陳奕行,孫 在,熊啟航

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

大氣中PM2.5污染問題被人們廣泛關(guān)注,但是對更細(xì)小的亞微米顆粒(PM1.0)和超細(xì)微米顆粒(PM0.1)仍然缺乏足夠的研究。研究表明,PM2.5質(zhì)量占大氣顆粒的50%～90%,而其中PM1.0占20%～60%[1]。從顆粒數(shù)濃度的角度來看,PM1.0在城市大氣中可占PM2.5數(shù)濃度的98%以上,而PM0.1的數(shù)量可占到PM1.0的76%。

針對顆粒物的捕集手段主要是纖維過濾和靜電集塵。纖維過濾器存在使用價格高、壽命短以及風(fēng)阻高的問題,靜電過濾器克服了這一缺點(diǎn)。由于亞微米顆粒物的粉塵電阻特性和荷電能力的差異,傳統(tǒng)的干式靜電除塵器對亞微米顆粒物的捕集效率往往不足90%,效果并不是很好[2-3]。

金屬纖維過濾器綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn),對于亞微米顆粒有著較好的捕集作用,同時過濾器壓降低于傳統(tǒng)過纖維濾器,且可以反復(fù)使用[4-7]。本文使用多層的不銹鋼金屬絲網(wǎng)作為集塵級,測量了針-網(wǎng)式多層靜電絲網(wǎng)在亞微米范圍內(nèi)的全粒徑分級效率(10～1 000 nm),旨在探討放電電壓、絲網(wǎng)層數(shù)、顆粒粒徑對靜電絲網(wǎng)捕集效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計了一種靜電絲網(wǎng)過濾裝置。該裝置結(jié)構(gòu)如圖1,由放電極陣列和接地的集塵絲網(wǎng)組成,這樣的針網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠以較小的電壓獲得較高的荷電效率[8]。集塵絲網(wǎng)為一個或多個串聯(lián)的不銹鋼金屬絲網(wǎng)。放電極焊接在40目絲網(wǎng)上形成陣列并指向氣流方向,集塵絲網(wǎng)垂直于氣流方向放置。金屬絲網(wǎng)的孔徑只有幾十到幾百微米。

圖1 靜電絲網(wǎng)電場結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of the electric field about electrostatic mesh

本實(shí)驗(yàn)采用的放電極陣列由25根(5×5)長度L=14 mm的針電極(鍍鉻鋼針,針尖曲率半徑為r=0.045±0.009 mm)組成。通過顯微照片挑選合適的針電極,保證電極尖端無毛刺無缺陷。圖2為典型的放電極顯微圖像。針電極焊接在150 mm×150 mm的40目金屬絲網(wǎng)上。集塵絲網(wǎng)為150 mm×150 mm不銹鋼編織絲網(wǎng),具體參數(shù)如表1。針電極與第一層集塵絲網(wǎng)的間距為2 cm。集塵絲網(wǎng)接地,并在放電極上施加負(fù)高壓,施加的電壓范圍在-8～-26 kV。采用高壓衰減棒(HVP-40)配合高精度萬用表(UT61E)對電場兩端電壓進(jìn)行監(jiān)測,使用耐高壓微安表(吉佳SWB-Ⅳ)與電場串聯(lián)測量放電電流。

表1 金屬絲網(wǎng)參數(shù)

圖2 放電極顯微圖像Figure 2 Microscopic image of discharge electrode

此外,風(fēng)速對于靜電絲網(wǎng)捕集性能的影響較為明顯,為了盡可能的減少徑向速度梯度造成的靜電絲網(wǎng)上過濾不均勻現(xiàn)象,同時為了降低風(fēng)機(jī)上游正常軸向流動中的旋流生長對靜電絲網(wǎng)下游采樣管處游流場的影響,在靜電絲網(wǎng)上游和風(fēng)機(jī)上游均裝設(shè)了蜂窩整流器。

本實(shí)驗(yàn)中顆粒數(shù)濃度測量儀器為掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀(SMPS,TSI 3938),通過切換采樣管路分時測量靜電絲網(wǎng)上下游的粒徑譜。下游采樣點(diǎn)位置距離最后一層絲網(wǎng)20 cm。采用環(huán)境大氣為顆粒源,圖3為所采用的大氣塵源兩種典型的粒徑分布。這兩種粒徑分布對于粒徑分級效率影響微弱,使用同一個粒徑分級效率復(fù)算不同粒徑分布下的總效率發(fā)現(xiàn)其代數(shù)差最大不超過4%。為了保證塵源顆粒數(shù)濃度的穩(wěn)定性,篩選采用連續(xù)兩組數(shù)據(jù)入口數(shù)濃度波動不超過5%的數(shù)據(jù)用于計算。

