電除塵技術(shù)研究進(jìn)展＊

許志鵬，陸從相，蘇雯

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，江蘇鹽城 224000）

目前，中國(guó)顆粒粉塵污染形勢(shì)嚴(yán)峻，很多城市存在顆粒粉塵濃度超標(biāo)的問(wèn)題。中國(guó)華北、江淮、江南等中東部區(qū)域均出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾天氣，主要原因就是城市環(huán)境中的PM10（顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于10 μm），尤其是PM2.5（顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm）的含量過(guò)高所致[1]。由于微細(xì)塵粒粒徑較小、比表面積較大，有毒有害物質(zhì)可以在其表面富集，而且可以長(zhǎng)期漂浮在大氣中，因此，嚴(yán)重影響城市的空氣質(zhì)量、大氣能見(jiàn)度、溫度，嚴(yán)重危害人類的身體健康[2-3]。國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)研究結(jié)果表明，大氣污染“對(duì)人類致癌”，大氣污染物是主要的環(huán)境致癌物；長(zhǎng)時(shí)間生活在污染空氣環(huán)境中，患肺癌的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大幅度增加[4]。流行病學(xué)研究結(jié)果顯示，微細(xì)塵粒會(huì)對(duì)人體呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和遺傳系統(tǒng)等系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，誘發(fā)多種身體疾病[5]。微細(xì)塵粒、SO2和CO2等大氣污染物還會(huì)造成酸雨污染、氣候變暖和臭氧層破壞等環(huán)境問(wèn)題[6]。大氣環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的寶貴資源，其質(zhì)量影響城市的生態(tài)系統(tǒng)和人類的生活質(zhì)量[7]。因此，保護(hù)大氣環(huán)境，控制粉塵和廢氣污染，已經(jīng)刻不容緩[8]。

燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動(dòng)車、揚(yáng)塵等是當(dāng)前中國(guó)大部分城市環(huán)境空氣中顆粒物的主要污染來(lái)源，占85%～90%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由燃煤生成的懸浮顆粒物占空氣中總懸浮顆粒物（顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于100 μm）的33%，微細(xì)顆粒物占其中的35%[9]。

中國(guó)是一個(gè)煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，煤炭消費(fèi)占一次能源消費(fèi)比例大，大氣環(huán)境污染以煤煙型為主[10]。盡管國(guó)家采取多種措施優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源使用效率，建設(shè)綠色健康的現(xiàn)代能源體系，但是在短期內(nèi)，中國(guó)的能源消費(fèi)格局依然是以煤炭為主，煤炭的主體地位仍然無(wú)法替代。據(jù)測(cè)算，今后一段時(shí)期，盡管煤炭消費(fèi)量的年均增速將會(huì)略有降低，但煤炭消費(fèi)總量占能源消費(fèi)總量的比例仍超過(guò)60%。

由于傳統(tǒng)電除塵器電場(chǎng)中產(chǎn)生的離子濃度不高，塵粒驅(qū)進(jìn)速度低，微細(xì)塵粒荷電、碰撞和凝并概率低，導(dǎo)致微細(xì)塵粒的收集效率低[11]。因此，現(xiàn)有的新老電除塵器將面臨升級(jí)和改造，提高收塵效率，特別是微細(xì)塵粒的捕集效率，已成為眾多學(xué)者努力的焦點(diǎn)。

1 靜電除塵器概況

靜電除塵器是利用高壓電場(chǎng)使塵粒荷電、遷移、沉積、分離的一種除塵裝置。與機(jī)械式、濕式和過(guò)濾式等類型除塵器相比，由于ESP 具有捕集效率較高、壓力損失較小、處理煙氣流量較大、可處理具有腐蝕性的煙氣和一次性投資相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，因此，ESP可以廣泛應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[12]。ESP 最典型的類型主要分為2 種，即單區(qū)式電除塵器和雙區(qū)式電除塵器。單區(qū)式ESP 可以在同一區(qū)域?qū)崿F(xiàn)塵粒的荷電與捕集，而雙區(qū)式ESP則需在2 個(gè)區(qū)域完成塵粒的荷電與捕集。單區(qū)式ESP 主要分為線管式ESP 和線板式ESP，其集塵板分別為長(zhǎng)圓筒形和長(zhǎng)方形平面[13]，如圖1、圖2 所示。

