高風速下線板式靜電集塵器提效試驗研究

陸云磊 王含笑 張坤

安徽賓肯電氣股份有限公司

0 引言

由于當今人們 90%以上的時間都在室內環境中度過[1]，室內空氣質量(IAQ)直接關系到人們的身體健康、舒適度與生產力[2]。近年來，隨著環保意識的加強，人們對室內空氣環境的要求也越來越高，除了空調系統對室內溫度、濕度、氣流組織等的改善之外，人們更加關注對室內空氣污染物的治理，針對室內空氣顆粒物污染物的控制技術也有了較快的發展[3-6]。其中線板式靜電集塵器由于其顆粒物去除效率高、可清洗、風阻低等優良特點，現已廣泛應用于空凈產品中。

目前行業中的靜電集塵器能夠實現在 2.0 m/s 以下風速下達到 80%以上的效率，但在高風速條件下（3.0 m/s 以上）的效率下降明顯，難以滿足室內凈化工程需求。另外現有的靜電集塵器產品對工程現場氣流組織的均勻性要求較高，若局部氣流過快，易造成整體效率難以達到初始設計值，故在工程設計時，為確保效率達標，行業類通常采用靜電集塵器多層串聯或電袋復合的方法，這無疑會使占用空間與工程造價大大提升。所以如何提升高風速下靜電集塵器的性能應作為靜電集塵器升級優化的重點方向。

1 靜電除塵理論

靜電除塵技術最早應用于處理工業煙塵，多年來對改善大氣環境質量發揮了重要作用。工業電除塵器除塵效率的設計主要依據在 Deutsch（1922）模型基礎上根據測量數據與實際運行經驗推導出的修正模型。由于在電除塵器中顆粒物受電場與流場的雙重影響，過程較為復雜，因此此類模型通常會作出如下假定：①除塵器任意截面的顆粒物與氣流分布均勻。②不考慮電暈風的影響。③顆粒物在很短的時間內達到飽和荷電量。

顆粒物的脫除率可通過下式計算：

式中：A為集塵板面積，m2；Q為氣體流量，m3/s；ω為有效遷移速度，m/s。

由式（1）可知，由于集塵板面積與氣體流量均為定值，顆粒物的脫除率η主要取決于有效遷移速度ω，而ω的主要受煙氣溫濕度、顆粒物荷電量、顆粒物粒徑分布、電場強度等因素影響，很難通過理論公式計算準確得出。因此對于工業電除塵器通常會根據不同的煙氣條件，顆粒物成分與粒徑分布對應的不同ω經驗數據進行設計。

室內靜電除塵，其運行條件，顆粒物成分、粒徑分布與工業電除塵存在較大差別，主要表現在：1）運行條件不同，包含溫度、濕度、氣體流速等。2）顆粒物成分不同，我國室內空氣細顆粒物污染中，碳組分與水溶性離子占比較高[7]，而工業除塵對象顆粒物的主要組成為各類金屬氧化物，由于其比電阻的不同會造成荷電過程的差異。3）粒徑分布的不同，室內靜電除塵的去除對象通常是粒徑小于2.5 μm 超細顆粒物，且其粒徑分布主要集中在1.1 μm 以下[8]，此類顆粒物的荷電過程除應同時考慮電場荷電與擴散荷電。

綜上所述，工業靜電除塵的理論模型在用于室內靜電除塵器的效率計算時，應對其進行驗證。本文將通過設計試驗，驗證Deutsch 公式能否作為室內空氣凈化用靜電集塵器的效率計算依據，探討通過試驗計算有效遷移速率用于預測靜電除塵效率的可行性，并得出提高高風速下靜電集塵器的 PM2.5 一次性過濾效率的改進方向。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

為驗證不同變量對靜電集塵器的影響，設計了雙區分體式靜電集塵器。如圖 1（a）所示，電離區接地極片均勻排列，鎢絲懸掛于兩接地極片正中。鎢絲數量為 8、9、10 的電離區各兩臺，其外形尺寸均為505 mm×307 mm×57 mm，另制作四套厚度為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 的電離區接地極片用于更換。集塵區如圖1（b）所示，極片均勻排列，間距為3.5 mm，截面尺寸 505 mm×307 mm。不同極片厚度（80 mm、100 mm）的集塵區各兩臺。