圖3 入口顆粒粒徑分布Figure 3 Inlet particle size distribution

本實(shí)驗(yàn)中著重探究負(fù)電暈放電條件下靜電絲網(wǎng)對亞微米顆粒的總捕集效率以及對亞微米范圍內(nèi)顆粒的粒徑分級效率。

總捕集效率用式(1)來表示:

(1)

式(1)中:η為靜電絲網(wǎng)的捕集效率;dp是顆粒的粒徑,nm;Nout(dp)為靜電絲網(wǎng)下游測得的某粒徑顆粒的數(shù)濃度,#/m3;Nin(dp)是靜電絲網(wǎng)上游測得的某粒徑顆粒的數(shù)濃度,#/m3。

粒徑分級效率則通過式(2)來表示:

2) 從水位變化看，最大吃水還需考慮航道枯水期限制當(dāng)前京杭運(yùn)河枯水期低水位通常處于蘇北段6—9月，是農(nóng)田灌溉所致。按照蘇北運(yùn)河維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)最低通航水位6 m時，即至少4 m水深是航道的實(shí)際深度，其余2 m為河底高程，可計算出淮安船閘以下近年來最低水位5.2 m時的水深是3.2 m，此為水深的限值條件。對適航蘇北段總長90 m的集裝箱船而言，滿載最大吃水為3.6 m，為防止在枯水期發(fā)生擱淺事故，建議減載通航。

(2)

式(2)中:η(dp)是靜電絲網(wǎng)對于某粒徑顆粒的捕集效率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 放電特性

如圖4,不同層數(shù)電暈電流與放電電壓的變化趨勢保持一致,電流與電壓的二次方成正比,滿足湯森關(guān)系式。但是在電壓高于20 kV時,電流值出現(xiàn)較明顯的差距。隨著電壓的增高,不同層數(shù)接地絲網(wǎng)的電暈電流值差距增大。增加電網(wǎng)層數(shù)對提高電流更加明顯,電壓較低時(8～16 kV),增加電網(wǎng)層數(shù)電暈電流幾乎沒有提高。同樣的,從圖中也可以看出,減小接地絲網(wǎng)孔徑也有助于提高電暈電流。

圖4 多層靜電絲網(wǎng)伏安特性Figure 4 Voltage and current characteristics of multilayer electrostatic mesh

2.2 機(jī)械捕集效率

未施加電場時,絲網(wǎng)對顆粒的物的捕集主要依靠擴(kuò)散、慣性、攔截機(jī)理。擴(kuò)散作用是顆粒物由于自身的布朗運(yùn)動脫離流線撞擊到纖維并沉積下來,主要為PM0.1的捕集機(jī)理。攔截作用則為流線距纖維表面的距離小于沿流線運(yùn)動的顆粒的直徑,此時顆粒在范德華力的作用下沉積,是100～1 000 nm顆粒的主要捕獲機(jī)理。慣性作用為顆粒在跟隨流線拐彎時由于慣性的存在脫離流線沉積到纖維上的過程,是300～1 000 nm顆粒的有效捕獲機(jī)制[9]。

僅依靠上述捕集機(jī)理的過濾效率為機(jī)械捕集效率ηm。在未施加電壓的情況下,比較接地絲網(wǎng)上下游的濃度,進(jìn)而求得絲網(wǎng)對亞微米顆粒物的機(jī)械過濾性能。如表2所示,不同層數(shù)接地絲網(wǎng)的機(jī)械捕集效率均在零點(diǎn)上下波動,并沒有隨層數(shù)產(chǎn)生規(guī)律性地變化。測試中,機(jī)械過濾效率實(shí)驗(yàn)中有出現(xiàn)負(fù)效率,這是由于入口濃度的波動造成的。

