静电除雾霾的技术研究及应用

孟宪宇 马雯昕 董华伦 王詹

摘要：文章利用静电吸附原理和静电感应现象，建立可控高压除尘系统。根据斯托克斯理论推导出静电沉降速度，得出颗粒当量直径与沉降总效率和脉冲驱动电压的关系表达式。实验结果表明，所设计的静电水帘除雾霾机能够使雾霾的除尘效率达到80%，具有实际意义。

关键词：雾霾；静电除尘；水帘除尘

近几年来，我国北部地区雾霾形势日趋严峻，分离空气中的PM2.5等颗粒物成为当下关注焦点。因此，为更广泛的除尘工况，一种小型化、轻量化且适用面更加的高压静电降尘器设计方案被提出并得到实验测试[1-2]。

1 基础理论与工作原理

高压静电降尘器是一种基于斯托克斯定律（指与力相比，惯性力可以忽略的情况下斯托克斯导出的阻达式）的静电沉降分离装置。利用含尘气体通过接有脉冲直流电源的电晕极放电，被电离的带负电气体离阳极即收尘极移动，根据碰撞荷电和扩散荷电机理含粒在运动中与负离子相碰荷以负电，负荷电荷亦向阳动放电，尘粒沉积于阳极板上，从而使气体得到净化。据静电除尘原理，由于含尘颗粒在高压电场中移动时在阳极放电尘粒才能沉积于阳极板上[3-6]，特采用水帘放电极即收尘极，在上方风机的负压作用与静电力作电荷尘粒迅速向室壁趋近被阳极水帘收集。从而使含流得到高效率净化。含尘气体的最大处理量Vs （1113/S）尘室底面积Ao （m?）和沉降速度v。（m/s）有关，而沉降v。又和颗粒的当量直径de（m）和尘粒密度ρs（kg/m?有

根据小颗粒沉降过程中，加速度一般很小，可近似匀速沉降处理时的沉降条件为：

电场力一浮力=阻力

ρ为空气密度，常温常压下为1.29 kg/m?。通常含尘气体的最大处理量表达式为：

式中，q为电荷量，μ为两极板之间的电压，m为颗粒质量，l为两极板间距离，其中等为电场强度E。

2 可变电压水帘除尘器的理论推导

2.1脉冲可变高压控制系统

脉冲可变高压控制系统[2.4.7-9]的电路结构如图1所示。闭合开关，导通电路，使蓄电池发出低压直流电流，电流经过逆变器中高频电桥电路，将直流电转换为交流电并将电压大小保持在合适范围内，再由变压发生器提高电压值，并通过内部调压控制系统将其电压转换为可调高分辨率高压，而后进入降尘室工作，从而可实现对含尘气体的最大处理量的改变。

图1脉冲可变高压控制系统的电路结构示意

因而，该装置通过精确控制电压的大小实现对可控直径含尘气体吸附分量。在这一电路结构中，蓄电池两端电势差可以采取串联电池的方式控制，输入电路中的电压精度取决于单个电池的端电压（常用蓄电池单位电压为2V和5V）；而经过程序控制系统离开变压器的输出电流在电压高达10～60 kV时可实现分辨率略高于5V，波纹率小于3V的精度[9]。

2.2降尘室控制系统

基于湿度越高和流体流速较低时电除尘效率较高，出于略微提高气体湿度和减少粒子收集清除过程工作量目的，采用水帘（非湿帘，不同于纸质纤维结构材料）作为放电极（收尘极）[10]。

2.3自制除尘装置

实验装置如图2所示，含雾霾空气从下边通风口进入，经过高压电场颗粒带电，再经过水帘清洗，含尘颗粒随水流落到底部沉降，过滤后的空气随风机带动从上部排出。两极板间距为300mm[5]，极板间电压为30kV，风速为1.5m/s，风机功率100W、流量100L/h。為利于测量效率特采用雾霾传感器测量进风口与出风口雾霾含量。

3 实验与结果

空气质量分指数，即IAQI是指根据单项污染物计算得出的空气质量指数。以PM2.5为例，PM2.5空气质量分指数的计算公式如下：。

己知PM2.5的当量直径为de=2.5μm，重度污染时I=475即PM2.5=425μg/m3。

假设单个电子质量为m≈9.1×10-31 kg；单个电子所带的电荷量为e≈1.6×10-19 C。

PM2.5密度约为ps=2 300 kg/m?；μ为含雾霾气体黏度，取黏度为0.02 mPa.s。

取两极板间距300 mm；极板长20 cm。

由式（3）和（5）算得：

假设是圆筒型除尘室，其中：

由此可知，若尘粒在沉降室中作层流区静电沉降，则完全被除去的最小颗粒直径dmin如下：

由式（7）得：

则当颗粒直径大于8.097×10-13 μm都能完全除去，因与PM2.5直径数量级相差过大，故PM2.5理论上能完全除去。

所得含雾霾气体的最大处理量为：

Vs =Aouo=0.377×0.074=28×10-3 m?/s；

经过多次测量取平均值得实验验证除尘效率为：

4 结语

基于高压电控静电除尘效应，本研究实现了一种针对雾霾的电控水帘除尘器，并详细分析了其工作原理。在理论上推导出了颗粒当量直径与沉降总效率和脉冲驱动电压的关系表达式。最后实验验证静电水帘除尘器，实验结果证明，所设计的脉冲除尘器在30kV时可以获得高达97.41%的除尘效率，与理论分析基本吻合。相较以往如旋风分离器等除尘设备对小直径颗粒作用甚微，而本设计相反，对小粒径尘粒如PM2.5颗粒也能达到高效率过滤。

[参考文献]

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