圖1 雙區分體式靜電集塵器樣機

高壓電源采用 GH-GY 系列直流高壓電源，輸出電壓0～15 kV 連續可調，輸出電流0～20 mA，最大功率300 W。電壓測試采用FLUKE F15B+型數字萬用表，靜電集塵器電離電流測量使用綠能德 ZGF 高壓數字微安表（四位數顯，量程0～9999 μA）。PM2.5 一次性過濾效率測試系統依據GB/T 18801-2015 附錄H 中規定搭建，采用點煙法發塵，PM2.5 濃度測試使用TSI 公司的氣溶膠監測儀 DustTrak Ⅱ 8532，測量范圍：0.001～150 mg/m3。

2.2 試驗方法

為保證試驗結果一致性，所有測試均在室內溫度20±3 ℃，相對濕度 50±5 %條件下進行，測試風速3.0 m/s。

根據靜電理論，顆粒物的荷電量直接影響靜電集塵器的效率，而顆粒物通過靜電集塵器電離區的荷電效果主要取決于電場強度與荷電時間，為考察電離區各影響因子對靜電集塵器效率的影響，在相同集塵區條件下（集塵區厚度 80 mm，間距 3.5 mm，電壓4100 V），分別采用鎢絲數量為8、9、10。接地極片厚度為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 的電離區，依次調節電離電壓6.5 kV、7 kV、7.5 kV、8 kV、8.5 kV、9 kV 對其效率進行測試。然后通過保持電離區電流不變，改變電離區結構，驗證荷電時間對效率的影響。

由式（1）可知，可根據測得的靜電集塵器效率計算出不同電離區條件下的顆粒物有效遷移速度，再通過其計算出不同集塵區條件下的集塵器效率作為計算值與測試值進行對比，從而對Deutsch 公式進行了驗證。

保持電離區條件、集塵區間距、集塵區電壓不變，測試不同集塵區厚度對集塵器效率的影響。如表1 所示，在不增加靜電集塵器整體厚度的前提下，比較六種電離區與集塵區組合的效率，篩選出最優組合后制作樣機進行驗證。

表1 不同電離區與集塵區組合

3 試驗結論

3.1 不同電離結構伏安特性曲線

如圖 2 所示，電離區結構的改變對伏安特性曲線影響較大，其隨鎢絲數量增多，電離區電壓升高時，電離電流增長率不斷增加。電離區接地極片厚度對電流影響較小，低電壓時三種寬度的電離區電流基本一致，隨著電壓升高，電流差值逐漸增大。

圖2 電離區伏安特性曲線

3.2 電離區電流對靜電集塵器效率的影響

圖3 為不同電離區結構，不同電壓下的電離區電流與集塵器PM2.5 一次性過濾效率關系擬合曲線，擬合度為0.988。如圖所示，在集塵區條件不變時，集塵器效率隨電離區電流上升而增加，并呈現出增長率逐漸減小的趨勢。當電離區電場強度達到一定程度后，大部分顆粒物均已完全荷電達到飽和荷電量，這時候靜電集塵器的過濾效率主要取決于集塵區的性能。另外，在測試過程中出現多次電離區電流相對較高但過濾效率較低的現象，這可能是由于電離區結構的原因，會存在一定量的“低效電流”，而這部分“低效電流”對顆粒物的荷電過程作用較小。

圖3 電離區電流對集塵器PM2.5一次性過濾效率的影響

3.3 電離區結構對靜電集塵器效率的影響

3.3.1 電離區接地極片厚度對靜電集塵器效率的影響

由電離區伏安特性曲線可知，電離區接地極片厚度對電離區電流影響較小。將不同接地極片厚度的電離區測試結果分別按 3.2 中得到的擬合公式進行擬合，結果如圖 4 所示，在接地極片厚度為 20 mm、30 mm、40 mm 均有較好的擬合度，其中 30 mm、40 mm 厚度時，曲線基本重合，同電離區電流情況下，20 mm 接地極片厚度對應的 PM2.5 一次性過濾效率較低，考慮靜電集塵器整體的厚度增加，電離區厚度應控制在20～30 mm。