表2 靜電絲網(wǎng)機(jī)械過濾效率

2.3 接地絲網(wǎng)層數(shù)對捕集效率的影響

對比2.2中的機(jī)械捕集效率,從圖5中可以看出施加電壓后靜電絲網(wǎng)的捕集效率得到顯著增強(qiáng)。這表明顆粒在電場中荷電并向異極性的集塵絲網(wǎng)遷移,沉積的靜電作用才是靜電絲網(wǎng)的主要捕集機(jī)理。在施加電壓的情況下,多層電網(wǎng)對于PM1.0的計數(shù)總效率如圖5。從圖中可以看到,相同電壓下,單層和雙層靜電絲網(wǎng)對PM1.0的捕集效率相近,僅在電壓為16～24 kV時有略微的提升。而在層數(shù)達(dá)到4層或8層時,各電壓下的捕集效率難以隨絲網(wǎng)層數(shù)顯著提高。存在一個臨界層數(shù),當(dāng)超過臨界層數(shù)時,捕集效率難以明顯提高,這個層數(shù)對于40目和80目絲網(wǎng)來說是8層,對于60目絲網(wǎng)來說是4層。在本實(shí)驗(yàn)中,不同目數(shù)多層靜電絲網(wǎng)的最大計數(shù)總效率分別為76.29%(40目12層,26 kV)、83.49%(60目8層,20 kV)、95.29%(80目12層,22 kV)。

圖5 多層靜電絲網(wǎng)不同電壓下的捕集效率Figure 5 Collection efficiency of multi-layer electrostatic mesh under different voltages

還可以看到,增加絲網(wǎng)層數(shù)改變了捕集效率隨電壓變化的趨勢。當(dāng)集塵絲網(wǎng)為單層時,其捕集效率隨電壓的增大幾乎呈線性增長趨勢,因此其最高效率在最高工作電壓26 kV時取得。集塵絲網(wǎng)層數(shù)高于兩層時,捕集效率隨電壓的增長趨勢發(fā)生明顯的改變,其增長率在電壓高于22 kV(平均電場強(qiáng)度約11 kV/cm)時逐漸降低,甚至在60目和80目集塵絲網(wǎng)條件下出現(xiàn)了負(fù)增長,此時曲線更接近于傳統(tǒng)的線板式靜電除塵器。

在傳統(tǒng)線板式電除塵器中,隨著電壓的增高,電流體(Electro-hydro Dynamics,簡稱EHD)逐漸干擾流場并形成渦流。渦流中的顆粒不容易被捕集,同時部分顆粒被渦流加速更快地逃逸出電除塵器[10-11]。因此在電壓較高時,捕集效率隨電壓難以再增加。但是在針網(wǎng)式結(jié)構(gòu)中,因?yàn)槭艿较掠味鄬拥募瘔m絲網(wǎng)衰減,產(chǎn)生于針-網(wǎng)之間的渦對于后層的絲網(wǎng)捕集性能不可能產(chǎn)生太大影響[12-13]。因此,可能的原因是電壓進(jìn)一步升高達(dá)到20 kV時,負(fù)電荷在漂移區(qū)內(nèi)大量累積,削弱了原電場,使得放電區(qū)域內(nèi)總體場強(qiáng)減少,以致降低了顆粒的電量,反而導(dǎo)致了靜電絲網(wǎng)的捕集效率的降低[10]。同樣的原因也可以解釋針網(wǎng)式EHD空氣泵的空氣效率拐點(diǎn)[14]。

單層針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)際上也是一個EHD空氣泵,第二層絲網(wǎng)則處于EHD最強(qiáng)烈的區(qū)域,因此較大風(fēng)速導(dǎo)致第二層集塵絲網(wǎng)難以有效地捕集顆粒。隨著氣流中的帶電粒子在下游絲網(wǎng)上放電,EHD隨層數(shù)逐漸衰減,對于捕集效率的影響減小。

從圖5中可以看到,各目數(shù)單層靜電絲網(wǎng)在不同電壓下的捕集效率幾乎沒有差異。隨著層數(shù)的增加,集塵絲網(wǎng)孔徑對捕集效率的影響逐漸顯現(xiàn)。靜電絲網(wǎng)層數(shù)達(dá)到臨界層數(shù)時其捕集效率達(dá)到上限,該上限受集塵絲網(wǎng)孔徑制約。孔徑越小(目數(shù)越高),其上限也越高。因此孔徑較小的多層靜電絲網(wǎng)對于低電壓時的捕集效率提升更為顯著。

