Wybrane aspekty procesu oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń i wentylacji w tunelach drogowych

Transkrypt

1 Natalia Schmidt 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Logistyka - nauka Wybrane aspekty procesu oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń i wentylacji w tunelach drogowych Wprowadzenie Przeciążone sieci komunikacyjne oraz ciągle ulepszane technologie budowania tuneli doprowadziły do powstawania rozległych planów dotyczących budowy nowych obiektów tunelowych w Europie i na świecie. Tunele drogowe w znaczny sposób odciążają sieć komunikacyjną w zatłoczonych miastach, skracają czas podróży oraz umożliwiają pokonanie przeszkody. Specyfika tych obiektów wiąże się z koniecznością zapewnienia odpowiednich warunków bezpieczeństwa i komfortu podczas etapu drążenia oraz eksploatacji. Jednym z głównych problemów podczas eksploatacji tuneli komunikacyjnych jest podwyższony poziom szkodliwych zanieczyszczeń powietrza. Pojazdy przejeżdżające przez tunele są emitorami trujących gazów, pyłów oraz cząstek rakotwórczych. Dzieje się tak najczęściej poprzez ścieranie opon, tarcz hamulcowych, sprzęgieł, nawierzchni drogowych oraz emisję produktów spalania paliwa. Zanieczyszczenia powstałe w tunelu są skomplikowanym zagadnieniem zarówno dla warunków atmosfery panującej w tunelu, jak i ich emisji do atmosfery. Przekroczenie dopuszczalnych granic koncentracji szkodliwych zanieczyszczeń w tunelu wiąże się z bezpośrednim zagrożeniem dla zdrowia i życia osób korzystających z obiektu. W niniejszym artykule przedstawiono wybrane zagadnienia logistyczne związane z zanieczyszczeniami powstającymi w tunelach drogowych, w odniesieniu do szeroko rozumianego bezpieczeństwa oraz emisji zanieczyszczeń do atmosfery w odniesieniu do ochrony środowiska. Zanieczyszczenia w tunelach drogowych Zanieczyszczenia w tunelach drogowych związane są najczęściej ze szkodliwymi gazami emitowanymi przez poruszające w nich pojazdy samochodowe lub szynowe, nadmiernym wydzielaniem się ciepła, wilgoci i pyłów oraz wieloma innymi substancjami szkodliwymi powstającymi podczas pożaru. Problem zanieczyszczeń powietrza jest szczególnie istotny w długich tunelach z powodu wyższych poziomów koncentracji i dłuższego czasu ekspozycji. Dodatkowym czynnikiem implikującym powstawanie podwyższonych stężeń zanieczyszczeń w tunelu są zatory drogowe. Emisja spalin wynikająca z ruchu pojazdów związana jest z natężeniem i płynnością ruchu, typem silnika przejeżdżających przez tunele pojazdów oraz ich stanem technicznym, rodzajem paliwa i ukształtowaniem trasy [6]. Spaliny w tunelu są rezultatem pracy silników samochodowych, w których następuje zamiana energii chemicznej na mechaniczną. Z literatury przedmiotu wiadomo, że w olejach silnikowych tworzą się i nasycają węglowodory policykliczne, aromatyczne i ich wiązania azotowe. Zawartość w zużytych olejach uwalnianych do otoczenia w tunelu węglowodorów policyklicznych aromatycznych stanowi duże zagrożenie dla zdrowia człowieka [8]. Za podstawowe substancje zanieczyszczające atmosferę emitowane przez silniki spalinowe uważa się: tlenek węgla, węglowodory, aldehydy, sadza, tlenki azotu, dwutlenku azotu, dwutlenek siarki. Silniki emitują także inne substancje zanieczyszczające atmosferę tunelu. 1 N. Schmidt AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii. E: nschmidt@agh.edu.pl 484

