高風(fēng)速下線板式靜電集塵器提效試驗(yàn)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(dāng)今人們 90%以上的時(shí)間都在室內(nèi)環(huán)境中度過(guò)[1]，室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)直接關(guān)系到人們的身體健康、舒適度與生產(chǎn)力[2]。近年來(lái)，隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，人們對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的要求也越來(lái)越高，除了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、氣流組織等的改善之外，人們更加關(guān)注對(duì)室內(nèi)空氣污染物的治理，針對(duì)室內(nèi)空氣顆粒物污染物的控制技術(shù)也有了較快的發(fā)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(fēng)阻低等優(yōu)良特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于空凈產(chǎn)品中。

目前行業(yè)中的靜電集塵器能夠?qū)崿F(xiàn)在 2.0 m/s 以下風(fēng)速下達(dá)到 80%以上的效率，但在高風(fēng)速條件下（3.0 m/s 以上）的效率下降明顯，難以滿足室內(nèi)凈化工程需求。另外現(xiàn)有的靜電集塵器產(chǎn)品對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)氣流組織的均勻性要求較高，若局部氣流過(guò)快，易造成整體效率難以達(dá)到初始設(shè)計(jì)值，故在工程設(shè)計(jì)時(shí)，為確保效率達(dá)標(biāo)，行業(yè)類通常采用靜電集塵器多層串聯(lián)或電袋復(fù)合的方法，這無(wú)疑會(huì)使占用空間與工程造價(jià)大大提升。所以如何提升高風(fēng)速下靜電集塵器的性能應(yīng)作為靜電集塵器升級(jí)優(yōu)化的重點(diǎn)方向。

1 靜電除塵理論

靜電除塵技術(shù)最早應(yīng)用于處理工業(yè)煙塵，多年來(lái)對(duì)改善大氣環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。工業(yè)電除塵器除塵效率的設(shè)計(jì)主要依據(jù)在 Deutsch（1922）模型基礎(chǔ)上根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)出的修正模型。由于在電除塵器中顆粒物受電場(chǎng)與流場(chǎng)的雙重影響，過(guò)程較為復(fù)雜，因此此類模型通常會(huì)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(fēng)的影響。③顆粒物在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到飽和荷電量。

顆粒物的脫除率可通過(guò)下式計(jì)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(chǎng)強(qiáng)度等因素影響，很難通過(guò)理論公式計(jì)算準(zhǔn)確得出。因此對(duì)于工業(yè)電除塵器通常會(huì)根據(jù)不同的煙氣條件，顆粒物成分與粒徑分布對(duì)應(yīng)的不同ω經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

室內(nèi)靜電除塵，其運(yùn)行條件，顆粒物成分、粒徑分布與工業(yè)電除塵存在較大差別，主要表現(xiàn)在：1）運(yùn)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(guó)室內(nèi)空氣細(xì)顆粒物污染中，碳組分與水溶性離子占比較高[7]，而工業(yè)除塵對(duì)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(huì)造成荷電過(guò)程的差異。3）粒徑分布的不同，室內(nèi)靜電除塵的去除對(duì)象通常是粒徑小于2.5 μm 超細(xì)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(guò)程除應(yīng)同時(shí)考慮電場(chǎng)荷電與擴(kuò)散荷電。

綜上所述，工業(yè)靜電除塵的理論模型在用于室內(nèi)靜電除塵器的效率計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。本文將通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，驗(yàn)證Deutsch 公式能否作為室內(nèi)空氣凈化用靜電集塵器的效率計(jì)算依據(jù)，探討通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算有效遷移速率用于預(yù)測(cè)靜電除塵效率的可行性，并得出提高高風(fēng)速下靜電集塵器的 PM2.5 一次性過(guò)濾效率的改進(jìn)方向。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證不同變量對(duì)靜電集塵器的影響，設(shè)計(jì)了雙區(qū)分體式靜電集塵器。如圖 1（a）所示，電離區(qū)接地極片均勻排列，鎢絲懸掛于兩接地極片正中。鎢絲數(shù)量為 8、9、10 的電離區(qū)各兩臺(tái)，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(qū)接地極片用于更換。集塵區(qū)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(qū)各兩臺(tái)。

圖1 雙區(qū)分體式靜電集塵器樣機(jī)

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(xù)可調(diào)，輸出電流0～20 mA，最大功率300 W。電壓測(cè)試采用FLUKE F15B+型數(shù)字萬(wàn)用表，靜電集塵器電離電流測(cè)量使用綠能德 ZGF 高壓數(shù)字微安表（四位數(shù)顯，量程0～9999 μA）。PM2.5 一次性過(guò)濾效率測(cè)試系統(tǒng)依據(jù)GB/T 18801-2015 附錄H 中規(guī)定搭建，采用點(diǎn)煙法發(fā)塵，PM2.5 濃度測(cè)試使用TSI 公司的氣溶膠監(jiān)測(cè)儀 DustTrak Ⅱ 8532，測(cè)量范圍：0.001～150 mg/m3。

