液滴靜電聯(lián)合作用的亞微米氣溶膠粒子凈化效率分析

石 零，余新明

（工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

濕式靜電除塵器（WESP）作為一種高效低能耗的除塵裝置，能同時凈化多種污染物。盡管濕式靜電除塵技術(shù)有污水處理問題，在即將執(zhí)行粉塵排放20 mg/Nm3的新標(biāo)準(zhǔn)背景下，濕式靜電除塵器再次走近人們的視野，被認(rèn)為是最有前景的凈化細(xì)顆粒物的除塵技術(shù)之一。

濕式除塵器已被開發(fā)應(yīng)用于各種顆粒物污染控制和尾氣凈化上，尤其應(yīng)用于廢氣粘性大、腐蝕性強(qiáng)和粉塵比電阻高的情況下［1］。應(yīng)用表明，濕式靜電除塵器對顆粒物具有顯著的效果，其總排放濃度達(dá)到了 5 mg/Nm3［2］，Saiyasitpanich 等［3］通過對應(yīng)用于柴油尾氣凈化的濕式線管濕式靜電除塵器的凈化效率的研究，得到了在煙氣速度從1.38 m/s提高到5.61 m/s時，粒徑在10～1000 nm間的亞微米顆粒的去除效率，僅降低了23%（從92%到69%）。濕式除塵器的低粉塵排放濃度，顯然對亞微米有良好的凈化效果，可是對濕式靜電除塵器除塵效率還是參考干式靜電除塵器，研究也多集中于此。Lin等［4］通過對多個干式靜電除塵器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析給出了修正的Deutsch-Anderson公式，對納米顆粒的凈化效率進(jìn)行了預(yù)測分析，Jedusik等［5］對影響顆粒遷移速度的因素進(jìn)行了研究，對濕式靜電除塵器的去除效率的相關(guān)研究卻主要集中在實(shí)驗(yàn)方面［6］。

本文從液滴碰撞攔截和靜電除塵機(jī)理兩個方面，建立靜電場作用下亞微米顆粒凈化模型，分析濕式靜電除塵器的亞微米顆粒物的凈化效率，以期對濕式靜電亞微米的高凈化效率給出理論分析結(jié)果。

1 靜電和液滴攔截作用的亞微米顆粒捕集理論和模型

在濕式靜電場中，由于粒子荷電以及液滴的存在，亞微米粒子的運(yùn)動會受到多機(jī)制的作用，像靜電力、慣性力、熱泳力和擴(kuò)散泳力等。顆粒物在濕式靜電除塵器中的運(yùn)動方程由（1）描述：

式中mp為顆粒物質(zhì)量；ΣF=Fg+Fd+Fe+Fth+Fdf，他們分別是重力Fg、在流體運(yùn)動中所受到的阻力 Fd、靜電力Fe、熱泳力 Fth和擴(kuò)散泳力Fdf。盡管濕式靜電除塵器中顆粒物受到上述力的作用，但為了突出研究的重點(diǎn)，熱泳力Fth、擴(kuò)散泳力Fdf和重力Fg在本文中暫不作考慮。

當(dāng)顆粒處于Stokes區(qū)時，顆粒在氣流中運(yùn)動所受的阻力 Fd為［7］

式中μ為空氣的動力粘性系數(shù)；dp為顆粒直徑；u為粒子與空氣的相對運(yùn)動速度，u=|vp-va|；Csc為Stokes-Cunninghan修正系數(shù)，Csc=1.0+αKn，其中 α=1.26+0.4 exp（-1.1/Kn），Kn為Kunden數(shù)，為空氣分子的平均自由程與顆粒半徑之比。

靜電力Fe是粒子在電場中荷電粒子所受的力，它可以表述為［8］

當(dāng)電場力與粒子運(yùn)動受到的阻力平衡時，由公式（1）～（3）可得，粒子運(yùn)動的速度為驅(qū)進(jìn)速度（migration velocity），即：

在電場力作用下，粒子的凈化效率由Destch-Anderson方程表示：

式中L為收塵極長度，h為收塵通道高度，w為收塵通道氣流平均速度。

當(dāng)電場中存在液滴時，由于液滴同樣帶電，也會以驅(qū)進(jìn)速度向收塵極運(yùn)動。然而，當(dāng)采用液滴直徑遠(yuǎn)大于亞微米顆粒直徑時，液滴向收塵極運(yùn)動的過程中，有凝聚亞微米顆粒物的作用，使亞微米顆粒附著在液滴表面，從而增加亞微米顆粒物的凈化率。液滴捕捉示意圖如圖1。

圖1 液滴捕捉顆粒示意圖

假設(shè)顆粒物碰到液滴即為捕捉，粉塵分布均勻。單位時間里液滴向收塵極移動時掃過的體積內(nèi)，理論上亞微米顆粒會被液滴捕集，但由于粉塵的粒徑較小，會因水滴的推進(jìn)導(dǎo)致在以y為半徑外的粒子，逃過水滴的捕集。液滴對微細(xì)粉塵的捕集效率定義為：單位時間內(nèi)，半徑為y以液滴與顆粒相對速度所掃的體積與液滴以驅(qū)進(jìn)速度掃過的體積比。根據(jù)定義，帶電水滴作用的凈化效率由公式（6）給出

式中dw是液滴直徑；ωp和ωw分別是粒子和液滴的驅(qū)進(jìn)速度；y是液滴和粒子的水平偏離距離，如圖1所示。 y值的計算可參考Martin等的研究［7］。