2 Wymagania prawne [9] W polskim prawodawstwie wymagania bezpieczeństwa oraz jakości powietrza wentylacyjnego w tunelach komunikacyjnych zostały określone w Rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie. Według wytycznych omawianego aktu system wentylacji w tunelu powinien przeciwdziałać przekroczeniom stężeń zanieczyszczeń pyłowych i gazowych, które mogą zagrażać użytkownikom tunelu oraz zapewnić właściwą widoczność i temperaturę w przestrzeni tunelu. Wybór prawnego systemu wentylacji przewidzianej dla odprowadzania zanieczyszczonego powietrza uzależniony jest m.in. od długości tunelu. Dobór parametrów wentylacji powinien zostać określony na podstawie stężenia określonego ułamkiem molowym tlenku węgla i tlenku azotu w powietrzu tunelu oraz emisji dymów ograniczających widoczność. Dopuszczalne stężenie określone ułamkiem molowym tlenku węgla w powietrzu tunelu określa tablica 1. Tablica 1. Dopuszczalne stężenie określone ułamkiem molowym tlenku węgla w powietrzu. Dopuszczalne stężenie określone ułamkiem molowym tlenku węgla Rodzaj tunelu/rodzaj ruchu Ruch pojazdów utrudniony Ruch pojazdów płynny, % lub zatrzymywany, % W ciągu ulic miejskich 0,015 0,015 W ciągu dróg klas A i S 0,015 0,025 Górski 0,015 0,025 Na wyjściu z tunelu przy wentylacji 0,025 0,025 podłużnej Przebywanie w tunelu personelu wykonującego pracę Źródło: Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie. (Dz. U. z dnia 3 sierpnia 2000 r.), Rozdział 15 Wentylacja. 0,005 Największe obostrzenia związane z koncentracją stężenia tlenku węgla występują w sytuacji, gdy personel wykonuje pracę w tunelu (0,005%). Dopuszczalne stężenie, określone ułamkiem molowym tlenku azotu w powietrzu tunelu, wynosi 0,0025%. W tablicy 2 przedstawiono graniczne wartości współczynnika widoczności i komfortu jazdy. Tablica 2. Dopuszczalne graniczne wartości współczynnika widoczności i komfortu jazdy. Współczynnik widoczności i komfortu jazdy Rodzaj tunelu/rodzaj ruchu Ruch pojazdów płynny (m -1 ) Ruch pojazdów utrudniony lub zatrzymywany (m -1 ) W ciągu ulic miejskich 0,005 0,0075 Pozamiejski przy prędkości pojazdów: km 0,0075 0, km 0,005 0,009 Przebywanie w tunelu personelu wykonującego pracę 0,003 Konieczność zamknięcia ruchu w tunelu 0,012 Źródło: Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie. (Dz. U. z dnia 3 sierpnia 2000 r.), Rozdział 15 Wentylacja. Polskie uwarunkowania prawne określające graniczne wartości stężeń szkodliwych związków w powietrzu w tunelach wydają się być jasne. Inaczej sytuacja kształtuje się w przypadku usuwania zanieczyszczonego powietrza z tuneli komunikacyjnych. W paragrafie 296 omawianego rozporządzenia znajduje się zapis: Jeśli zanieczyszczenia powietrza usuwanego z tuneli przekraczają dopuszczalne stężenia 485

3 z uwagi na ochronę środowiska, powinny być zastosowane specjalne urządzenia oczyszczające przed wyemitowaniem do atmosfery. W zapisie tym nie jest do końca jasne, co rozumie się przez pojęcie: zanieczyszczenia powietrza usuwanego z tuneli przekraczają dopuszczalne stężenia z uwagi na ochronę środowiska. W związku z tym istnieje wiele problemów i nieścisłości związanych z poprawną interpretacją wytycznych (np. przy opracowywaniu dokumentacji o oddziaływaniu inwestycji tunelowej na środowisko). Nie jest do końca wiadomo czy chodzi o stężenia tylko w powietrzu usuwanym z tunelu, czy o stężenia, jakie powstają w okolicy tunelu (z tzw. tłem czy bez). W przepisach ochrony środowiska odnoszących się do ochrony powietrza brakuje wytycznych emisyjnych dla powietrza wentylacyjnego emitowanego z tuneli komunikacyjnych. Sposoby wentylacji tuneli drogowych w aspekcie rozkładu zanieczyszczeń stałych i gazowych [4] [5] [6] Problem zanieczyszczenia powietrza w tunelach drogowych powinien być uwzględniany już podczas etapu projektowego, zarówno w odniesieniu do bezpieczeństwa w tunelu jak również emisji zanieczyszczeń do atmosfery powstałych w obiekcie tunelowym. Specyfika zagadnienia zanieczyszczeń powietrza usuwanego z tunelu dotyczy przede wszystkim tuneli zlokalizowanych w miastach, gdzie w rejonie portali czy też wlotów tunelu znajdują się tereny ze stałym (lub okresowym) przebywaniem ludzi. Dobra widoczność w tunelu komunikacyjnym jest niezwykle ważnym aspektem eksploatacji obiektu, ponieważ wpływa bezpośrednio na możliwość wystąpienia sytuacji niebezpieczniej dla zdrowia i życia użytkowników tunelu [5]. Wyznaczana jest ona według nowoczesnych metod określających współczynnik gęstości optycznej, który