一種新型電凝并靜電增強過濾裝置的研究

賀建華 張雄

遠大潔凈空氣科技有限公司

0 引言

傳統的靜電空氣凈化技術是利用高壓電場使含塵氣體發生電離，氣流中的粉塵荷電并在電場作用下與氣流分離。靜電空氣凈化裝置通常由放電極和集塵極組成，整個靜電凈化過程包括三個階段[1]：1）氣體電離；2）顆粒荷電階段；3）顆粒遷移與捕集。其中，放電電壓和集塵電壓的高低對靜電裝置的凈化效果有較大的影響。靜電空氣凈化技術近年來在民用建筑（如大型商場、辦公大樓、地鐵）通風凈化領域得到廣泛應用，對于室外大氣中PM2.5 顆粒物污染的凈化效果較好，PM2.5 凈化效率通常在80%～90%之間。

雖然靜電凈化裝置對細顆粒物PM2.5 有一定的凈化效率，但是對特別微細（如粒徑范圍在0.1～1.0 μm）的顆粒物凈化效果并不理想，而這種微細顆粒物對人體健康的危害更大。電凝并技術作為一種新型的靜電增強技術，通過增加微細顆粒的荷電能力，從而增強微細顆粒物之間的凝聚力，使粒子團聚變大而更容易在靜電場中被清除[2]。20 世紀90 年代初，Watanabe 和Suda 提出同極性荷電粉塵在交變電場的三區式靜電除塵器引起了除塵領域的關注，其結構如圖1 所示，實驗表明三區式除塵器處理0.06～12 μm 的飛灰，比常規電除塵器除塵效率提高3%（從95.1%提高到98.1%）[3]。向曉東團隊提出異極性荷電粉塵在交變電場的雙區式靜電除塵器（如圖2 所示），在芒刺型極板上施加交變電壓使粉塵在運動過程中荷電與凝并交替進行，提高了粉塵群正負荷電量的對稱性，無預荷電區，縮短了電極總長度,在平均場強為4 kV/cm處理中位徑為2 μm 的粉塵，雙區式電凝并除塵效率已達98%[4]。

圖1 靜電增強電凝并技術原理示意圖

圖2 交變電場的雙區式靜電除塵器原理示意圖

1 新型電凝并靜電增強過濾裝置影響因素分析及結構設計

常用靜電空氣凈化裝置由電離區和集塵區兩部分組成，新型電凝并靜電增強過濾裝置設計時，對其過濾效果的影響因素也進行了考慮，概括起來主要分為以下兩類：

1）外部環境參數的影響，如溫度，相對濕度，粉塵濃度和粉塵比電阻等。空氣溫度越高分子活性越強，過濾效果越好。空氣濕度越高，效率降低。空氣中粉塵濃度較高時，容易形成電暈閉塞。粉塵比電阻過小時，離子不易附著上去，影響粒子荷電，比電阻過高時，離子附著上去難脫離導致在集塵板上發生反電暈現象，影響集塵。

2）裝置本身設計參數的影響，如電場電壓、風速、集塵區間距、集塵區高度、集塵附著面積等。在外加電壓作用下電離區產生不均勻電場，發生電暈放電。當極間的電壓升高到某一個點時，會產生火花放電，繼續升高電壓就會使氣體間隙擊穿，產生電弧放電。火花放電及電弧放電由于電流的急劇增大伴隨產生大量臭氧，并且不利于靜電除塵器的穩定運行。

正負電暈極在空氣中的電暈電流—電壓曲線關系如圖3 所示：

圖3 電暈電流—電壓曲線關系曲線

同時氣體流速越快，荷電與集塵吸附的時間越短，過濾效果越差。在集塵區之間施加相同場強的均勻電場，集塵區極板之間間距越小，風阻越大、容塵量越低、過濾效果越好。相同間距下，場強越大，效果越好。

考慮以上各種因素的影響，裝置結構設計分成3部分（見圖4）：最上部為電離荷電區，中間為電凝并區，最下方為帶正負高壓的金屬板組成的集塵區，正負帶電集塵板之間采用絕緣隔離柱隔離固定，形成穩定的間距。

圖4 新型電凝并靜電增強過濾裝置結構圖

電暈極采用先正后負電暈電場排列，這是因為異極性粉塵之間發生凝并會正負電荷抵消，荷電量不飽和的粉塵進入集塵區不易捕捉，影響整機過濾效果。正電暈電極采用間隔分布，讓粉塵中一部分粉塵粒子帶正電荷，一部分粉塵粒子不帶電。當粉塵氣流進入負電暈區時，不帶電粉塵粒子迅速帶上負電荷，與同一氣流截面的正電荷粉塵凝并，使凝并時間提前。

