吳娜娜 孫少鋒 付思雨 羅開陽 易高翔 唐小妹 常玉鋒 石零

（1.工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江漢大學(xué)），武漢 430056；2.江漢大學(xué) 環(huán)境與健康學(xué)院，武漢 430056；3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012）

0 引言

細(xì)顆粒物主要來源于污染源的直接排放和大氣環(huán)境中的二次轉(zhuǎn)化，因其粒徑小，在大氣環(huán)境中傳輸距離遠(yuǎn)，對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量有重要影響，控制細(xì)顆粒物的排放成為改善大氣環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

脈沖電暈等離子體具有顯著的電化學(xué)特性，在細(xì)顆粒物和氣體污染物排放控制方面的應(yīng)用受到關(guān)注。駱仲泱等［1］采用靜電低壓撞擊（ELPI）法，分別給直流和脈沖電場中的單個(gè)顆粒平均荷電量，表明脈沖電暈電場下粉塵的荷電量較高。王成福［2］對(duì)0.05~6.5m的細(xì)顆粒物凝聚研究，得到了凝并效率與脈沖峰值、重復(fù)頻率成正比，與初始濃度成反比的結(jié)論，而SHAHBAZNEZHAD M等［3］則給出了液體氣溶膠粒子凝聚的影像方法實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果。NAIR S A等［4］通過對(duì)121個(gè)化學(xué)反應(yīng)和20個(gè)物種的脈沖電暈技術(shù)去除的化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究分析，給出了有機(jī)氣溶膠粒子氧化去除的反應(yīng)路徑。因脈沖電暈場中氣溶膠粒子的凈化與脈沖電壓峰值、脈沖頻率等參數(shù)十分密切，SABER K［5］對(duì)正電暈脈沖放電的反應(yīng)器進(jìn)行了電路等效的變量遺忘系數(shù)的回歸擬合法的電源效率與應(yīng)用峰值電壓間的關(guān)系研究，而LIU Y等［6］通過線-板式脈沖暈場的正電暈放電的脈沖電流進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究。盡管靜電場對(duì)粒子的凈化有高效、低耗的優(yōu)點(diǎn)，但也有產(chǎn)生臭氧的缺點(diǎn)，為了能全面地運(yùn)用這種技術(shù)，ZHU Y等［7］對(duì)電場的臭氧的產(chǎn)生給出了模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。石零等［8］通過V-I實(shí)驗(yàn)值，給了不同電暈極下靜電場的電流面密度的分析結(jié)果。GUO Y S等［9］則從脈沖電暈放電、粒子荷電去除、脈沖能量化、分級(jí)效率諸方面較全面地對(duì)脈沖電暈作用下的細(xì)顆粒物去除進(jìn)行了分析。

1 原理及實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

細(xì)顆粒物在電場中的去除過程包含：粒子荷電、荷電粒子電場力作用下的運(yùn)動(dòng)、荷電粒子被收集等過程。脈沖場的峰值功率與電壓、電流、頻率等參數(shù)間的關(guān)系用式（1）和式（2）表示：

式中，Pmax為電源功率，W；Umax為電源峰值輸出電壓，V；Imax為峰值回路電流，A；f為脈沖重復(fù)頻率，Hz；a為占空比。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)儀器

研究采用長度為450 mm，直徑為0.1 mm的不銹鋼絲作電暈極，內(nèi)徑為24 mm的不銹鋼管作收塵極，構(gòu)造了線-管實(shí)驗(yàn)除塵器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電源部分、模擬氣溶膠發(fā)生部分、測量部分和反應(yīng)器等4個(gè)部分組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

使用市售可燃式蚊香作為塵源，其粒徑分布如圖2所示，對(duì)不同脈沖電壓，脈沖頻率和脈沖寬度下的細(xì)顆粒物的凈化效率進(jìn)行了研究。

圖3給出了構(gòu)建除塵器下的峰值電壓和對(duì)應(yīng)的電流間的關(guān)系，圖中max-max曲線顯示了所測電壓段區(qū)別恒流直流電暈下的伏安特性曲線和半經(jīng)驗(yàn)公式Townsend’s方程所表達(dá)的二次函數(shù)關(guān)系，峰值下maxmax呈線性關(guān)系。順便指出，高頻域短脈沖電流的測量非常困難，本文的測量采用了基于PearsonR電流互感器+存儲(chǔ)示波器方案，受示波器的時(shí)域掃描工作原理所限［10］，平行測量并非完全重合但測量所描述的趨勢不變。圖4給出的是實(shí)驗(yàn)單脈沖的電壓和電流關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

在脈沖頻率100～300 Hz，峰值電壓6.0 kV時(shí)，粒徑為0.3m的去除效率與脈沖寬度間的關(guān)系如圖5所示，圖中數(shù)據(jù)顯示，0.3m的煙塵凈化效率高達(dá)99.5%以上，脈沖頻率和電壓不變時(shí)，除塵效率隨脈沖寬度的增加有所增加，高脈沖頻率，除塵效率隨脈沖寬度的增加更加明顯。脈沖寬度增加，荷電粒子受到的電場作用時(shí)間更長，荷電粒子的加速時(shí)間變長，進(jìn)而效率提高了。