obrazuje ograniczanie widoczności na skutek zanieczyszczenia powietrza lub wykrywania światła rozproszonego. Przy doborze odpowiedniego systemu bezpieczeństwa oprócz długości tunelu należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: liczbę komór i pasów w tunelu, geometrię przekroju poprzecznego, rodzaj konstrukcji, ruch jedno- lub dwukierunkowy, natężenie ruchu w tunelu, ilość pojazdów ciężarowych, czas interwencji służb bezpieczeństwa, rodzaj transportowanych towarów (w tym niebezpiecznych), charakterystykę geograficzną oraz meteorologiczną terenu i wiele innych. Wentylacja w tunelach komunikacyjnych jest niezbędna (obowiązkowa), ze względu na dużą ilość zanieczyszczeń gazowych, pyłowych, wydzielającego się ciepła, spalin spowodowanych ruchem pojazdów mechanicznych. Prawidłowo działający system wentylacji w tunelach ma za zadanie zapewnić odpowiednią wymianę powietrza, która utrzyma koncentrację zanieczyszczeń powstających w tunelu na bezpiecznym, dopuszczalnym poziomie. Uwzględniając stan techniki i wymagania przepisów można wyróżnić następujące systemy wentylacji tuneli: wzdłużny (wentylacja naturalna, wentylacja naturalna z szybem, wentylacja naturalna z wentylatorami, wentylacja mechaniczna, system Saccardo Nozzle), poprzeczny (wentylacja mechaniczna półpoprzeczna przystropowa, wentylacja mechaniczna przyspągowa, wentylacja mechaniczna poprzeczna pełna), mieszany, specjalny. Przepływ powietrza w tunelu może odbywać się w sposób wzdłużny lub poprzeczny. W przypadku wzdłużnego przepływu powietrza w tunelu (wentylacja: naturalna wzdłużna, naturalna wzdłużna z wentylatorami, mechaniczna wzdłużna, Saccardo Nozzle) odprowadzenie zanieczyszczeń następuje wzdłuż długości tunelu. Koncentracja zanieczyszczeń powietrza rośnie wraz ze wzrostem długości obiektu, stąd gromadzące się w tunelu zanieczyszczenia osiągają najwyższe poziomy stężeń na wyjściu z tunelu (rysunek 1). Bardzo często wywiew zanieczyszczonego powietrza z tuneli drogowych z wentylacją wzdłużną realizowany jest bez filtrowania jako ładunek skupiony poprzez portale tunelu. 486

4 Rys. 1. Rozkład zanieczyszczeń w tunelu drogowym z wentylacją mechaniczną wzdłużną. Źródło: Nawrat S., Napieraj S.: Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych. W celu uniknięcia bardzo wysokich stężeń w długich tunelach drogowych z wzdłużnym przepływem powietrza budowane są szyby wentylacyjne z wentylatorami. Ideą takiego rozwiązania jest rozrzedzenie powstałych zanieczyszczeń poprzez dostarczenie świeżego powietrza do przestrzeni tunelu, co odbywa się za pośrednictwem zamontowanego w szybie wentylatora. W systemach wentylacji poprzecznej działających głównie pod wpływem depresji mechanicznej powietrze w przekrojach wlotowych i wylotowych płynie w kierunku poprzecznym w stosunku do osi tunelu, natomiast pomiędzy tymi przekrojami przepływ powietrza jest wzdłużny. Systemy takie ograniczają możliwość zanieczyszczenia znacznej przestrzeni tunelu i stwarzają lepsze warunki dla eksploatacji obiektu przez użytkowników. W przypadku systemu wentylacji półpoprzecznej przystropowej odprowadzanie zanieczyszczonego powietrza realizowane jest przez otwarte klapy stropowe pod wpływem podciśnienia wytwarzanego przez wentylatory znajdujące się przy portalach lub przy szybach wentylacyjnych. Przy zastosowaniu takiego rozwiązania największa koncentracja zanieczyszczeń występuje przy stropie tunelu. W systemie wentylacji półpoprzecznej przyspągowej usytuowanie wylotów powietrza do tunelu w pobliżu jezdni tunelu umożliwia szybkie mieszanie się spalin z powietrzem od razu po wydostaniu się z układu wydechowego pojazdów. Przy zastosowaniu takiego rozwiązania największa koncentracja zanieczyszczeń występuje w pobliżu jezdni tunelu. System wentylacji mechanicznej poprzecznej pełnej jest połączeniem wentylacji półpoprzecznej przyspągowej i wentylacji półpoprzecznej przystropowej. Powietrze zawierające zanieczyszczania stałe i gazowe jest odprowadzane przez kanały wylotowe znajdujące się przy stropie, a powietrze świeże doprowadza się przez kanały wlotowe rozmieszczone przy spągu (rysunek 2). System ten zazwyczaj stosowany jest dla przewietrzania długich tuneli i zagrożonych dużymi ilościami zanieczyszczeń stałych i gazowych. 487

