靜電除霧霾的技術研究及應用

孟憲宇 馬雯昕 董華倫 王詹

摘要：文章利用靜電吸附原理和靜電感應現象，建立可控高壓除塵系統。根據斯托克斯理論推導出靜電沉降速度，得出顆粒當量直徑與沉降總效率和脈沖驅動電壓的關系表達式。實驗結果表明，所設計的靜電水簾除霧霾機能夠使霧霾的除塵效率達到80%，具有實際意義。

關鍵詞：霧霾；靜電除塵；水簾除塵

近幾年來，我國北部地區霧霾形勢日趨嚴峻，分離空氣中的PM2.5等顆粒物成為當下關注焦點。因此，為更廣泛的除塵工況，一種小型化、輕量化且適用面更加的高壓靜電降塵器設計方案被提出并得到實驗測試[1-2]。

1 基礎理論與工作原理

高壓靜電降塵器是一種基于斯托克斯定律（指與力相比，慣性力可以忽略的情況下斯托克斯導出的阻達式）的靜電沉降分離裝置。利用含塵氣體通過接有脈沖直流電源的電暈極放電，被電離的帶負電氣體離陽極即收塵極移動，根據碰撞荷電和擴散荷電機理含粒在運動中與負離子相碰荷以負電，負荷電荷亦向陽動放電，塵粒沉積于陽極板上，從而使氣體得到凈化。據靜電除塵原理，由于含塵顆粒在高壓電場中移動時在陽極放電塵粒才能沉積于陽極板上[3-6]，特采用水簾放電極即收塵極，在上方風機的負壓作用與靜電力作電荷塵粒迅速向室壁趨近被陽極水簾收集。從而使含流得到高效率凈化。含塵氣體的最大處理量Vs （1113/S）塵室底面積Ao （m?）和沉降速度v。（m/s）有關，而沉降v。又和顆粒的當量直徑de（m）和塵粒密度ρs（kg/m?有

根據小顆粒沉降過程中，加速度一般很小，可近似勻速沉降處理時的沉降條件為：

電場力一浮力=阻力

ρ為空氣密度，常溫常壓下為1.29 kg/m?。通常含塵氣體的最大處理量表達式為：

式中，q為電荷量，μ為兩極板之間的電壓，m為顆粒質量，l為兩極板間距離，其中等為電場強度E。

2 可變電壓水簾除塵器的理論推導

2.1脈沖可變高壓控制系統

脈沖可變高壓控制系統[2.4.7-9]的電路結構如圖1所示。閉合開關，導通電路，使蓄電池發出低壓直流電流，電流經過逆變器中高頻電橋電路，將直流電轉換為交流電并將電壓大小保持在合適范圍內，再由變壓發生器提高電壓值，并通過內部調壓控制系統將其電壓轉換為可調高分辨率高壓，而后進入降塵室工作，從而可實現對含塵氣體的最大處理量的改變。

圖1脈沖可變高壓控制系統的電路結構示意

因而，該裝置通過精確控制電壓的大小實現對可控直徑含塵氣體吸附分量。在這一電路結構中，蓄電池兩端電勢差可以采取串聯電池的方式控制，輸入電路中的電壓精度取決于單個電池的端電壓（常用蓄電池單位電壓為2V和5V）；而經過程序控制系統離開變壓器的輸出電流在電壓高達10～60 kV時可實現分辨率略高于5V，波紋率小于3V的精度[9]。

2.2降塵室控制系統

基于濕度越高和流體流速較低時電除塵效率較高，出于略微提高氣體濕度和減少粒子收集清除過程工作量目的，采用水簾（非濕簾，不同于紙質纖維結構材料）作為放電極（收塵極）[10]。

2.3自制除塵裝置

實驗裝置如圖2所示，含霧霾空氣從下邊通風口進入，經過高壓電場顆粒帶電，再經過水簾清洗，含塵顆粒隨水流落到底部沉降，過濾后的空氣隨風機帶動從上部排出。兩極板間距為300mm[5]，極板間電壓為30kV，風速為1.5m/s，風機功率100W、流量100L/h。為利于測量效率特采用霧霾傳感器測量進風口與出風口霧霾含量。

3 實驗與結果

空氣質量分指數，即IAQI是指根據單項污染物計算得出的空氣質量指數。以PM2.5為例，PM2.5空氣質量分指數的計算公式如下：。

己知PM2.5的當量直徑為de=2.5μm，重度污染時I=475即PM2.5=425μg/m3。

假設單個電子質量為m≈9.1×10-31 kg；單個電子所帶的電荷量為e≈1.6×10-19 C。

PM2.5密度約為ps=2 300 kg/m?；μ為含霧霾氣體黏度，取黏度為0.02 mPa.s。

取兩極板間距300 mm；極板長20 cm。

由式（3）和（5）算得：

假設是圓筒型除塵室，其中：

由此可知，若塵粒在沉降室中作層流區靜電沉降，則完全被除去的最小顆粒直徑dmin如下：

由式（7）得：

則當顆粒直徑大于8.097×10-13 μm都能完全除去，因與PM2.5直徑數量級相差過大，故PM2.5理論上能完全除去。

所得含霧霾氣體的最大處理量為：

Vs =Aouo=0.377×0.074=28×10-3 m?/s；

經過多次測量取平均值得實驗驗證除塵效率為：

4 結語

基于高壓電控靜電除塵效應，本研究實現了一種針對霧霾的電控水簾除塵器，并詳細分析了其工作原理。在理論上推導出了顆粒當量直徑與沉降總效率和脈沖驅動電壓的關系表達式。最后實驗驗證靜電水簾除塵器，實驗結果證明，所設計的脈沖除塵器在30kV時可以獲得高達97.41%的除塵效率，與理論分析基本吻合。相較以往如旋風分離器等除塵設備對小直徑顆粒作用甚微，而本設計相反，對小粒徑塵粒如PM2.5顆粒也能達到高效率過濾。

[參考文獻]

[1]譚天恩，竇 梅.化工原理[M].北京：化學工業出版社，2013.

[2]陳垠錕.高壓靜電除塵電源的設計開發[D].北京：華北電力大學，2012.

[3]王靈甫，馬書毫.淺談靜電除塵原理[J].科技風，2011，16 （8）：5-6

[4]趙敬博.靜電高壓除塵電源變換器研究[D]北京：華中科技大學，2012.

[5]朱慶翔，陽少軍，肖登明.用于靜電除塵的新型高壓直流電源[J].高壓電器，2002，26 （1）：12-15

[6]張佳鵬.線管式高溫靜電除塵特性實驗研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[7]王洪賓.高頻靜電除塵電源的研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[8]盛立丞.靜電除塵器高頻電源控制系統研制[D].杭州：浙江大學，2010.

[9]盧有亮，陳 瑜，姜曉華.高分辨率開關電源調壓控制系統設計[J].長春理工大學學報，2006，29 （6）：45-48

[10]包清華，劉秀梅，趙國軍提高電除塵器除塵效率的研究[J].長春理工大學學報，2005，28 （4）：120-122.