脈沖頻率范圍不變，峰值脈沖電壓分別為7.5 kV和9.0 kV時(shí)，效率與脈沖寬度間的關(guān)系如圖6所示。圖6顯示的效率與脈寬間的實(shí)驗(yàn)曲線區(qū)別于圖5中所給關(guān)系，呈現(xiàn)的是效率隨脈寬的增加而下降，300 Hz時(shí)的效率下降得比100 Hz和200 Hz時(shí)更加顯著。

圖6中還顯示，脈寬相同時(shí)，高頻下的效率低于低頻下的效率，這種變化趨勢與電功率增加效率增加的直觀理解相反。其原因可能是：①在高頻時(shí)，可能強(qiáng)化了細(xì)顆粒的凝聚效應(yīng)，使細(xì)顆粒的粒徑增大，而圖6中給出的僅是對(duì)單一粒徑（0.3m）的效率；②盡管高頻脈沖電壓向電場空間注入比低頻下更多的能量，能提供較多的離子使粒子荷電，根據(jù)文獻(xiàn)［9］在每個(gè)脈沖的上升前沿在微秒以下時(shí)，電暈放電產(chǎn)生的高能粒子在電暈區(qū)密度增加，同時(shí)，O2在強(qiáng)電場作用下，有主要存在于電暈區(qū)的e+O2→O+O+e［10］反應(yīng)發(fā)生，反應(yīng)進(jìn)行程度與電場強(qiáng)度線性相關(guān)，而每個(gè)周期內(nèi)的高場強(qiáng)恰恰是微納級(jí)的脈沖前沿，于是高頻脈沖電壓向電場空間注入的能量，貢獻(xiàn)給了O2分解和O3的形成。所以細(xì)顆粒并沒有增加荷電率，進(jìn)而導(dǎo)致效率降低；而電暈外區(qū)的電子、正/負(fù)離子密度減少［10-11］；③高頻帶來的是電暈區(qū)內(nèi)局部的活性基團(tuán)的密度增加，電暈區(qū)外的空間電荷的密度沒有增加荷電粒子的驅(qū)進(jìn)速度和粒子的擴(kuò)散荷電量。

對(duì)比圖5、圖6發(fā)現(xiàn)，在7.5 kV和9.0 kV時(shí)除塵效率是隨脈沖寬度的增加而下降的，不同于6.0 kV下的規(guī)律。分析原因在于，6.0 kV時(shí)的電暈極僅處于電暈放電初始狀態(tài)（后面圖7顯示的臭氧濃度變化能加以說明），粒子沒有電暈放電荷電和在兩極間基壓電場下運(yùn)動(dòng)。根據(jù)公式（2）按能量的觀點(diǎn)，在7.5 kV和9.0 kV電壓下脈沖頻率增加時(shí)，除塵效率下降的原因可能是，起暈后僅在電極局部（電暈區(qū)）激發(fā)電離空氣，形成高密度電子、活性基。這些電子和活性基所形成的離子風(fēng)在脈沖結(jié)束前，沒有運(yùn)動(dòng)到電暈外區(qū)，同時(shí)，在電暈區(qū)內(nèi)存在的反應(yīng)e+O2→O+O+e消耗了高壓和高頻率帶來的能量增加，使臭氧（O3）的生成量增加，可能是這兩方面的原因使除塵效率在電壓增加、頻率增加時(shí)效率下降。

圖7分別給出了在7.5 kV和6.0 kV的峰值脈沖電壓下，頻率在100～300Hz時(shí)臭氧與脈寬間的關(guān)系曲線。圖7顯示，脈寬增加臭氧產(chǎn)生量增加，這種趨勢在高頻條件下更為明顯。由此可以進(jìn)一步解釋圖6中的除塵效率與脈寬間的變化趨勢。

圖5—圖7均表明，在電壓不變時(shí)，脈沖寬度和頻率對(duì)除塵效率及臭氧濃度影響中，脈沖頻率具有的影響更大。根據(jù)占空比、頻率和脈寬間的關(guān)系

將式（3）代入式（2），可得

式中，Pmax為電源功率，W；Umax為電源峰值輸出電壓，V；Imax為峰值回路電流，A；f為脈沖重復(fù)頻率，Hz；w為脈沖寬度，s；T為周期，s。

從式（4）可知，脈沖電源的平均功率是脈沖頻率的二次函數(shù)，存在極值。而粉塵的去除和臭氧的產(chǎn)生均是基于消耗電源輸出功的電暈放電的。于是，脈沖頻率是影響除塵效率和臭氧產(chǎn)生的重要參數(shù)。

圖8較全面地給出了脈沖電壓、頻率和脈寬對(duì)除塵效率的影響。從圖8中可知，超細(xì)煙塵的去除效率在頻率為300 Hz、脈寬為30s、脈沖電壓為7.5 kV時(shí)最優(yōu)，其原因可從式（4）給予相應(yīng)的解釋。

3 總結(jié)

1）脈沖電暈場下，超細(xì)煙塵去除效率可達(dá)99.9%。

2）在脈沖電暈條件下，電暈放電的脈沖頻率對(duì)超細(xì)煙塵的去除效率影響最大。

3）電暈放電產(chǎn)生的O3消耗了部分能量供給，會(huì)使超細(xì)煙塵的去除效率降低。