5 Rys. 2. Rozkład zanieczyszczeń w tunelu drogowym z systemem wentylacji poprzecznej pełnej. Źródło: Nawrat S., Napieraj S.: Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych. Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych i gazowych w tunelach drogowych [1] [5] [7] [10] Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych i gazowych w tunelu realizowane jest ze względu na zapewnienie dobrych warunków widoczności, odpowiedniej jakości powietrza podczas eksploatacji tunelu oraz ograniczenie emisji zanieczyszczeń usuwanych z powietrzem z tunelu do atmosfery. Nowoczesne systemy wentylacyjne oprócz zapewnienia odpowiedniej wymiany powietrza, utrzymują poziom koncentracji zanieczyszczeń powstających w tunelu na bezpiecznym, dopuszczalnym poziomie. Proces ten pozwala na obniżenie stężenia szkodliwych poziomów zanieczyszczeń stałych i gazowych bez konieczności zwiększania ilości powietrza wentylacyjnego, dzięki czemu możliwe jest utrzymanie prędkości przepływu na odpowiednim poziomie, co poprawia warunki komfortu. Problem zanieczyszczenia powietrza wydostającego się z portali drogowych po raz pierwszy dostrzeżono w Japonii. W okolicach wylotów tuneli koncentracja zanieczyszczeń powietrza przekraczała dopuszczalne wartości, a tym samym wpływała na warunki życia mieszkańców. Po raz pierwszy urządzenie filtrujące zainstalowane zostało w roku 1979 w tunelu Tsuruga o długości 2,1 km w ciągu drogi ekspresowej Hokuriku. W latach osiemdziesiątych instalacje oczyszczające powietrze zastosowano w 12 kolejnych tunelach japońskich. Zagadnienie oczyszczania powietrza emitowanego w tunelach oraz usuwanego z tuneli od szeregu lat jest przedmiotem zainteresowania konstruktorów i naukowców. W roku 1980 roku, w Austrii rozpoczęto pierwsze badania w zakresie systemów oczyszczania powietrza emitowanego z tuneli drogowych. Jedenaście lat później rozpoczęto badania, podczas których przeanalizowano skuteczność systemów odpylania pyłu powstałego na skutek ścierania opon, nawierzchni drogowej, itp. W ostatnim czasie przeprowadzonych zastało wiele projektów naukowych, których efektem są badania wskazujące na kancerogenne działanie niektórych zanieczyszczeń powstających w tunelach komunikacyjnych. Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych w tunelach drogowych Najnowsze wyniki badań wskazują, że im mniejsze cząstki zanieczyszczeń stałych, tym ich niebezpieczeństwo dla osób przebywających w tunelu jest większe, ponieważ mogą one wnikać głęboko do układu oddechowego, a nawet do mózgu. 488

6 Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń stałych cząstek pyłu sadzy i dymów w tunelu przeprowadza się wykorzystując filtry elektrostatyczne (ESP). Proces oczyszczania powietrza można podzielić na trzy etapy: ładowanie cząstek zanieczyszczeń wykorzystując wysokie napięcie, naładowane cząstki zanieczyszczeń gromadzone są na elektrodach, cząstki usuwane są z powierzchni elektrod. Urządzenia ESP stosowane w tunelach komunikacyjnych zostały przystosowane do pracy w specyficznych warunkach poprzez zaprojektowanie elektrod potrzebujących mało miejsca, wykonanych z płyt ze stali nierdzewnej o grubości 0,4mm. Usuwanie nagromadzonych cząstek z powierzchni elektrod, takich jak cząstki pyłu, paliw i sadzy, odbywa się zazwyczaj poprzez okresowe spryskiwanie wodą, tak zwane, mokre ESP lub przedmuch sprężonym powietrzem, tak zwane, suche ESP. Przykład systemu filtracyjnego ECCO o wydatku 40 m 3 /s, zbudowanego m.in. ze specjalnego materiału filtracyjnego, który umieszczony jest pomiędzy sieciami wysokiego napięcia, a więc w polu elektrostatycznym przedstawiony