賀建華 張雄

遠(yuǎn)大潔凈空氣科技有限公司

0 引言

傳統(tǒng)的靜電空氣凈化技術(shù)是利用高壓電場(chǎng)使含塵氣體發(fā)生電離，氣流中的粉塵荷電并在電場(chǎng)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(gè)靜電凈化過(guò)程包括三個(gè)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(duì)靜電裝置的凈化效果有較大的影響。靜電空氣凈化技術(shù)近年來(lái)在民用建筑（如大型商場(chǎng)、辦公大樓、地鐵）通風(fēng)凈化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)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(duì)細(xì)顆粒物PM2.5 有一定的凈化效率，但是對(duì)特別微細(xì)（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(xì)顆粒物對(duì)人體健康的危害更大。電凝并技術(shù)作為一種新型的靜電增強(qiáng)技術(shù)，通過(guò)增加微細(xì)顆粒的荷電能力，從而增強(qiáng)微細(xì)顆粒物之間的凝聚力，使粒子團(tuán)聚變大而更容易在靜電場(chǎng)中被清除[2]。20 世紀(jì)90 年代初，Watanabe 和Suda 提出同極性荷電粉塵在交變電場(chǎng)的三區(qū)式靜電除塵器引起了除塵領(lǐng)域的關(guān)注，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)表明三區(qū)式除塵器處理0.06～12 μm 的飛灰，比常規(guī)電除塵器除塵效率提高3%（從95.1%提高到98.1%）[3]。向曉東團(tuán)隊(duì)提出異極性荷電粉塵在交變電場(chǎng)的雙區(qū)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中荷電與凝并交替進(jìn)行，提高了粉塵群正負(fù)荷電量的對(duì)稱性，無(wú)預(yù)荷電區(qū)，縮短了電極總長(zhǎng)度,在平均場(chǎng)強(qiáng)為4 kV/cm處理中位徑為2 μm 的粉塵，雙區(qū)式電凝并除塵效率已達(dá)98%[4]。

圖1 靜電增強(qiáng)電凝并技術(shù)原理示意圖

圖2 交變電場(chǎng)的雙區(qū)式靜電除塵器原理示意圖

1 新型電凝并靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置影響因素分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用靜電空氣凈化裝置由電離區(qū)和集塵區(qū)兩部分組成，新型電凝并靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其過(guò)濾效果的影響因素也進(jìn)行了考慮，概括起來(lái)主要分為以下兩類：

1）外部環(huán)境參數(shù)的影響，如溫度，相對(duì)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(qiáng)，過(guò)濾效果越好?？諝鉂穸仍礁撸式档??？諝庵蟹蹓m濃度較高時(shí)，容易形成電暈閉塞。粉塵比電阻過(guò)小時(shí)，離子不易附著上去，影響粒子荷電，比電阻過(guò)高時(shí)，離子附著上去難脫離導(dǎo)致在集塵板上發(fā)生反電暈現(xiàn)象，影響集塵。

2）裝置本身設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，如電場(chǎng)電壓、風(fēng)速、集塵區(qū)間距、集塵區(qū)高度、集塵附著面積等。在外加電壓作用下電離區(qū)產(chǎn)生不均勻電場(chǎng)，發(fā)生電暈放電。當(dāng)極間的電壓升高到某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生火花放電，繼續(xù)升高電壓就會(huì)使氣體間隙擊穿，產(chǎn)生電弧放電?；鸹ǚ烹娂半娀》烹娪捎陔娏鞯募眲≡龃蟀殡S產(chǎn)生大量臭氧，并且不利于靜電除塵器的穩(wěn)定運(yùn)行。

正負(fù)電暈極在空氣中的電暈電流—電壓曲線關(guān)系如圖3 所示：

圖3 電暈電流—電壓曲線關(guān)系曲線

同時(shí)氣體流速越快，荷電與集塵吸附的時(shí)間越短，過(guò)濾效果越差。在集塵區(qū)之間施加相同場(chǎng)強(qiáng)的均勻電場(chǎng)，集塵區(qū)極板之間間距越小，風(fēng)阻越大、容塵量越低、過(guò)濾效果越好。相同間距下，場(chǎng)強(qiáng)越大，效果越好。

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

圖4 新型電凝并靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)圖

電暈極采用先正后負(fù)電暈電場(chǎng)排列，這是因?yàn)楫悩O性粉塵之間發(fā)生凝并會(huì)正負(fù)電荷抵消，荷電量不飽和的粉塵進(jìn)入集塵區(qū)不易捕捉，影響整機(jī)過(guò)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(dāng)粉塵氣流進(jìn)入負(fù)電暈區(qū)時(shí)，不帶電粉塵粒子迅速帶上負(fù)電荷，與同一氣流截面的正電荷粉塵凝并，使凝并時(shí)間提前。

2 電凝并的實(shí)現(xiàn)

正（負(fù)）高壓電離區(qū)釋放出正（負(fù)）電荷，正（負(fù)）電荷沿著電場(chǎng)線（相反）方向運(yùn)動(dòng)與粉塵粒子碰撞使粉塵粒子帶電（如圖5 所示），當(dāng)粉塵顆粒物由A 到B 過(guò)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(guò)程中使粉塵顆粒進(jìn)行第一次凝并，并使凝并后的粒子帶上負(fù)電荷，當(dāng)粉塵團(tuán)進(jìn)入D 區(qū)時(shí)，正負(fù)帶電粒子受到不同電場(chǎng)力作用相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生第二次凝并，最終被帶電集板吸附捕捉。

