负离子发生器安装在1.5m～4.5m的高度；并
在风管出口处安装大功率移动式负离子发生装置，在隧道内的风速小于6m/s隧道内负离子
扩散速度会随风速增加而增加，在风速较快时将负离子发生装置的间距调大，固定式可间
断安装，在长为1000m隧道内，当风速为1m/s时进行长为500m的连续安装，风速每增加1m/s
每个固定式2.5m/个互相间隔增加2m，移动式加大间距；风速较慢时，将负离子发生装置的
功率调大，使距负离子发生装置1m处，负离子数量达到千万级，距发生装置4米处，达到万
级，并且使两相邻负离子发生装置的所产负离子扩散区域交叉覆盖。
所述步骤1)的监测点的高度分别是1.5m和4m，每个监测点安装H2S传感器、CO传感
器、NH3传感器、O2传感器、NOx传感器、CO2传感器SO2传感器、VOCs传感器、粉尘传感器以及负
氧离子传感器、风速测试仪。
所述步骤1)为防止放炮破坏掌子面附近监测点采用移动式监测。
所述的中继器与中央处理器之间安装有当某一有害气体浓度超标时的报警器。
所述步骤2)固定式发生装置安装长度：分子做布朗运动、负离子与有毒有害气体
发生化学反应、与粉尘发生电荷吸附需要一定的反应时间，从室内试验经处理计算负离子
浓度公式![]()
式中n为距离负离子发生器xm处稳定时负离子浓度，n0为初始负离子浓
度，σ为空气电导率，ε为真空介电常数，v为负离子流位压，净化效率公式![]()
式中η为负离子净化效率，ω为驱进速度，A为隧道内负离子发生装置处隧道地面面积，Q为
气体流量，隧道有毒有害气体及粉尘的量级大于室内，负离子在污浊空气中存在时间短，得
到保守反应时间为：有毒有害气体及粉尘在负离子区域反应时间不小于8min，在长为1000m
隧道内，当风速为1m/s时进行长为500m的连续安装。
所述步骤2)移动式发生装置安装长度：移动式发生装置安装长度随隧道情况尽量
长的安装。
所述步骤2)移动式发生装置布设间距：移动式发生装置的间距定为二衬台车一次
移动的距离。
所述步骤2)负离子发生装置与隧道墙壁预留30cm距离。
本发明快速改善隧道施工环境，达到国家相关标准，应用起来节能环保，并且避免
了隧道通风通风排污对隧道口大气的二次污染。
本发明不管是室内还是隧道空气质量相关规范，都是把保护人的身体健康做为核
心。所以对人体伤害最大的呼尘和有毒有害气体必须作为首要降除目标，而负离子恰恰在
此方面具有优势。所以提出公路隧道空气净化的负离子方法是最大亮点。
本发明采用负离子降除方案，根据负离子能与NOx、SO2、H2S、VOCs等有毒有害气体
发生化学反应，同时尾气、烟尘、病菌等集聚成大颗粒进行降除的机理；参照照隧道施工或
有害气体浓度分布情况，研发的负离子发生装置安装于隧道双侧或单侧合适的位置；呈带
状或立体分布，并且与施工相配合。
本发明采用负离子空气净化系统与通风机结合通风，通风时间减少1/3左右，有毒
有害气体浓度可远低于规范要求，大部分有毒气体可降解为无毒气体，避免了通风排污对
大气造成的二次污染，所产生的环保效益无法估量。数据需要进行研究，估算经济上综合成
本总节约50％以上。
具体实施方式
1)监测方案
检测的目的是依照隧道有毒有害气体、粉尘以及通风监测情况进行负离子发生装
置的布置及调节，监测采用的是全自动式监测系统，监测、报警、数据记录全部一体化、自动
化、智能化。
监测仪器及安装介绍
在监测点一定高度安装相应监测项目的传感器，并配有供电电源，电源可72小时
不间断供电。不同的传感器统一连接一个中继器，中继器与电脑连接，显示储存所有的监测
数据。在中继器与电脑之间连接气体报警控制器，等某一有害气体浓度超标时便会报警。
监测布置
监测主要有三个监测断面，二衬台车处、防水工作面处、掌子面附近，掌子面附近
采用移动式监测，防止放炮破坏。每个监测断面有二个监测点，分别是1.5m一个，4m一个。每
个监测点安装H2S传感器、CO传感器、NH3传感器、O2传感器、NOx传感器、CO2传感器SO2传感器、