został na rysunku3. Rys. 3. Schemat filtra ECCO. Źródło: Skuteczność oczyszczania powietrza zależy głównie od prędkości powietrza, składu zanieczyszczeń, wielkości cząstek ich koncentracji. Obecnie prowadzone są badania w zakresie zwiększenia poziomu filtracji zanieczyszczeń przy wzroście prędkości przepływu powietrza, także przy niskiej koncentracji cząstek. Obniżenie stężenia zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego w rejonie portali tunelu można uzyskać również innym sposobem poprzez przechwycenie zanieczyszczonego powietrza w tunelu przed jego wyprowadzeniem na zewnątrz i wyniesienie go za pomocą komina wysoko nad poziom otaczającego go terenu. Podczas wyprowadzania zanieczyszczeń do atmosfery ładunek emitowanych do atmosfery zanieczyszczeń nie ulega zmniejszeniu, lecz następuje jego rozproszenie, a tym samym obniżenie stężeń w okolicach wylotów tunelu, zwłaszcza w warstwie przyziemnej (gdzie mogą przebywać ludzie). Możliwe jest także powiązanie oczyszczania powietrza z odprowadzeniem zanieczyszczeń kominem na znaczną wysokość. Tego typu rozwiązanie znalazło zastosowanie między innymi w tunelu w Oslo, gdzie powietrze jest usuwane dwoma kominami o wysokościach 20 i 30 m oraz dodatkowo oczyszczane z pyłów. Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń gazowych w tunelach drogowych Ruch drogowy jest jednym z głównych powodów powstawania w tunelu tlenków azotu NO x, (głównie NO i NO 2 ), jednak w aspekcie bezpieczeństwa i zdrowia użytkowników tunelu najbardziej istotna jest zawartość tlenku azotu(iv), którego emisja na dzień dzisiejszy wynosi % wszystkich tlenków azotu. Jest to istotny argument przemawiający za stosowaniem w tunelach drogowych, zwłaszcza tych zlokalizowanych 489

7 w dużych aglomeracjach miejskich systemów oczyszczających powietrze nie tylko z cząstek stałych, ale także z zanieczyszczeń gazowych. Neutralizacja zanieczyszczeń gazowych, konkretnie dwutlenku azotu odbywa w specjalnych filtrach. Technologie usuwania tlenków azotu NO x są skomplikowanym i złożonym procesem w porównaniu z technologią ESP. Technologie usuwania NO x wymagają oczyszczenia powietrza z cząstek stałych z powietrza przed procesem neutralizacji. Dlatego doskonalenie metod neutralizacji dwutlenku azotu uzależnione jest od skuteczności metod ESP. Technologie usuwania dwutlenku azotu stosowane są głównie w tunelach zlokalizowanych w zatłoczonych obszarach miast, gdzie mamy do czynienia z silnie zanieczyszczonym powietrzem. Jedną z metod usuwania dwutlenku azotu jest absorpcja, czyli wchłanianie poprzez chemiczne przekształcanie go w KNO 2 i KNO 3 przy użyciu wodorotlenku potasu KOH, na materiale pochłaniającym. Inną metodą neutralizacji dwutlenku azotu w tunelach komunikacyjnych jest wykorzystanie materiału przypominającego plaster miodu. W wyniku adsorpcji dwutlenku azotu z materiałem nasączonym Na 2 SO 4 następuje neutralizacja NO 2. W przypadku bardzo długich tuneli drogowych, rozwiązanie z zastosowaniem bypassu, na przykład, oczyszczające powietrze w tunelu będzie rozwiązaniem ekonomicznym w porównaniu do całkowitej wymiany powietrza. Przykładny usuwania zanieczyszczeń z tuneli komunikacyjnych na świecie Tunel drogowy Madrid calle 30 w Hiszpanii [10] Tunel drogowy M 30 zlokalizowany w samym sercu Madrytu jest jedną z najważniejszych i najbardziej uczęszczanych dróg stolicy Hiszpanii. Wewnętrzna, tunelowa obwodnica miasta liczy w sumie 56 km długości i składa się z dwóch komór o jednokierunkowym ruchu każda. W tunelu zainstalowano dziewięć instalacji filtrujących pod klucz firmy Aigner Tunnel Technology GmbH, łącznie z ich wyposażeniem technicznym. Siedem filtrów do oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń stałych (ECCO) oraz dwie instalacje składające się z filtrów do odczyszczania powietrza z zanieczyszczeń stałych oraz gazowych (ECCO + ECCO NOxCAT ). Na tablicy 3 przedstawiono dane techniczne instalacji filtrujących stanowiących wyposażenie tunelu drogowego M-30. Tablica 3. Dane techniczne instalacji filtrującej w tunelu M-30 w Madrycie. Nazwa Przeznaczenie filtrów Ilość Wydatek ECCO zanieczyszczenia stałe m 3 /s ECCO zanieczyszczenia stałe m 3 /s każdy ECCO + ECCO NOxCAT zanieczyszczenia stałe i gazowe m 3 /s ECCO + ECCO NOxCAT zanieczyszczenia stałe i gazowe m 3 /s Źródło: Filtry ECCO służą od oczyszczania powietrza z cząstek stałych rysunek 4. Rys. 4. Filtry ECCO na jednym z odcinków tunelu. Źródło: opracowanie własne. 490

