电凝并装置收集亚微米粉尘的实验研究

冯 涛，魏家红

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

随着工业的不断发展和人们生活水平的提高，能源消耗急剧增长，由此导致的大气污染问题日趋突出，尤其是悬浮于大气中粒径在1μm 以下的亚微米粉尘，很容易通过呼吸系统进入人体内，引发慢性支气管炎、哮喘等各种呼吸道疾病，以及尘肺病等常见而且难以治愈的职业病，对人体健康产生极大的危害[1-3]。 而传统的除尘设备对粒径大于1μm的粉尘一般均有良好的去除效果，对亚微米级粉尘的净化效率却不甚理想，因此，有必要对除尘设备作进一步开发，以提高对细微粉尘的收集效率。 近年来发展起来的电凝并除尘技术，就是一种具有良好发展前景的微细颗粒物除尘新技术[4-5]。 该项技术在传统静电除尘设备的基础上开发了一种新型的电凝并除尘装置，并研究了其对细微粉尘的去除效果。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

整个实验装置由粉尘发生系统、电凝并除尘系统、电源供给系统、电压电流数据采集系统组成（如图1 所示）。 介质阻挡放电器（DBD）与板-板静电除尘器分别构成了电凝并除尘装置的凝并区和集尘区。 凝并区交变电场由YD 型交流高压电源供电（电压范围为0～10kV）； 集尘区电场由BGG 型直流高压电源供电（电压范围为0～10kV）。 电压电流数据采用美国泰克公司的P6015A 型高压探头、TCP202 型电流探头和TDS3054B 型示波器采集。

1.2 实验方法

实验用粉尘为两种平均粒径分别为0.5μm 与2μm 的硅粉，并由自制虹吸式发尘器产生。 通过调节进入发尘器的气体流量与虹吸管高度，来控制发尘速率。 实验中固定气体流量为10L/min，虹吸管高度为100mm，此时测得发尘速率为10mg/s。 除尘效率采用重量法测定。 实验对比了在有无静电凝并条件下，对这两类不同粒径粉尘的除尘效率随集尘区平均场强变化的关系，并考察了DBD 放电器所加交流电压值对粉尘凝并效果的影响。

图1 实验装置示意图Fig.1 Experiment equipment

2 实验结果与讨论

2.1 无静电凝并条件下的粉尘收集效率

实验首先考察了在未向凝并区DBD 放电器施加交流高压的条件下， 单独使用板-板静电除尘装置对不同粒径粉尘的收集效果，实验结果如图2 所示。

图2 凝并区不加电压时集尘区平均场强对除尘效率的影响Fig.2 Influence of field average of dust collection area on dusting efficiency while coagulation area without voltage

由图2 可知，粉尘的收集效率随静电除尘器两板间平均场强的增加而增加，这是因为，场强越大对粉尘的静电作用就越强，从而导致粉尘收集效率的提高。 板-板静电除尘装置对不同粒径粉尘的收集效果是不同的。 从图2 中可以看出，板-板除尘器对平均粒径为2μm 粉尘的收集效果明显优于平均粒径为0.5μm 的粉尘。 当平均场强为5kV/cm 时，板-板除尘器对平均粒径为2μm 的粉尘的除尘效率可达91%，而对平均粒径为0.5μm 的粉尘的除尘效率仅为88%。 由此可见，传统的静电除尘装置对亚微米级粉尘的收集效果确实不理想。

2.2 静电凝并条件下粉尘收集效率的研究

为了研究在静电凝并条件下集尘器对粉尘的收集效果，实验对凝并区DBD 放电器施以不同的交流电压，考察此时集尘器对粉尘的收集效果。 在对凝并区DBD 放电器分别施行2kV、4kV、6kV、8kV高压放电的实验条件下，平均粒径为0.5μm 粉尘的除尘效率随集尘区平均场强的变化关系如图3 所示。 从图中可知，随着凝并区DBD 放电器放电电压的升高，集尘器对0.5μm 粉尘的除尘效率也随之提高。 当集尘器板间平均场强为5kV/cm、凝并区不加电压时，0.5μm 粉尘的除尘效率为88%，再提高凝并区电压到8kV，此时粉尘的除尘效率可达96%。 除尘效率的提高主要是因为粉尘在凝并区被交变电场荷电后，发生凝并现象，使得小粒径粉尘相互结合，进而凝聚为较大粒径粉尘，从而提高了集尘区的集尘效果。 凝并区DBD 放电器所加电压越高，粉尘荷电与凝并效应越明显，除尘效果也就越好。