在靜電場和帶電液滴共同作用下的亞微米的凈化效率為［8，9］

取標(biāo)況下的空氣參數(shù)，N0t=1013s/m2，粒子的相對介電常數(shù)取εr=5.1［4］，用水作為捕集體，水的相對介電常數(shù)為80，假設(shè)電場中平均風(fēng)速為1 m/s，不涉及濕式靜電除塵器的具體結(jié)構(gòu)，這里設(shè)電場比集塵板表面積為26.67 m2/m3/s。亞微米顆粒計算采用擴(kuò)散荷電，水滴捕集使用電場荷電。

2 結(jié)果及分析

表1給出亞微米粒子的荷電量和在4 kV/cm下的驅(qū)進(jìn)速度，通常認(rèn)為4 kV/cm是電暈電極在干式靜電除塵器中的起暈電壓下的場強(qiáng)。表1中的數(shù)據(jù)是按干電場下計算的數(shù)據(jù)，由于問題的復(fù)雜性，沒有考慮濕電場中V-I特性對亞微米粒子的荷電性的影響。表1數(shù)據(jù)亞微米粒子的驅(qū)進(jìn)速度，在隨粒徑增加的過程中呈中間低（6 nm直徑顆粒的驅(qū)進(jìn)速度為1.57 cm/s），兩端高的特點(diǎn)（2 nm和40 nm直徑顆粒的驅(qū)進(jìn)速度在1.7 cm/s左右）。微米級粒徑的顆粒由于是電場荷電，所以驅(qū)進(jìn)速度隨粒徑增加而增加。

圖2給出了粒徑在10 nm到10μm間粒子在擴(kuò)散荷電情況下，不同電場強(qiáng)度下的去除效率，從圖中曲線可知，在靜電場中亞微米（＜1μm）和微米級粒子的去除效率差異顯著，這也正是本文討論亞微米顆粒濕電去除的原因所在。亞微米粒子在靜電場中的去除效率較低（＜85%），而微米級粒子的去除效率較高。

表1 4 kv/cm電場強(qiáng)度下的荷電與驅(qū)進(jìn)速度表

圖2 亞微米凈化效率曲線

圖3給出了液滴和靜電聯(lián)合作用下，不同直徑液滴下的亞微米粒子的去除效率曲線。與圖2干式靜電作用相比，由于在靜電場中液滴的存在，亞微米粒子的去除效率大大提高，從低于40%提高到了98%以上。這是由于荷電液滴在向收塵極遷移過程中，掃過的體積內(nèi)的亞微米顆粒被液滴捕集，且水的粘性導(dǎo)致捕集顆粒基本沒有反彈。圖3給出了水滴直徑，可以看出在其他條件不變的情況下，液滴直徑增加顆粒的捕集效率增加，液滴直徑從10μm增加到20μm時，對20 nm顆粒的去除效率提高了1%，而液滴直徑從20μm增加到30μm時，對20 nm顆粒的去除效率僅提高0.5%，所以，從理論上分析，在濕式除塵器中，通過提高液滴直徑來提高亞微米顆粒的去除效率時，當(dāng)液滴直徑超過20μm時，效率提高趨緩。通過模擬結(jié)果，一個現(xiàn)象值得注意，濕式電除塵器中使用的液滴直徑比機(jī)械濕式除塵器中的液滴小。

圖3 不同液滴直徑下顆粒物凈化效率

圖4給出了理論預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的比較，實(shí)驗(yàn)值取自Lin等［6］的研究，兩者在合理的誤差范圍內(nèi)基本一致。遺憾的是Lin等的實(shí)驗(yàn)只做到了0.5μm直徑的顆粒，沒有更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。至于預(yù)測值大于實(shí)驗(yàn)值的可能原因有：理論分析一是假設(shè)液滴在電場中飽和荷電且是在遷移區(qū)內(nèi)，二是電場風(fēng)速也僅是1 m/s等。但是實(shí)驗(yàn)時穩(wěn)定電場風(fēng)速、粒徑一致性等因素很難控制。

圖4 理論預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值比較

3 結(jié)論

濕式靜電除塵器對亞微米顆粒的去除效率，在僅考慮靜電力和液滴捕集的理論條件下，可以達(dá)到98%以上。建立的以荷電液滴捕集亞微米模型，理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間具有較好的一致性，用濕電聯(lián)合作用捕集亞微米顆粒時，應(yīng)選擇合適的液滴直徑。

［1］Altman R，Offen G，Buckley W，et al.Wet electrostatic precipitation：demonstrating promise for fine particulate control［J］.Power Eng，2001，105：37-39.

［2］Fujishima H，Tsuchiya Y.Application of wet type electrostatic precipitator for utilities’coal-fired boiler［R］.Report of Mitcubishi Heavy Industries，Ltd，2010，38：11-13.

［3］Saiyasipanich P，Keener T C，Khang S J，et al.Removal of diesel particulate matter（DPM）in a tubular wet electrostatic precipitator［J］.J Electrostat，2007，65：618-624.

［4］Lin G Y，Chen T M，Tsai C J.A modified destch-anderson equation for predicting the nanoparticle collection efficiency of electrostatic precipitators［J］.Aerosol and Air quality Research，2012，12：697-706.

［5］Jedusik M，Swierczok A，Pajak J.Experimental and calculated of migration velocity ad a parameter of precipitation process in electrostatic precipitators［R］.ICESP Report，2006.

［6］Lin G Y，Tsai C J，Chen S C，et al.An efficient single-Stage wet electrostatic precipitator for fine and nanosized particle control［J］.Aerosol Science and Technology，2010，44：38-45.

［7］Martin C.Air pollution control theory［M］.New York：Mcgrw Hill，1976：362-373.

［8］郝吉明，馬廣大，王書肖.大氣污染控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［9］向曉東.氣溶膠科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.