8 Cechą charakterystyczną tego filtra jest połączenie ładunków elektrostatycznych z materiałem filtracyjnym dla mechanicznego oddzielania cząstek pyłu. Na rys. 5 przedstawiono jonizator do ładowania cząstek stałych. Rys.5. Jonizator ze stali nierdzewnej do ładowania cząstek stałych. Źródło: opracowanie własne. Z kolei filtry ECCO + ECCO NOxCAT (rys. 6.) oczyszczają powietrze z zanieczyszczeń stałych, następnie przy wykorzystaniu aktywnego węgla o bardzo szczególnych właściwościach katalitycznych z powietrza usuwany jest dwutlenek azotu. Usuwanie zachodzi zarówno poprzez adsorpcję jak i katalityczną reakcję, dlatego NO 2 zostaje chemicznie związany w tlenki powierzchniowe i przekształcony w nieszkodliwe produkty reakcji. Ponadto instalacja ECCO + ECCO NOxCAT usuwa inne zanieczyszczenia takie jak: ozon, SO 2 i węglowodory. Rys. 6. Instalacja filtórw ECCO + ECCO NOxCAT na odcinku By-Pass Tunel PV3. Źródło: Tunel Mont Blanc [10] Tunel drogowy Mont Blanc (rysunek 7) w Alpach łączy Chamonix we Francji z Courmayeur we Włoszech. Jest to jedna z głównych transalpejskich tras transportowych, przez którą przejeżdża około 1/3 ładunków do północnej Europy z Włoch. Kiepska jakość powietrza w dolinie Chamonix była głównym powodem do instalacji systemu oczyszczania powietrza. Istniała potrzeba, by pył wytwarzany przez układy wydechowe pojazdów po francuskiej stronie tunelu była zmniejszona. 491

9 Rys. 7. Portal wyjazdowy tunelu Mont Blanc strona francuska. Źródło: W tym celu w tunelu zainstalowano filtry ECCOEP firmy Aigner Tunnel Technology GmbH. Filtry ECCOEP przeznaczone są do oczyszczania powietrza z cząstek stałych we wszystkich rozmiarach od 0,1 20 mikrometrów, a także dla tych poniżej 0,1 mikrometra. Wszystkie części mające kontakt z medium wykonane są ze stali nierdzewnej. Zastosowanie filtrów jest przewidziane również w warunkach wysokiej wilgotności. Na rysunku 8 przedstawiono jonizator do ładowania cząstek stałych. Rys. 8. ECOOEP jonizator. Źródło: Instalacje filtrów ECCOEP na francuskim odcinku tunelu Mont Blanc zainstalowano w istniejącym pomieszczeniu wentylacyjnym. Tunel Hai Van Pass, Wietnam [5] Tunel w Wietnamie o długości 6,3 km i wymiarach 11,5x7,5m stanowi odcinek autostrady łączącej prowincję Thua Thien z Danang w centrum Wietnamu. Oprócz tunelu głównego, w którym znajdują się dwa pasy ruchu wzdłuż biegnie tunel konserwacyjno-ewakuacyjny połączony z tunelem głównym za pomocą jedenastu korytarzy. W tunelu zastosowano system wentylacji wzdłużnej z szybem zlokalizowanym w środkowej części tunelu (rysunek 9) Przy stropie tunelu umieszczono system 32 wentylatorów typu Jet- Fan wywołujących wzdłużny ruch powietrza w tunelu. W tunelu zainstalowano system oczyszczania powietrza z cząstek stałych składający się z trzech kawern o długości 153 m wyposażonych w dwa wentylatory o średnicy 2600 mm i wydajności 260 m 3 /s każda. Wentylatory zasysają powietrze kierując je do oczyszczalnia przez filtr elektrostatyczny, na którym osadzają się cząstki stałe. Wydajności systemu wynosi 80%. 492