图3 凝并区施加不同电压值时集尘区平均场强对0.5μm 粉尘除尘效率的影响Fig.3 Influence of field average of dust collection area while different voltage values applied in coagulation area to 0.5μm dust collection efficiency

从前面得到的实验结果可以发现，电凝并除尘装置对亚微米级粉尘的收集效果比较理想。 为了考察电凝并现象对微米级粉尘是否也同样存在作用，实验对平均粒径为2μm 的硅粉作了进一步研究。图4 为分别固定凝并区电压不同值时，2μm 粉尘除尘效率随集尘区板间平均场强变化的关系。 实验中分别将凝并区DBD 放电器电压固定为4kV 和8kV，并将得到的实验结果与不加电压的情况作了对比。由图4 可知，凝并区DBD 放电器所加电压值对粒径为2μm 的粉尘除尘效率的影响不如对0.5μm 粉尘大。 虽然粉尘的除尘效率也随着凝并区电压的升高而升高，但效果并不明显。 在DBD 放电器所加电压为4kV、集尘器平均场强为5kV/cm 的实验条件下，平均粒径为2μm 粉尘的除尘效率为92%，仅比凝并区不加电场的情况高出一个百分点。 继续增加DBD放电器电压到8kV，此时粉尘的除尘效率也只有93%。由此可知， 微米级粉尘在凝并区的凝并效果不理想，电凝并除尘装置对大粒径粉尘并不适用。 这主要是由于微米级粒径粉尘本身粒径已足够大，虽然在凝并区交变电场也能使粉尘反复荷电，但荷电后并未相互结合为粒径更大的微粒。 实验中，除尘效率的提高，主要是由于凝并区交变电场对粉尘产生的预荷电作用。

3 结论

（1） 开发了一种新型的电凝并除尘装置，对0.5μm 与2μm 的两种不同粒径粉尘的除尘效率进行了实验研究，结果发现，在无静电凝并条件下，除尘装置对2μm 粉尘的除尘效率优于0.5μm 粉尘，验证了传统的静电除尘装置对亚微米级粉尘的收集效果不佳的结论。

图4 凝并区施加不同电压值时集尘区平均场强对2μm 粉尘除尘效率的影响Fig.4 Influence of field average of dust collection area while different voltage values applied in coagulation area to 0.2μm dust collection efficiency

（2）在静电凝并条件下，粉尘的除尘效率随凝并区DBD 放电器放电电压的升高而升高。在集尘区板间平均场强E=5kV/cm 固定不变的条件下， 电凝并作用对不同粒径粉尘的影响是不同的， 当凝并区电压从0kV 提高到8kV 时，0.5μm 粉尘的除尘效率由88%提高到96%，而粒径为2μm 粉尘的除尘效率仅从91%提高到93%。 由此可以看出，亚微米级粉尘在交变电场中的凝并效果好于微米级粉尘， 电凝并除尘装置适于对亚微米粉尘的收集。

[1] 崔九思. 室内空气污染监测方法[M]. 北京：化学工业出版社，2002：3-5.

[2] 闫艳，张士强，赵国华等. 某煤矿1964～1995 年间尘肺发病情况的分析[J]. 河南预防医学杂志，2005，13（3）：158-159.

[3] 周振起，张炳文. 输煤系统粉尘污染治理技术[J]. 环境污染治理技术与设备，2005，6（6）：64-66.

[4] 王显龙，何立波，贾明生，等. 静电除尘器的新应用及其发展方向[J]. 工业安全与环保，2003，29（11）：3-6.

[5] 陈旺生，董伟，郭俊一，等. 微细颗粒物电凝并技术研究的新进展[J]. 工业安全与环保，2008，34（5）：1-3.