液滴静电联合作用的亚微米气溶胶粒子净化效率分析

石 零，余新明

（工业烟尘污染控制湖北省重点实验室，江汉大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056）

湿式静电除尘器（WESP）作为一种高效低能耗的除尘装置，能同时净化多种污染物。尽管湿式静电除尘技术有污水处理问题，在即将执行粉尘排放20 mg/Nm3的新标准背景下，湿式静电除尘器再次走近人们的视野，被认为是最有前景的净化细颗粒物的除尘技术之一。

湿式除尘器已被开发应用于各种颗粒物污染控制和尾气净化上，尤其应用于废气粘性大、腐蚀性强和粉尘比电阻高的情况下［1］。应用表明，湿式静电除尘器对颗粒物具有显著的效果，其总排放浓度达到了 5 mg/Nm3［2］，Saiyasitpanich 等［3］通过对应用于柴油尾气净化的湿式线管湿式静电除尘器的净化效率的研究，得到了在烟气速度从1.38 m/s提高到5.61 m/s时，粒径在10～1000 nm间的亚微米颗粒的去除效率，仅降低了23%（从92%到69%）。湿式除尘器的低粉尘排放浓度，显然对亚微米有良好的净化效果，可是对湿式静电除尘器除尘效率还是参考干式静电除尘器，研究也多集中于此。Lin等［4］通过对多个干式静电除尘器的实验数据进行回归分析给出了修正的Deutsch-Anderson公式，对纳米颗粒的净化效率进行了预测分析，Jedusik等［5］对影响颗粒迁移速度的因素进行了研究，对湿式静电除尘器的去除效率的相关研究却主要集中在实验方面［6］。

本文从液滴碰撞拦截和静电除尘机理两个方面，建立静电场作用下亚微米颗粒净化模型，分析湿式静电除尘器的亚微米颗粒物的净化效率，以期对湿式静电亚微米的高净化效率给出理论分析结果。

1 静电和液滴拦截作用的亚微米颗粒捕集理论和模型

在湿式静电场中，由于粒子荷电以及液滴的存在，亚微米粒子的运动会受到多机制的作用，像静电力、惯性力、热泳力和扩散泳力等。颗粒物在湿式静电除尘器中的运动方程由（1）描述：

式中mp为颗粒物质量；ΣF=Fg+Fd+Fe+Fth+Fdf，他们分别是重力Fg、在流体运动中所受到的阻力 Fd、静电力Fe、热泳力 Fth和扩散泳力Fdf。尽管湿式静电除尘器中颗粒物受到上述力的作用，但为了突出研究的重点，热泳力Fth、扩散泳力Fdf和重力Fg在本文中暂不作考虑。

当颗粒处于Stokes区时，颗粒在气流中运动所受的阻力 Fd为［7］

式中μ为空气的动力粘性系数；dp为颗粒直径；u为粒子与空气的相对运动速度，u=|vp-va|；Csc为Stokes-Cunninghan修正系数，Csc=1.0+αKn，其中 α=1.26+0.4 exp（-1.1/Kn），Kn为Kunden数，为空气分子的平均自由程与颗粒半径之比。

静电力Fe是粒子在电场中荷电粒子所受的力，它可以表述为［8］

当电场力与粒子运动受到的阻力平衡时，由公式（1）～（3）可得，粒子运动的速度为驱进速度（migration velocity），即：

在电场力作用下，粒子的净化效率由Destch-Anderson方程表示：

式中L为收尘极长度，h为收尘通道高度，w为收尘通道气流平均速度。

当电场中存在液滴时，由于液滴同样带电，也会以驱进速度向收尘极运动。然而，当采用液滴直径远大于亚微米颗粒直径时，液滴向收尘极运动的过程中，有凝聚亚微米颗粒物的作用，使亚微米颗粒附着在液滴表面，从而增加亚微米颗粒物的净化率。液滴捕捉示意图如图1。

图1 液滴捕捉颗粒示意图

假设颗粒物碰到液滴即为捕捉，粉尘分布均匀。单位时间里液滴向收尘极移动时扫过的体积内，理论上亚微米颗粒会被液滴捕集，但由于粉尘的粒径较小，会因水滴的推进导致在以y为半径外的粒子，逃过水滴的捕集。液滴对微细粉尘的捕集效率定义为：单位时间内，半径为y以液滴与颗粒相对速度所扫的体积与液滴以驱进速度扫过的体积比。根据定义，带电水滴作用的净化效率由公式（6）给出

式中dw是液滴直径；ωp和ωw分别是粒子和液滴的驱进速度；y是液滴和粒子的水平偏离距离，如图1所示。 y值的计算可参考Martin等的研究［7］。

在静电场和带电液滴共同作用下的亚微米的净化效率为［8，9］

取标况下的空气参数，N0t=1013s/m2，粒子的相对介电常数取εr=5.1［4］，用水作为捕集体，水的相对介电常数为80，假设电场中平均风速为1 m/s，不涉及湿式静电除尘器的具体结构，这里设电场比集尘板表面积为26.67 m2/m3/s。亚微米颗粒计算采用扩散荷电，水滴捕集使用电场荷电。