圖5 電凝并實(shí)現(xiàn)原理圖

該裝置電凝并的實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)電凝并的差異主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）電離區(qū)結(jié)構(gòu)不同。相比圓形線電暈極，芒刺（針尖）線電暈極能產(chǎn)生較強(qiáng)的電暈電流（即電離出的高能電子團(tuán)向陰極移動(dòng)產(chǎn)生的電流）與離子風(fēng)，在芒刺（針尖）正對(duì)的延長(zhǎng)線上電風(fēng)速可達(dá)2 m/s 以上，這將有利于微細(xì)粉塵的收集[5]。傳統(tǒng)電凝并技術(shù)采用的是芒刺結(jié)構(gòu)使粉塵帶上異性電荷，進(jìn)風(fēng)氣流垂直針尖方向，芒刺針尖根部電場(chǎng)強(qiáng)度較弱，粉塵荷電不充分，芒刺針尖頂部上方荷電受場(chǎng)強(qiáng)衰減距離受限。該電凝并靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置采用的是進(jìn)風(fēng)氣流平行于針尖方向，且針尖前段采用方形網(wǎng)格作為負(fù)極，使進(jìn)風(fēng)截面電場(chǎng)強(qiáng)度均勻，無(wú)場(chǎng)強(qiáng)薄弱區(qū)域，荷電更加均勻。針尖直徑小于等于1 mm 時(shí)，放電能量密度有所提高但是幅度不大[6]，在保證電場(chǎng)強(qiáng)度的情況下增大極間間距，電場(chǎng)強(qiáng)度隨相鄰針尖間距增大總體呈下降趨勢(shì)，在12～22 mm 區(qū)間變化不大，隨電極間距增大而減小，在32 mm 時(shí)達(dá)到最大值[7]。最終確定針尖直徑為1 mm，網(wǎng)格長(zhǎng)度為22 mm（如圖6 所示）。

2）凝并實(shí)現(xiàn)方式不同。傳統(tǒng)凝并技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是使異極性粉塵在交變電場(chǎng)（或直流電場(chǎng)）中不斷凝并，凝并后無(wú)再次荷電，凝并后的粉塵容易正負(fù)電荷中和，影響集塵區(qū)的吸附效果。該電凝并靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置先讓粉塵粒子經(jīng)過(guò)正電暈區(qū)，使其帶上正電荷，再次經(jīng)過(guò)負(fù)電暈區(qū)，使粉塵在凝并后再次荷電，既實(shí)現(xiàn)了電凝并，又使粉塵凝并后荷電充分，提高了靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置整體過(guò)濾效果。

圖6 方形網(wǎng)格負(fù)極

3）凝并區(qū)路程短。提高電凝并速率是研究的重點(diǎn)與難題，傳統(tǒng)電凝并凈化是通過(guò)增大凝并區(qū)長(zhǎng)度及凝并時(shí)間來(lái)提升電凝并效果，導(dǎo)致凈化裝置尺寸較大。此外通過(guò)降低粉塵風(fēng)速來(lái)提高凝并效果，導(dǎo)致凈化裝置工作效率較低。該電凝并靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置摒棄傳統(tǒng)凝并區(qū)，使粉塵直接在荷電過(guò)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(qiáng)過(guò)濾裝置測(cè)試效果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)GB/T 34012-2017《通風(fēng)系統(tǒng)用空氣凈化裝置》的要求，對(duì)新型電凝并靜電增強(qiáng)過(guò)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(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1 所示。

工況1：電離荷電區(qū)、集塵區(qū)、電凝并區(qū)均通電，反映的是裝置的整體性能。

工況2：電離荷電區(qū)、集塵區(qū)均通電，電凝并區(qū)不通電。

工況3：電凝并區(qū)、集塵區(qū)均通電，電離荷電區(qū)不通電。

表1 靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置檢測(cè)結(jié)果

從表1 測(cè)試數(shù)據(jù)分析，工況2 和工況3 都相當(dāng)于取消了電凝并效應(yīng)，其PM2.5 凈化效率相對(duì)于工況1分別下降了4.5%和12.3%，表明工況1 電凝并效應(yīng)明顯的提升PM2.5 凈化效率。

在圖4 裝置上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（圖7）：

1）電暈極分布：調(diào)節(jié)負(fù)針尖指向，由原來(lái)指向正電離區(qū)更改為指向集塵區(qū)。正、負(fù)高壓針尖錯(cuò)位，使正電離與負(fù)電離間隔排列。

2）集塵區(qū)優(yōu)化：根據(jù)集塵區(qū)電壓與集塵區(qū)間距（mm）比值和集塵區(qū)上所施加高壓數(shù)值，重新確定集塵區(qū)間距大小。

圖7 新型電凝并靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

從測(cè)試結(jié)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(qiáng)過(guò)濾裝置測(cè)試結(jié)果

由圖8 可得，對(duì)于150 nm 以下顆粒物有明顯凝并效果。

圖8 凝并效果圖

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)靜電凝并的理論知識(shí)研究與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提出正高壓電離、負(fù)高壓凝并、正高壓集塵結(jié)構(gòu)的靜電凝并裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計(jì)一款體積小、風(fēng)阻低、能效高的電凝并靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置，通過(guò)使納米級(jí)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(duì)研究異極性荷電粉塵的凝并效果具有重要意義。