2.2 試驗(yàn)方法

為保證試驗(yàn)結(jié)果一致性，所有測(cè)試均在室內(nèi)溫度20±3 ℃，相對(duì)濕度 50±5 %條件下進(jìn)行，測(cè)試風(fēng)速3.0 m/s。

根據(jù)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(guò)靜電集塵器電離區(qū)的荷電效果主要取決于電場(chǎng)強(qiáng)度與荷電時(shí)間，為考察電離區(qū)各影響因子對(duì)靜電集塵器效率的影響，在相同集塵區(qū)條件下（集塵區(qū)厚度 80 mm，間距 3.5 mm，電壓4100 V），分別采用鎢絲數(shù)量為8、9、10。接地極片厚度為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 的電離區(qū)，依次調(diào)節(jié)電離電壓6.5 kV、7 kV、7.5 kV、8 kV、8.5 kV、9 kV 對(duì)其效率進(jìn)行測(cè)試。然后通過(guò)保持電離區(qū)電流不變，改變電離區(qū)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證荷電時(shí)間對(duì)效率的影響。

由式（1）可知，可根據(jù)測(cè)得的靜電集塵器效率計(jì)算出不同電離區(qū)條件下的顆粒物有效遷移速度，再通過(guò)其計(jì)算出不同集塵區(qū)條件下的集塵器效率作為計(jì)算值與測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)Deutsch 公式進(jìn)行了驗(yàn)證。

保持電離區(qū)條件、集塵區(qū)間距、集塵區(qū)電壓不變，測(cè)試不同集塵區(qū)厚度對(duì)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(qū)與集塵區(qū)組合的效率，篩選出最優(yōu)組合后制作樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 不同電離區(qū)與集塵區(qū)組合

3 試驗(yàn)結(jié)論

3.1 不同電離結(jié)構(gòu)伏安特性曲線

如圖 2 所示，電離區(qū)結(jié)構(gòu)的改變對(duì)伏安特性曲線影響較大，其隨鎢絲數(shù)量增多，電離區(qū)電壓升高時(shí)，電離電流增長(zhǎng)率不斷增加。電離區(qū)接地極片厚度對(duì)電流影響較小，低電壓時(shí)三種寬度的電離區(qū)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(qū)伏安特性曲線

3.2 電離區(qū)電流對(duì)靜電集塵器效率的影響

圖3 為不同電離區(qū)結(jié)構(gòu)，不同電壓下的電離區(qū)電流與集塵器PM2.5 一次性過(guò)濾效率關(guān)系擬合曲線，擬合度為0.988。如圖所示，在集塵區(qū)條件不變時(shí)，集塵器效率隨電離區(qū)電流上升而增加，并呈現(xiàn)出增長(zhǎng)率逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)電離區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度后，大部分顆粒物均已完全荷電達(dá)到飽和荷電量，這時(shí)候靜電集塵器的過(guò)濾效率主要取決于集塵區(qū)的性能。另外，在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)多次電離區(qū)電流相對(duì)較高但過(guò)濾效率較低的現(xiàn)象，這可能是由于電離區(qū)結(jié)構(gòu)的原因，會(huì)存在一定量的“低效電流”，而這部分“低效電流”對(duì)顆粒物的荷電過(guò)程作用較小。

圖3 電離區(qū)電流對(duì)集塵器PM2.5一次性過(guò)濾效率的影響

3.3 電離區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)靜電集塵器效率的影響

3.3.1 電離區(qū)接地極片厚度對(duì)靜電集塵器效率的影響

由電離區(qū)伏安特性曲線可知，電離區(qū)接地極片厚度對(duì)電離區(qū)電流影響較小。將不同接地極片厚度的電離區(qū)測(cè)試結(jié)果分別按 3.2 中得到的擬合公式進(jìn)行擬合，結(jié)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(shí)，曲線基本重合，同電離區(qū)電流情況下，20 mm 接地極片厚度對(duì)應(yīng)的 PM2.5 一次性過(guò)濾效率較低，考慮靜電集塵器整體的厚度增加，電離區(qū)厚度應(yīng)控制在20～30 mm。