顆粒在各層接地絲網(wǎng)沉積分布如圖6所示。從圖中可以看到,在大部分情況下,第一層集塵絲網(wǎng)捕集的亞微米顆粒多于其他層的絲網(wǎng)。甚至在40目多層電網(wǎng)中,第一層捕集的顆粒多于第2～8層捕集的顆粒總和。隨著電壓的降低,2～8層的捕集占比均得到提高。綜合總捕集效率和絲網(wǎng)維護(hù)周期,采用16～20 kV電壓為更優(yōu)的選擇。

圖6 不同電壓下各層靜電絲網(wǎng)捕集顆粒占比Figure 6 Percentage of particles captured by each layer of Electrostatic Mesh under different voltages

2.4 粒徑對捕集性能的影響

粒徑對于多層靜電絲網(wǎng)捕集性能的影響如圖7。圖7表明,多層靜電絲網(wǎng)對于11.5 nm的顆粒捕集效率明顯低于15.4 nm的顆粒。一種可能是沉積在電極上的納米顆粒在靜電作用下重新懸浮,另一種則為過濾器中生成了更多粒徑在11.5 nm左右的顆粒。事實(shí)上,直流電暈放電時,會誘導(dǎo)氣態(tài)分子凝結(jié)為成核模態(tài)(粒徑<10 nm)顆粒[15-16]。這部分顆粒凝并或吸附到其他顆粒上形成更大的顆粒,因此造成捕集效率的下降。此外,這些顆粒為電中性,其向接地集塵絲網(wǎng)遷移的能力弱于電場中的負(fù)極性顆粒[17]。圖7(a)中,電壓達(dá)到8 kV時針電極剛好能夠產(chǎn)生負(fù)電暈,成核模態(tài)的顆粒形成以及凝并增長,但是該電壓下2層的靜電絲網(wǎng)難以有效地捕集這些顆粒,因此出現(xiàn)了負(fù)效率。

靜電絲網(wǎng)的粒徑分級效率曲線基本成V型,在15.4～1 000 nm之間存在一個最易穿透的粒徑(Most Penetrating Particle Size,簡稱MPPS),靜電絲網(wǎng)對該粒徑顆粒捕集能力最差。從圖7(a)和(b)可以直觀的看到,MPPS受電壓變化影響較小。例如80目2層靜電絲網(wǎng)不同電壓下的MPPS僅在154 nm及其相鄰的兩個粒徑段范圍內(nèi)變化,其放電電壓為24 kV時在該范圍內(nèi)捕集效率相差最大僅為1.2%。這一差距小于上游顆粒自身濃度的波動程度,很難說明MPPS的變化是由于放電電壓造成的。圖8展示了不同層數(shù)和電壓下的靜電絲網(wǎng)最易穿透粒徑,更加清晰地反映了MPPS受接地絲網(wǎng)層數(shù)的影響遠(yuǎn)高于放電電壓。

圖7 不同電壓及層數(shù)下多層靜電絲網(wǎng)粒徑分級效率Figure 7 Size classification efficiency of multilayer electrostatic mesh under different voltages and number of layers

圖8 不同電壓及層數(shù)下最易穿透粒徑Figure 8 The MPPS under different voltage and number of layers

在傳統(tǒng)纖維過濾器中,MPPS實(shí)際上反映了擴(kuò)散作用與攔截、慣性作用的占比,當(dāng)過濾器結(jié)構(gòu)更利于攔截和慣性作用占主導(dǎo)時,會捕集更多的100～1 000 nm顆粒,該段粒徑的分級效率較高,因此MPPS向左移動。傳統(tǒng)纖維過濾器的MPPS隨過濾器厚度的增加而減小,這是由于更厚的纖維層加強(qiáng)了攔截和慣性作用[18-19]。對于多層靜電絲網(wǎng),由2.2可知,嚴(yán)格意義上的擴(kuò)散、攔截、慣性作用微弱。但是因?yàn)殡妶隽Φ拇嬖?顆粒實(shí)際上運(yùn)動到纖維附近某一范圍內(nèi)便能夠通過靜電作用遷移到金屬纖維表面,電場增強(qiáng)了擴(kuò)散、攔截和慣性作用。