VOCs传感器、粉尘传感器以及负氧离子传感器、风速测试仪等(每个测点有毒有害气体传感
器的种类可根据隧道内有毒有害气体种类情况进行选择)。
2)主要的布置方案
隧道内工况与室内、厂房不同，环境更为恶劣，此时就要求安装实施具有极强的可
操作性。隧道内有毒有害气体及粉尘量级较大，因此本发明将采用特制大功率负离子发生
器。
采用负离子降除方案，主要是根据负离子与NOx、SO2、H2S、VOCs等有毒有害气体发
生的化学反应以及负离子同尾气、烟尘、病菌等集聚成大颗粒进行降除的机理，同时参照隧
道施工或有害气体浓度分布情况来进行布置的。有毒有害气体及粉尘较多时采用双侧布
置，污染较轻时可采用单侧布置。呈带状的固定式分布和移动式的立体相结合的方式，固定
式安装于已做好二衬的区域或斜洞、导洞内，以使其长期工作；移动式随二衬台车，防水台
车向前移动，配合施工，保障施工人员工作环境良好，加快施工进度。
2-1)固定式发生装置安装长度：分子做布朗运动、负离子与有毒有害气体发生化
学反应、与粉尘发生电荷吸附需要一定的反应时间，从室内试验经处理计算(负离子浓度公
式![]()
(式中n为距离负离子发生器xm处稳定时负离子浓度，n0为初始负离子浓度，σ为
空气电导率，ε为真空介电常数，v为负离子流位压)净化效率公式![]()
(式中η为负离子净化效率，ω为驱进速度，A为隧道内负离子发生装置处隧道地面面积，Q为
气体流量)，考虑到隧道有毒有害气体及粉尘的量级较大，负离子在污浊空气中存在时间短
的特点，得到保守反应时间为：有毒有害气体及粉尘在负离子区域反应时间不小于8min。如
在长为1000m隧道内，当风速为1m/s时进行长为500m的连续安装；
2-2)移动式发生装置安装长度：掌子面至二衬之间，工作环境恶劣，工况复杂，但
为施工人员主要作业区，不得不进行布置，移动式发生装置安装长度随隧道情况而定，条件
允许尽量长的安装。
2-3)移动式发生装置布设间距：鉴于台车随施工不断向前移动，出于对施工人员
的保护、施工环境改善的目的，将移动式发生装置的间距定为二衬台车一次移动的距离，移
动时只需将靠近台车的发生装置移动到最远端，方便了施工作业人员使用。
2-4)安装时先安装托架，再将负离子发生装置安装其上，安装负离子发生装置要
与隧道墙壁预留30cm距离，防止隧道壁面处对通风产生阻力使风速降低，影响负离子的扩
散，同时对漏水严重的隧道也可防止水流进入负离子发生装置，影响效益甚至发生设备损
坏、短路等事故。
3)调节方案
3-1)结合隧道内气体分层现象的高度调节
由于各种有害气体的分子质量不同，有的分子质量相较空气比较轻，有向上运动
的趋势例如氨气(NH3)，而有的分子质量相较于空气比较重有向下运动的趋势，例如二氧化
硫(SO2)，因此不同的气体在空气中并不是均匀分布，而是分层分布的。通过结合分层理论，
再对现场有毒气体成分含量检测后可以调整布设的高度：含气体分子质量较轻(NH3、NO等)
的有毒有害气体较多时，可将负离子发生装置安装隧道偏上方(或者将上部负离子发生装
置头调整)；含气体分子质量较重(NO2、SO2、H2S等)的有毒有害气体较多时，可将负离子发生
装置安装隧道偏下方(或者将下部负离子发生装置调整)。鉴于施工人员、施工作业车辆污
染源均在隧道断面下方，推荐安装高度在1.5m～4.5m，以保证隧道内呼吸区域的空气质量。
3-2)结合隧道内通风的隧道纵向密度布置调节
通常而言，施工时隧道内空气流动是复杂的三维非稳态湍流流动。然而，由于在长
大隧道中隧道的长度Lm远远大于隧道开挖或者衬砌后的水力直径Dm，即Lm》Dm，爆破后隧道
内的污染物会在隧道内的横截面上快速扩散均匀，尽管污染物分布在隧道横断面的平面
上，但它所代表的问题的性质和点源的一维扩散是相同的。同时，在同一时刻、同一横断面
上隧道内空气的压力、流速、密度等可以假定为一个常数，且只在沿隧道长度的轴向方向上