2 電凝并的實現

正（負）高壓電離區釋放出正（負）電荷，正（負）電荷沿著電場線（相反）方向運動與粉塵粒子碰撞使粉塵粒子帶電（如圖5 所示），當粉塵顆粒物由A 到B 過程中受到正高壓電離的作用帶上正電荷，帶正電荷粉塵由B 到C 過程中使粉塵顆粒進行第一次凝并，并使凝并后的粒子帶上負電荷，當粉塵團進入D 區時，正負帶電粒子受到不同電場力作用相對運動發生第二次凝并，最終被帶電集板吸附捕捉。

圖5 電凝并實現原理圖

該裝置電凝并的實現與傳統電凝并的差異主要體現在以下幾方面：

1）電離區結構不同。相比圓形線電暈極，芒刺（針尖）線電暈極能產生較強的電暈電流（即電離出的高能電子團向陰極移動產生的電流）與離子風，在芒刺（針尖）正對的延長線上電風速可達2 m/s 以上，這將有利于微細粉塵的收集[5]。傳統電凝并技術采用的是芒刺結構使粉塵帶上異性電荷，進風氣流垂直針尖方向，芒刺針尖根部電場強度較弱，粉塵荷電不充分，芒刺針尖頂部上方荷電受場強衰減距離受限。該電凝并靜電增強過濾裝置采用的是進風氣流平行于針尖方向，且針尖前段采用方形網格作為負極，使進風截面電場強度均勻，無場強薄弱區域，荷電更加均勻。針尖直徑小于等于1 mm 時，放電能量密度有所提高但是幅度不大[6]，在保證電場強度的情況下增大極間間距，電場強度隨相鄰針尖間距增大總體呈下降趨勢，在12～22 mm 區間變化不大，隨電極間距增大而減小，在32 mm 時達到最大值[7]。最終確定針尖直徑為1 mm，網格長度為22 mm（如圖6 所示）。

2）凝并實現方式不同。傳統凝并技術的實現是使異極性粉塵在交變電場（或直流電場）中不斷凝并，凝并后無再次荷電，凝并后的粉塵容易正負電荷中和，影響集塵區的吸附效果。該電凝并靜電增強過濾裝置先讓粉塵粒子經過正電暈區，使其帶上正電荷，再次經過負電暈區，使粉塵在凝并后再次荷電，既實現了電凝并，又使粉塵凝并后荷電充分，提高了靜電增強過濾裝置整體過濾效果。

圖6 方形網格負極

3）凝并區路程短。提高電凝并速率是研究的重點與難題，傳統電凝并凈化是通過增大凝并區長度及凝并時間來提升電凝并效果，導致凈化裝置尺寸較大。此外通過降低粉塵風速來提高凝并效果，導致凈化裝置工作效率較低。該電凝并靜電增強過濾裝置摒棄傳統凝并區，使粉塵直接在荷電過程中凝并，因此體積更小，工作效率更高。

3 新型電凝并靜電增強過濾裝置測試效果及結構優化

依據GB/T 34012-2017《通風系統用空氣凈化裝置》的要求，對新型電凝并靜電增強過濾裝置的阻力，PM2.5 凈化效率，臭氧濃度增加量和功率等性能指標進行了測試，結果如表1 所示。

工況1：電離荷電區、集塵區、電凝并區均通電，反映的是裝置的整體性能。

工況2：電離荷電區、集塵區均通電，電凝并區不通電。

工況3：電凝并區、集塵區均通電，電離荷電區不通電。

表1 靜電增強過濾裝置檢測結果

從表1 測試數據分析，工況2 和工況3 都相當于取消了電凝并效應，其PM2.5 凈化效率相對于工況1分別下降了4.5%和12.3%，表明工況1 電凝并效應明顯的提升PM2.5 凈化效率。

在圖4 裝置上進行結構優化（圖7）：

1）電暈極分布：調節負針尖指向，由原來指向正電離區更改為指向集塵區。正、負高壓針尖錯位，使正電離與負電離間隔排列。

2）集塵區優化：根據集塵區電壓與集塵區間距（mm）比值和集塵區上所施加高壓數值，重新確定集塵區間距大小。

圖7 新型電凝并靜電增強過濾裝置結構優化設計圖

從測試結果（表2）分析PM2.5 凈化效率有提高了2.2%。

表2 新型電凝并靜電增強過濾裝置測試結果

由圖8 可得，對于150 nm 以下顆粒物有明顯凝并效果。

圖8 凝并效果圖

4 結論

文章通過對靜電凝并的理論知識研究與實驗測試，提出正高壓電離、負高壓凝并、正高壓集塵結構的靜電凝并裝置，通過實驗不斷優化裝置結構，最終設計一款體積小、風阻低、能效高的電凝并靜電增強過濾裝置，通過使納米級顆粒物凝并聚集成較大顆粒物提高了靜電除塵器的凈化效果。對研究異極性荷電粉塵的凝并效果具有重要意義。