在多層靜電絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,盡管增加絲網(wǎng)層數(shù),過濾器總厚度增加,但是其高達(dá)上百微米的孔徑不足以使顆粒的攔截和慣性捕集作用占主導(dǎo),更多地是依賴于靜電作用和擴(kuò)散作用。如圖8,MPPS隨層數(shù)增加總體呈上升趨勢。但是對于80目絲網(wǎng),在層數(shù)超過8層時,MPPS反而下降。這表明絲網(wǎng)增加到一定層數(shù)時,由于更為密集的絲網(wǎng),攔截作用增強(qiáng),同時增加了流線擾動的程度,慣性作用也被加強(qiáng),因此較大顆粒(100～1 000 nm)更多地被靜電絲網(wǎng)捕集,導(dǎo)致MPPS減小。

圖9為靜電絲網(wǎng)下游的粒徑累積頻率分布,某粒徑對應(yīng)的累積頻率則為小于等于該粒徑顆粒占總顆粒數(shù)的比重。圖中的紅色線段表示累積頻率達(dá)到50%,此時對應(yīng)的粒徑則為中位粒徑(CMD),即表示超過該粒徑和低于該粒徑的顆粒數(shù)一樣。CMD能夠反映出顆粒總體的粒徑分布情況。

圖9表明,隨著層數(shù)增加,靜電絲網(wǎng)下游超細(xì)微米顆粒占總顆粒數(shù)的比例減小。這說明捕集了更多的超細(xì)微米顆粒。在電場參數(shù)不變的情況下,顆粒的荷電量不發(fā)生改變,導(dǎo)致其更多地沉積在金屬纖維上的原因只有多層的接地絲網(wǎng)增加了其通過擴(kuò)散進(jìn)入纖維附近的概率。

當(dāng)絲網(wǎng)層數(shù)增加到一定時,這個趨勢發(fā)生了改變。從圖9中可以看出,當(dāng)層數(shù)超過8層時,對于40目絲網(wǎng)11.5～64.9 nm顆粒的累積頻率上升,而對于80目絲網(wǎng),粒徑大于100 nm以上顆粒的累積頻率高于8層絲網(wǎng)。上述兩個現(xiàn)象均表明當(dāng)絲網(wǎng)層數(shù)達(dá)到8層時,下游顆粒中PM0.1占比降低。實(shí)際上反映了當(dāng)絲網(wǎng)增加到一定層數(shù)時,攔截作用和慣性作用的占比逐漸升高。

圖9 不同層數(shù)靜電絲網(wǎng)下游顆粒粒徑累積頻率分布Figure 9 Cumulative frequency distribution of particle size downstream of electrostatic mesh with different layers

3 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)方法研究了放電電壓、絲網(wǎng)層數(shù)、粒徑對于靜電絲網(wǎng)捕集效率的影響,探究了靜電絲網(wǎng)最易穿透粒徑(MPPS)的影響因素。

1) 多層金屬絲網(wǎng)對PM1.0的機(jī)械捕集作用微弱。靜電絲網(wǎng)主要依靠靜電捕集機(jī)理。施加電壓對于捕集效率的提高顯著,捕集效率與放電電壓成正相關(guān)。捕集效率同樣與絲網(wǎng)層數(shù)成正相關(guān),但是高于臨界層數(shù)時,靜電絲網(wǎng)對于亞微米級顆粒的捕集效率也難以再增長。該臨界層數(shù)與靜電絲網(wǎng)的孔徑有關(guān)。

2) 靜電絲網(wǎng)各層對于亞微米級顆粒的捕集性能不一致。第1層集塵絲網(wǎng)捕集占比最大,電壓高于20 kV時,不低于50%。第2層絲網(wǎng)受EHD影響較大,捕集占比介于第1層和第3～4層之間。隨著電壓的降低第一層捕集占比逐漸減少,下游絲網(wǎng)捕集占比逐漸提高。綜合捕集性能和絲網(wǎng)維護(hù)周期,放電電壓16～20 kV較為合適。

3) 多層靜電絲網(wǎng)的MPPS在118.7～405.2 nm之間,不受放電電壓的影響,隨絲網(wǎng)層數(shù)增加而增大。增加絲網(wǎng)層數(shù),擴(kuò)散作用增強(qiáng),對于超細(xì)微米級顆粒有著更好的捕集作用。當(dāng)層數(shù)增加到8層時,攔截作用和慣性作用對捕集效率的貢獻(xiàn)逐漸重要,對于100～1 000 nm顆粒的捕集性能也得到了增強(qiáng)。