10 Rys. 9. Układ jednostek systemu wentylacyjnego tunelu Hai Van Pass. Źródło: Nawrat S., Napieraj S.: Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych. Tunel Laerdal, Norwegia [5] Tunel Leardal w Norwegii liczący m długości łączy obszar Bergen z północną Norwegią. Obiekt wyposażony jest w specjalny system oczyszczający powietrze z cząstek stałych sadzy i kurzu za pomocą dwóch elektrofiltrów, zlokalizowanych w specjalnych kawernach o długości 100 m oddalonych 9,5 km od Aurland. Elektrofiltry zabezpieczone są poprzez filtr wstępny, składający się z 450 metalowych komór filtracyjnych o wymiarach 600x600x50 mm wykonanych z 20 warstw. Powietrze oczyszczane jest z dwutlenku azotu w specjalnym filtrze. Dzięki zastosowaniu systemu oczyszczania możliwe jest zmniejszenie prędkości przepływu powietrza z 5 m/s na 4 m/s. Sprawności systemu oczyszczania wynosi 80-90%, wydajność oczyszczania 180m 3 /s przy zapotrzebowaniu na moc cieplną 360 kw. System wentylacji kontrolowany jest w oparciu o pomiary jakości powietrza i w zależności od potrzeby następuje intensyfikacja wymiany powietrza lub jego filtracja w stacji uzdatniania powietrza. Tunel przewietrzany jest za pomocą wentylacji wzdłużnej, posiada stację wentylatorową zasysającą zużyte powietrze (rysunek 10). Stacja wyposażona jest w dwa wentylatory o średnicy 2984 mm i łącznym wydatku 430 m 3 /s. Rys. 10. Schemat wentylacji tunelu Leardal. Źródło: Nawrat S., Napieraj S.: Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych. W tunelu zamocowano 32 wentylatory strumieniowe o średnicy 1594 mm rozlokowane w pięciu grupach (rysunek 11). Zanieczyszczenia wywiewane są na szczyt góry Tynjadalen za pomocą tunelu technicznego o długości ok m. 493

11 Rys. 11. Schemat systemu oczyszczania powietrza tunelu Laerdal. Źródło: Nawrat S., Napieraj S.: Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych. Stwierdzenia i wnioski 1. Zanieczyszczenia w tunelach komunikacyjnych najczęściej związane są ze szkodliwymi substancjami emitowanymi przez poruszające w nich pojazdy samochodowe lub szynowe, nadmiernym wydzielaniem się ciepła, wilgoci i pyłów oraz wieloma innymi substancjami szkodliwymi wydzielającymi się podczas pożaru. 2. Problem zanieczyszczenia powietrza w tunelach komunikacyjnych powinien być uwzględniany już podczas etapu projektowego zarówno w odniesieniu do bezpieczeństwa podczas eksploatacji tunelu, jak również emisji zanieczyszczeń powstałym w obiekcie tunelowym do atmosfery. 3. Wybór wariantu budowy tunelu komunikacyjnego, jak również wybór systemu przewietrzania obiektu powinien zostać oparty o prognozy emisji zanieczyszczeń w projektowanym tunelu na podstawie przewidywanego natężenia ruchu na omawianym odcinku. 4. Dla zapewnienia odpowiedniej jakości powietrza w tunelu oraz utrzymania koncentracji zanieczyszczeń na bezpiecznym, dopuszczalnych poziomie, stosuje się systemy wentylacji w tunelu dostosowane indywidualnie do parametrów obiektu, według obowiązujących przepisów. 5. Dobór parametrów wentylacji powinien zostać określony na podstawie stężenia określonego ułamkiem molowym tlenku węgla i tlenku azotu w powietrzu tunelu oraz emisji dymów ograniczających widoczność. 6. Nowoczesne systemy wentylacyjne oprócz zapewnienia odpowiedniej wymiany powietrza, która koncentrację zanieczyszczeń powstających w tunelu utrzyma na bezpiecznym, dopuszczalnych poziomie pozwalają również na oczyszczanie powietrza. 7. Wykorzystanie technologii oczyszczania powietrza wymaga indywidualnego i szczegółowego rozpatrzenia zagadnienia wentylacji i jakości powietrza dla każdego tunelu. 8. Dzięki instalacjom oczyszczającym zanieczyszczone powietrze możliwa jest poprawa widoczności, zwiększenie wydajności wentylacji i zarządzanie jakością powietrza w tunelu oraz jego otoczeniu. 9. Montaż elektrofiltrów został pomyślnie zastosowany w wielu tunelach na całym świecie, a rozwój tej technologii pozwala na uzyskiwanie dużej skuteczności przy coraz wyższych prędkościach przepływu. 10. Obniżenie stężenia zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego w rejonie portali tunelu można uzyskać poprzez przechwycenie zanieczyszczonego powietrza w tunelu przed jego wyprowadzeniem na zewnątrz i wyniesienie go za pomocą komina wysoko nad poziom otaczającego go terenu. 11. Istotnym zagadnieniem z punktu widzenia ograniczenia zanieczyszczeń zarówno w tunelu, jak i w jego otoczeniu jest zwalczanie przyczyn złej jakości powietrza, a nie tylko usuwanie jego skutków. 12. Dzięki zastosowaniu urządzeń do oczyszczania powietrza, oraz nowoczesnych metod komputerowych możliwe jest opracowanie w pełni funkcjonalnych, innowacyjnych i bezpiecznych systemów wentylacyjnych. 494