2 结果及分析

表1给出亚微米粒子的荷电量和在4 kV/cm下的驱进速度，通常认为4 kV/cm是电晕电极在干式静电除尘器中的起晕电压下的场强。表1中的数据是按干电场下计算的数据，由于问题的复杂性，没有考虑湿电场中V-I特性对亚微米粒子的荷电性的影响。表1数据亚微米粒子的驱进速度，在随粒径增加的过程中呈中间低（6 nm直径颗粒的驱进速度为1.57 cm/s），两端高的特点（2 nm和40 nm直径颗粒的驱进速度在1.7 cm/s左右）。微米级粒径的颗粒由于是电场荷电，所以驱进速度随粒径增加而增加。

图2给出了粒径在10 nm到10μm间粒子在扩散荷电情况下，不同电场强度下的去除效率，从图中曲线可知，在静电场中亚微米（＜1μm）和微米级粒子的去除效率差异显著，这也正是本文讨论亚微米颗粒湿电去除的原因所在。亚微米粒子在静电场中的去除效率较低（＜85%），而微米级粒子的去除效率较高。

表1 4 kv/cm电场强度下的荷电与驱进速度表

图2 亚微米净化效率曲线

图3给出了液滴和静电联合作用下，不同直径液滴下的亚微米粒子的去除效率曲线。与图2干式静电作用相比，由于在静电场中液滴的存在，亚微米粒子的去除效率大大提高，从低于40%提高到了98%以上。这是由于荷电液滴在向收尘极迁移过程中，扫过的体积内的亚微米颗粒被液滴捕集，且水的粘性导致捕集颗粒基本没有反弹。图3给出了水滴直径，可以看出在其他条件不变的情况下，液滴直径增加颗粒的捕集效率增加，液滴直径从10μm增加到20μm时，对20 nm颗粒的去除效率提高了1%，而液滴直径从20μm增加到30μm时，对20 nm颗粒的去除效率仅提高0.5%，所以，从理论上分析，在湿式除尘器中，通过提高液滴直径来提高亚微米颗粒的去除效率时，当液滴直径超过20μm时，效率提高趋缓。通过模拟结果，一个现象值得注意，湿式电除尘器中使用的液滴直径比机械湿式除尘器中的液滴小。

图3 不同液滴直径下颗粒物净化效率

图4给出了理论预测值与实验值的比较，实验值取自Lin等［6］的研究，两者在合理的误差范围内基本一致。遗憾的是Lin等的实验只做到了0.5μm直径的颗粒，没有更多的实验数据进行对比。至于预测值大于实验值的可能原因有：理论分析一是假设液滴在电场中饱和荷电且是在迁移区内，二是电场风速也仅是1 m/s等。但是实验时稳定电场风速、粒径一致性等因素很难控制。

图4 理论预测值与实验值比较

3 结论

湿式静电除尘器对亚微米颗粒的去除效率，在仅考虑静电力和液滴捕集的理论条件下，可以达到98%以上。建立的以荷电液滴捕集亚微米模型，理论分析结果与实验数据间具有较好的一致性，用湿电联合作用捕集亚微米颗粒时，应选择合适的液滴直径。

［1］Altman R，Offen G，Buckley W，et al.Wet electrostatic precipitation：demonstrating promise for fine particulate control［J］.Power Eng，2001，105：37-39.

［2］Fujishima H，Tsuchiya Y.Application of wet type electrostatic precipitator for utilities’coal-fired boiler［R］.Report of Mitcubishi Heavy Industries，Ltd，2010，38：11-13.

［3］Saiyasipanich P，Keener T C，Khang S J，et al.Removal of diesel particulate matter（DPM）in a tubular wet electrostatic precipitator［J］.J Electrostat，2007，65：618-624.

［4］Lin G Y，Chen T M，Tsai C J.A modified destch-anderson equation for predicting the nanoparticle collection efficiency of electrostatic precipitators［J］.Aerosol and Air quality Research，2012，12：697-706.

［5］Jedusik M，Swierczok A，Pajak J.Experimental and calculated of migration velocity ad a parameter of precipitation process in electrostatic precipitators［R］.ICESP Report，2006.

［6］Lin G Y，Tsai C J，Chen S C，et al.An efficient single-Stage wet electrostatic precipitator for fine and nanosized particle control［J］.Aerosol Science and Technology，2010，44：38-45.

［7］Martin C.Air pollution control theory［M］.New York：Mcgrw Hill，1976：362-373.

［8］郝吉明，马广大，王书肖.大气污染控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［9］向晓东.气溶胶科学技术基础［M］.北京：中国环境科学出版社，2012.