圖4 不同電離區接地極片厚度條件下集塵器PM2.5 一次性過濾效率

3.3.2 電離區鎢絲數量對靜電集塵器效率的影響

保持集塵區條件不變（電壓 4.1 kV、極片間距 3.5 mm、厚度 80 mm），測試不同鎢絲數量的電離區（接地極片厚度30mm）在不同電壓條件下的PM2.5 一次性過濾效率，結果如圖5 所示。三種鎢絲數量的集塵器效率均隨電壓升高而升高且增長率逐漸降低。在同電壓條件下，增加鎢絲數量對集塵器效率提升明顯。由于降低電壓可增強集塵器的安全性，考慮通過增加電離區鎢絲數量降低電壓的方式增強電離區性能。同時由于電離區結構的原因，鎢絲數量的增加可能會導致“低效電流”增多，此部分電流對顆粒物荷電貢獻較小，且會增加靜電集塵器的臭氧釋放量，所以在不增加靜電集塵器臭氧釋放量的前提下，不應過度的增加鎢絲數量。

圖5 電離區鎢絲數量對集塵器PM2.5一次性過濾效率的影響

3.3.3 Deutsch 公式驗證

圖6 為不同電離條件與集塵區電壓下的 Deutsch公式計算值與測試值對比，其中電離區均為9 根鎢絲，接地極片厚度 30 mm，為保證集塵區測試條件相同，使用同一臺間距3.5 mm、厚度為80 mm 的集塵區。試驗結果顯示，對于三種電離電壓情況下的計算值與測試值均存在低電壓計算值偏高，高電壓計算值偏低的現象，且電離電壓越低越明顯。若 Deutsch 公式用于室內凈化工程計算，應根據不同型號集塵器測試結果對公式進行修正。

圖6 Deutsch 公式計算值與測試值對比

3.4 集塵區對靜電集塵器性能的影響

依據靜電理論，減小極板間距，可顯著提高集塵器效率，但會造成集塵器穩定性下降與成本的上升。保持3.5 mm 不變，可通過改變集塵區厚度提高效率。圖7 為不同集塵區厚度條件下的靜電集塵器效率，隨集塵區厚度增加，效率明顯上升，且擬合數據較為符合Deutsch 公式。

圖7 集塵區厚度對集塵器PM2.5一次性過濾效率的影響

3.5 不同電離區與集塵區組合效率

測試 6 種不同電離區與集塵區組合的 PM2.5 一次過濾效率，測試數據如圖8 所示。集塵區厚度相同的 1、2、3 號集塵器與 4、5、6 號集塵器效率均較為接近，與 3.1 的研究結論一致。比較總厚度均為 120 mm的3 號與4 號集塵器，集塵區較厚的4 號集塵器效率可達 83%，而 3 號集塵器效率為 77%。考慮到集塵區厚度的增加也會使集塵器生產成本上升，所以在保持集塵器厚度不變的前提下，通過減小電離區接地極片厚度，適當增加集塵區厚度是較為有效的提升集塵器高風速下效率的方式。

圖8 不同電離區與集塵區組合PM2.5 一次性過濾效率對比

結合前文研究結論，對現有集塵器產品的電離區與集塵區進行優化，并對比測試兩種集塵器在不同風速下的 PM2.5 一次性過濾效率表現。如圖 9 所示，優化后的集塵器整體效率提升明顯，在 3.0 m/s 風速時效率可達90%。

圖9 改進后靜電集塵器不同風速下PM2.5 一次性過濾效率表現

4 總結

1）在集塵區條件不變時，集塵器效率與電離區電流高度相關，隨電離區電流上升而逐漸增加。電離區接地極片厚度對電離電流影響較小，可通過增加鎢絲數量的方式提高電離區電流，從而實現集塵器的提效，同時應適當降低電離區電壓，以降低“低效電流”，避免臭氧產生量的增加。

2）線板式靜電集塵器效率Deutsch 公式計算值與實測值相差較多，不能作為工程設計效率計算依據。

3）減小集塵區極片間距，增加集塵區厚度可提升集塵器在高風速下的PM2.5 一次性過濾效率，但會使集塵器的材料成本上升，設計集塵器時應綜合考慮性能與成本。通過保持總體寬度不變，適當增加集塵區寬度，增加鎢絲數量的方式對現有集塵器進行優化，優化后的集塵器在不同風速下的 PM2.5 一次性過濾效率均有明顯提升。