圖1 線管式ESP

圖2 線板式ESP

雙區(qū)式ESP 收塵過(guò)程為：當(dāng)含塵煙氣流經(jīng)荷電區(qū)時(shí)，塵粒荷電，而后進(jìn)入收塵區(qū)進(jìn)行捕集，凈化后的煙氣直接排出，示意圖如圖3 所示。

圖3 雙區(qū)式ESP

上述ESP 放電電場(chǎng)中產(chǎn)生的離子濃度低，粉塵荷電凝并概率低，導(dǎo)致其對(duì)微細(xì)粉塵捕集的效率低下。而電凝并技術(shù)可以使小塵粒碰撞凝聚為大塵粒，有效提高微細(xì)塵粒的收集效率，受到世界各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，因此，電凝并捕集微細(xì)塵粒技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)之一。

2 塵粒荷電凝并技術(shù)研究進(jìn)展

電除塵器電場(chǎng)中塵粒的初始濃度、塵粒粒徑分布、電荷分布、電場(chǎng)工作電壓以及流場(chǎng)特性等因素會(huì)直接影響電凝并的效果。關(guān)于電凝并的主要研究方向?yàn)檎?fù)荷電塵粒的庫(kù)侖凝并、同極性荷電塵粒或正負(fù)荷電塵粒在恒定電場(chǎng)中凝并、同極性荷電塵粒或正負(fù)荷電塵粒在交變電場(chǎng)中的凝并。20 世紀(jì)60 年代，氣溶膠科學(xué)的奠基人Fuchs 通過(guò)研究得到帶電顆粒碰撞頻率的計(jì)算公式。20 世紀(jì)80 年代，Masuda 等通過(guò)加載直流高壓窄脈沖電場(chǎng)，開(kāi)展同極性粒子荷電凝并試驗(yàn)研究，提高了高比電阻煙塵的收集效率。20 世紀(jì)90 年代，Loyalka 等改進(jìn)了靜電凝并方程式。Eliasson 等通過(guò)三區(qū)式電除塵器的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，中性粒子的熱凝并速率比對(duì)稱異極性荷電亞微米粒子的電凝并速率低2～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，異極性荷電塵粒庫(kù)侖凝并ESP 示意圖如圖4 所示。Koizumi 等通過(guò)理論研究得出，中性塵粒的凝并速率也低于同極性荷電亞微米塵粒的凝并速率，如圖5 所示。在凝并區(qū)加載電場(chǎng)力可以提高凝并效率，進(jìn)而提高亞微米塵粒的收集效率。

圖4 異極性荷電塵粒庫(kù)侖凝并ESP

圖5 同極性荷電塵粒交變凝并ESP

上述研究表明，電凝并技術(shù)能提高微細(xì)塵粒的凝并效果和捕集效果，但在電除塵裝置中另設(shè)荷電凝并裝置，從本質(zhì)上講是變相增加電除塵電場(chǎng)的級(jí)數(shù)，難以從根本上解決微細(xì)塵粒電捕集效果差和除塵器本體體積龐大的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，白希堯等人提出橫向極板ESP，將集塵板迎氣流方向垂直布置，將風(fēng)速轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣诓都瘔m粒的條件，塵粒的驅(qū)進(jìn)速度得到大幅度提高。陳祖云等人采用類似極板結(jié)構(gòu)進(jìn)行電除塵試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，橫向極板ESP 能提高塵粒的驅(qū)進(jìn)速度，提高微細(xì)粉塵荷電、碰撞和凝并的概率。在前人研究的基礎(chǔ)上，依成武等人進(jìn)一步提出渦旋電除塵技術(shù)。由于渦旋型電除塵器（VEP）可實(shí)現(xiàn)在同一區(qū)域完成塵粒荷電、極化、碰撞、凝并和收塵的作用全過(guò)程，因此，它有效提高了微細(xì)塵粒的收集效果，實(shí)現(xiàn)了VEP 體積的大幅度減小，是一種極具應(yīng)用潛力的新型電除塵器。