圖4 不同電離區(qū)接地極片厚度條件下集塵器PM2.5 一次性過(guò)濾效率

3.3.2 電離區(qū)鎢絲數(shù)量對(duì)靜電集塵器效率的影響

保持集塵區(qū)條件不變（電壓 4.1 kV、極片間距 3.5 mm、厚度 80 mm），測(cè)試不同鎢絲數(shù)量的電離區(qū)（接地極片厚度30mm）在不同電壓條件下的PM2.5 一次性過(guò)濾效率，結(jié)果如圖5 所示。三種鎢絲數(shù)量的集塵器效率均隨電壓升高而升高且增長(zhǎng)率逐漸降低。在同電壓條件下，增加鎢絲數(shù)量對(duì)集塵器效率提升明顯。由于降低電壓可增強(qiáng)集塵器的安全性，考慮通過(guò)增加電離區(qū)鎢絲數(shù)量降低電壓的方式增強(qiáng)電離區(qū)性能。同時(shí)由于電離區(qū)結(jié)構(gòu)的原因，鎢絲數(shù)量的增加可能會(huì)導(dǎo)致“低效電流”增多，此部分電流對(duì)顆粒物荷電貢獻(xiàn)較小，且會(huì)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(yīng)過(guò)度的增加鎢絲數(shù)量。

圖5 電離區(qū)鎢絲數(shù)量對(duì)集塵器PM2.5一次性過(guò)濾效率的影響

3.3.3 Deutsch 公式驗(yàn)證

圖6 為不同電離條件與集塵區(qū)電壓下的 Deutsch公式計(jì)算值與測(cè)試值對(duì)比，其中電離區(qū)均為9 根鎢絲，接地極片厚度 30 mm，為保證集塵區(qū)測(cè)試條件相同，使用同一臺(tái)間距3.5 mm、厚度為80 mm 的集塵區(qū)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于三種電離電壓情況下的計(jì)算值與測(cè)試值均存在低電壓計(jì)算值偏高，高電壓計(jì)算值偏低的現(xiàn)象，且電離電壓越低越明顯。若 Deutsch 公式用于室內(nèi)凈化工程計(jì)算，應(yīng)根據(jù)不同型號(hào)集塵器測(cè)試結(jié)果對(duì)公式進(jìn)行修正。

圖6 Deutsch 公式計(jì)算值與測(cè)試值對(duì)比

3.4 集塵區(qū)對(duì)靜電集塵器性能的影響

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

圖7 集塵區(qū)厚度對(duì)集塵器PM2.5一次性過(guò)濾效率的影響

3.5 不同電離區(qū)與集塵區(qū)組合效率

測(cè)試 6 種不同電離區(qū)與集塵區(qū)組合的 PM2.5 一次過(guò)濾效率，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8 所示。集塵區(qū)厚度相同的 1、2、3 號(hào)集塵器與 4、5、6 號(hào)集塵器效率均較為接近，與 3.1 的研究結(jié)論一致。比較總厚度均為 120 mm的3 號(hào)與4 號(hào)集塵器，集塵區(qū)較厚的4 號(hào)集塵器效率可達(dá) 83%，而 3 號(hào)集塵器效率為 77%。考慮到集塵區(qū)厚度的增加也會(huì)使集塵器生產(chǎn)成本上升，所以在保持集塵器厚度不變的前提下，通過(guò)減小電離區(qū)接地極片厚度，適當(dāng)增加集塵區(qū)厚度是較為有效的提升集塵器高風(fēng)速下效率的方式。

圖8 不同電離區(qū)與集塵區(qū)組合PM2.5 一次性過(guò)濾效率對(duì)比

結(jié)合前文研究結(jié)論，對(duì)現(xiàn)有集塵器產(chǎn)品的電離區(qū)與集塵區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)比測(cè)試兩種集塵器在不同風(fēng)速下的 PM2.5 一次性過(guò)濾效率表現(xiàn)。如圖 9 所示，優(yōu)化后的集塵器整體效率提升明顯，在 3.0 m/s 風(fēng)速時(shí)效率可達(dá)90%。

圖9 改進(jìn)后靜電集塵器不同風(fēng)速下PM2.5 一次性過(guò)濾效率表現(xiàn)

4 總結(jié)

1）在集塵區(qū)條件不變時(shí)，集塵器效率與電離區(qū)電流高度相關(guān)，隨電離區(qū)電流上升而逐漸增加。電離區(qū)接地極片厚度對(duì)電離電流影響較小，可通過(guò)增加鎢絲數(shù)量的方式提高電離區(qū)電流，從而實(shí)現(xiàn)集塵器的提效，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低電離區(qū)電壓，以降低“低效電流”，避免臭氧產(chǎn)生量的增加。

2）線板式靜電集塵器效率Deutsch 公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較多，不能作為工程設(shè)計(jì)效率計(jì)算依據(jù)。

3）減小集塵區(qū)極片間距，增加集塵區(qū)厚度可提升集塵器在高風(fēng)速下的PM2.5 一次性過(guò)濾效率，但會(huì)使集塵器的材料成本上升，設(shè)計(jì)集塵器時(shí)應(yīng)綜合考慮性能與成本。通過(guò)保持總體寬度不變，適當(dāng)增加集塵區(qū)寬度，增加鎢絲數(shù)量的方式對(duì)現(xiàn)有集塵器進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的集塵器在不同風(fēng)速下的 PM2.5 一次性過(guò)濾效率均有明顯提升。