变化。可见，对于长大隧道而言，隧道内污染物，无论是有毒有害气体还是悬浮物、速度等都
可以由一维扩散模型方程描述。
根据流体的连续性方程、动量方程以及组分运输方程，可推导出隧道内空气一维
运动的控制基本方程组：
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式中：ρ为通风空气的密度(kg/m3)；u为隧道内空气流速(m/s)；p为隧道内空气压
力(Pa)；C为空气污染物浓度(mg/m3)。
式(1)为连续性方程，其中Sm表示流动过程中流体质量变化，例如风管漏风引起的
质量变化。式(2)是动量方程，F表示流动损失，隧道壁面摩阻引起的流动损失计算公式是：
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式中：λ为隧道壁面的摩擦系数；U为隧道断面的湿周(m)；S为隧道断面面积(m2)。
式(3)称为污染物一维输运方程，其中的Γc是污染物扩散系数，Sc是污染源排放率，表示污
染源在单位时间排放的污染量。
以上为隧道的一维模型，根据数值模拟、资料查询及现场观察得出风流自风筒出
口射出后，起始按自由射流规律发展，但由于受独头巷道局限空间的限制和风流的连续性，
不久便出现了与射流方向相反的流动。且在射流与回流之间还会产生涡旋。因此，掘进工作
面射流通风结构可以近似的分为射流区、回流区与涡流区。而根据数值模拟以及现场观察
得出粉尘及有毒有害气体浓度较大的区域为涡流区，其次为回流区，再其次为射流区。且在
涡流区域的负离子不易分布均匀，因此根据以上隧道风流特性，通风与负离子结合做了以
下安排：
3-3)在本公路隧道净化方法中，隧道内机械通风的主要功能是稀释隧道内CO浓
度，保证隧道内O2含量，降低隧道内温度，以及使隧道内产生的负氧离子在呼吸区范围内尽
快的均匀分布。
3-4)隧道内风流状况复杂，但大体上分为三个区域，及射流区、漩涡区以及回流
区。其中漩涡区和回流区两个区域为对纵向布置方案的主要影响区域。漩涡区气体流动情
况复杂，有毒有害气体及不易排出，漩涡区的有毒有害气体及粉尘浓度最高，鉴于掌子面爆
破影响，因此在风管出口处安装大功率移动式负离子发生装置，风管口风速快，影响范围
广，可以配合通风使掌子面区域内的有毒有害气体和粉尘浓度达到规范要求，为施工人员
提供良好工作环境。
3-5)根据通风风速调整方案，由于负离子降除有毒有害气体及粉尘有延后性，要
保证负离子对有毒有害气体及粉尘反应时间的充分性，规范要求在隧道内的风速小于6m/
s，在此条件下，隧道内负离子扩散速度会随风速增加而增加，在风速较快时将负离子发生
装置的间距调大，固定式可间断安装，如在长为1000m隧道内，当风速为1m/s时进行长为
500m的连续安装，风速每增加1m/s每个固定式(2.5m/个)互相间隔增加2m，移动式加大间
距；风速较慢时，将负离子发生装置的功率调大，以风速来确定降除区间合理长度。
3-6)发生器功率调节
通过调大单个负离子发生装置的功率，使负离子发生量增加，功率随宽度增加也
要适当调大，要使距负离子发生装置1m处，负离子数量达到千万级，距发生装置4米处，达到
万级，并且使两相邻负离子发生装置的所产负离子扩散区域交叉覆盖。同时也可通过加大
功率适当减少所需移动式的数量，便于随着施工进度而移动，增加该方法在隧道中的可用
性。
但是，由于金属的导电性，负离子在金属上会发生电荷积聚，当金属互相接近时，
会产生静电火花，因此在瓦斯隧道内，未作特殊防爆处理前，不能采用该方法清除有毒有害
气体和粉尘。
采用本发明呼尘加权平均浓度从未安装的3.16mg/m3显著降至2.62mg/m3，SO2从
4mg/m3降至1.5mg/m3、直至最好的0，NO2加权平均浓度测试数据显示从2.4mg/m3降低到
1.5mg/m3。同时，室内试验证明负离子空气净化系统可降除粉尘、挥发性有机物(VOCs)、碳
氧化物及硫化物、氮化物、烃类。