3 現(xiàn)有電除塵器存在的主要問(wèn)題及解決路徑

現(xiàn)有ESP 集塵板往往是平行氣流方向放置，難以提高微細(xì)塵粒的捕集效率，主要原因是：①放電電場(chǎng)中產(chǎn)生的離子濃度值不高，為每立方厘米106～107，微細(xì)塵粒的荷電凝并概率低；②集塵板平行氣流方向放置，離子輸運(yùn)項(xiàng)低，不利于塵粒的捕集，荷電塵粒的驅(qū)進(jìn)速度不高，僅為0.03～0.20 m/s；③現(xiàn)有電除塵器為提高塵粒的捕集效率，通常采用多級(jí)電場(chǎng)或者在除塵裝置前端加裝預(yù)荷電裝置，這種方法對(duì)提高微細(xì)塵粒的捕集效果有限，同時(shí)大幅度加大了ESP 本體的體積，加大了一次性投資。要提高微細(xì)塵粒的收塵效率，解決傳統(tǒng)ESP 存在的離子濃度不高、塵粒荷電凝并概率低、體積龐大和一次性投資高等問(wèn)題，就需要開(kāi)發(fā)高效實(shí)用的微細(xì)塵粒捕集新技術(shù)，進(jìn)一步深化除塵理論研究，同時(shí)進(jìn)行微細(xì)塵粒捕集方面的模擬分析和試驗(yàn)研究。高效捕集微細(xì)塵粒的方法主要分為以下3 類。

第一類是提高電場(chǎng)中產(chǎn)生的離子濃度，增加塵粒的荷電量。主要通過(guò)增加電場(chǎng)個(gè)數(shù)增大收塵器體積，使用高壓脈沖電源增加電場(chǎng)注入功率密度，采用預(yù)荷電和改變極配形式等方法給微細(xì)塵粒以足夠的荷電量。

第二類是使微細(xì)塵粒凝聚長(zhǎng)大，再用靜電收塵器收集。主要利用電、湍流、蒸汽相變、磁、熱、化學(xué)、聲和光等凝并技術(shù)，使小塵粒相互碰撞凝聚成大塵粒。

第三類是靜電與其他方式結(jié)合的方式。例如靜電增強(qiáng)旋風(fēng)分離器、電袋復(fù)合除塵器和靜電增強(qiáng)顆粒層除塵器等。由于電凝并技術(shù)能有效提高微細(xì)塵粒的凝并效果和捕集效果，因此成為研究熱點(diǎn)之一。但是在電除塵裝置中另設(shè)荷電凝并裝置，從本質(zhì)上講是變相增加電除塵電場(chǎng)的級(jí)數(shù)，難以從根本上解決微細(xì)塵粒電捕集效果差和除塵器本體體積龐大的問(wèn)題。

4 結(jié)論

在前人研究的基礎(chǔ)上，由于VEP 可實(shí)現(xiàn)單區(qū)式高效捕集微細(xì)塵粒，因此，VEP 的體積大幅度減小，是一種極具應(yīng)用潛力的新型電除塵器。然而，渦旋電除塵技術(shù)作為一種新型的除塵技術(shù)，有很多關(guān)鍵問(wèn)題需要做進(jìn)一步研究。現(xiàn)有的收塵效率理論計(jì)算模型主要是針對(duì)傳統(tǒng)ESP 建立的，雖然可以成功分析電除塵過(guò)程中的一些非Deustch 現(xiàn)象，但是其并不適用于分析帶電粒子在VEP 內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，目前尚無(wú)比較準(zhǔn)確實(shí)用的電凝并收塵效率理論計(jì)算模型。為完善渦旋電除塵理論，需要對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算求解，分析VEP 內(nèi)部流場(chǎng)特性和塵粒的運(yùn)動(dòng)特性，揭示荷電粒子的凝并規(guī)律和收塵規(guī)律。為系統(tǒng)分析VEP 收塵性能，需要對(duì)VEP的離子輸運(yùn)特性進(jìn)行理論分析及試驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析VEP 的運(yùn)行參數(shù)。圍繞這些關(guān)鍵問(wèn)題，完善VEP 理論體系，優(yōu)化VEP 運(yùn)行參數(shù)，全面了解VEP 的技術(shù)特性，為VEP 的工業(yè)示范試驗(yàn)提供技術(shù)支撐。