12 Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia logistyczne dotyczące problematyki zanieczyszczeń stałych i gazowych powietrza w tunelach drogowych. Zanieczyszczenia w tunelach związane są najczęściej ze szkodliwymi substancjami emitowanymi przez poruszające się w nich pojazdy samochodowe. Poruszana problematyka jest skomplikowanym zagadnieniem w odniesieniu zarówno do szeroko rozumianego bezpieczeństwa podczas eksploatacji tunelu, jak i emisji zanieczyszczeń do atmosfery w odniesieniu do ochrony środowiska. Przekroczenie dopuszczalnych poziomów koncentracji szkodliwych zanieczyszczeń w tunelu wiąże się z bezpośrednim zagrożeniem dla zdrowia i życia osób korzystających z obiektu. Specyfika zagadnienia zanieczyszczeń powietrza usuwanego z tunelu dotyczy również tuneli zlokalizowanych w miastach, gdzie w rejonie portali czy też wlotów tunelu znajdują się tereny ze stałym (lub okresowym) przebywaniem ludzi. Problem zanieczyszczonego powietrza jest również bardzo istotny w długich tunelach z powodu wyższych poziomów koncentracji i dłuższego czasu ekspozycji użytkowników w tunelu. Słowa kluczowe: zanieczyszczenia w tunelach, tunele drogowe, wentylacja tuneli. SELECTED ISSUES CONCERNING AIR PURIFICATION AND VENTILATION IN ROAD TUNNELS Abstract In this paper the author present selected logistic issues concerning the problem of air pollutions in road tunnels. Air pollutions in the tunnels are most commonly associated with harmful substances emitted by a moving vehicles. Pollutant emissions generated in the tunnel is a complex issue for both the broad sense of security during the operation of the tunnel and air emissions in relation to environmental protection. Exceeding the permissible levels of concentration of harmful pollutants in the tunnel is associated with a direct threat to the health and lives of people in tunnel. The specificity of the issue of air pollution removed from the tunnel also applies to the tunnels located in cities where the portals in the region or the inlet of the tunnel are areas with a fixed (or periodic) occupied. The problem of air pollution is also very important in long tunnels due to higher levels of concentration and longer exposure time. Keywords: pollution in tunnels, road tunnels, tunnel ventilation. Literatura [1] Barrefors. G.: Air pollutants in Road tunnels, The Science of the Total Environment, 189/190, 1996, s [2] Glinicki S.P.: Budowle podziemne, Politechnika Białostocka, skrypty, Wydawnictwa Politechniki Białostockiej [3] Kwiatkowski K., Żółtowski B.: Pomiary składu spalin silników spalinowych. Zeszyty naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, nr 5 (77). [4] Nawrat S., Napieraj S.: Możliwość zastosowania modelowania komputerowego dla badania procesów pożaru w tunelach komunikacyjnych, XXIX Zimowa Szkoła Mechaniki 2006, s [5] Nawrat S., Napieraj S.: Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków

13 [6] Makowiecki J.: Uwarunkowania w prognozowaniu przepływów powietrza w tunelach drogowych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, nr 11/2005. [7] Miyake K., Fujishima H., Ueda Y.: Development of electrostatic precipitator for road tunnel, ICESP X Australia 2006, Paper 10B1. [8] Pytko S., Broniszewski M., Gruszka J., Kaźmierczak A., Kuźniak B., Sitnik L., Szczerski B., Wojciechowski S.: Tarcie zużycie i smarowanie w silnikach spalinowych; Promotor Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław [9] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie. (Dz. U. z dnia 3 sierpnia 2000 r.), Rozdział 15 Wentylacja. [10] 496