高风速下线板式静电集尘器提效试验研究

陆云磊 王含笑 张坤

安徽宾肯电气股份有限公司

0 引言

由于当今人们 90%以上的时间都在室内环境中度过[1]，室内空气质量(IAQ)直接关系到人们的身体健康、舒适度与生产力[2]。近年来，随着环保意识的加强，人们对室内空气环境的要求也越来越高，除了空调系统对室内温度、湿度、气流组织等的改善之外，人们更加关注对室内空气污染物的治理，针对室内空气颗粒物污染物的控制技术也有了较快的发展[3-6]。其中线板式静电集尘器由于其颗粒物去除效率高、可清洗、风阻低等优良特点，现已广泛应用于空净产品中。

目前行业中的静电集尘器能够实现在 2.0 m/s 以下风速下达到 80%以上的效率，但在高风速条件下（3.0 m/s 以上）的效率下降明显，难以满足室内净化工程需求。另外现有的静电集尘器产品对工程现场气流组织的均匀性要求较高，若局部气流过快，易造成整体效率难以达到初始设计值，故在工程设计时，为确保效率达标，行业类通常采用静电集尘器多层串联或电袋复合的方法，这无疑会使占用空间与工程造价大大提升。所以如何提升高风速下静电集尘器的性能应作为静电集尘器升级优化的重点方向。

1 静电除尘理论

静电除尘技术最早应用于处理工业烟尘，多年来对改善大气环境质量发挥了重要作用。工业电除尘器除尘效率的设计主要依据在 Deutsch（1922）模型基础上根据测量数据与实际运行经验推导出的修正模型。由于在电除尘器中颗粒物受电场与流场的双重影响，过程较为复杂，因此此类模型通常会作出如下假定：①除尘器任意截面的颗粒物与气流分布均匀。②不考虑电晕风的影响。③颗粒物在很短的时间内达到饱和荷电量。

颗粒物的脱除率可通过下式计算：

式中：A为集尘板面积，m2；Q为气体流量，m3/s；ω为有效迁移速度，m/s。

由式（1）可知，由于集尘板面积与气体流量均为定值，颗粒物的脱除率η主要取决于有效迁移速度ω，而ω的主要受烟气温湿度、颗粒物荷电量、颗粒物粒径分布、电场强度等因素影响，很难通过理论公式计算准确得出。因此对于工业电除尘器通常会根据不同的烟气条件，颗粒物成分与粒径分布对应的不同ω经验数据进行设计。

室内静电除尘，其运行条件，颗粒物成分、粒径分布与工业电除尘存在较大差别，主要表现在：1）运行条件不同，包含温度、湿度、气体流速等。2）颗粒物成分不同，我国室内空气细颗粒物污染中，碳组分与水溶性离子占比较高[7]，而工业除尘对象颗粒物的主要组成为各类金属氧化物，由于其比电阻的不同会造成荷电过程的差异。3）粒径分布的不同，室内静电除尘的去除对象通常是粒径小于2.5 μm 超细颗粒物，且其粒径分布主要集中在1.1 μm 以下[8]，此类颗粒物的荷电过程除应同时考虑电场荷电与扩散荷电。

综上所述，工业静电除尘的理论模型在用于室内静电除尘器的效率计算时，应对其进行验证。本文将通过设计试验，验证Deutsch 公式能否作为室内空气净化用静电集尘器的效率计算依据，探讨通过试验计算有效迁移速率用于预测静电除尘效率的可行性，并得出提高高风速下静电集尘器的 PM2.5 一次性过滤效率的改进方向。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

为验证不同变量对静电集尘器的影响，设计了双区分体式静电集尘器。如图 1（a）所示，电离区接地极片均匀排列，钨丝悬挂于两接地极片正中。钨丝数量为 8、9、10 的电离区各两台，其外形尺寸均为505 mm×307 mm×57 mm，另制作四套厚度为20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 的电离区接地极片用于更换。集尘区如图1（b）所示，极片均匀排列，间距为3.5 mm，截面尺寸 505 mm×307 mm。不同极片厚度（80 mm、100 mm）的集尘区各两台。

图1 双区分体式静电集尘器样机

高压电源采用 GH-GY 系列直流高压电源，输出电压0～15 kV 连续可调，输出电流0～20 mA，最大功率300 W。电压测试采用FLUKE F15B+型数字万用表，静电集尘器电离电流测量使用绿能德 ZGF 高压数字微安表（四位数显，量程0～9999 μA）。PM2.5 一次性过滤效率测试系统依据GB/T 18801-2015 附录H 中规定搭建，采用点烟法发尘，PM2.5 浓度测试使用TSI 公司的气溶胶监测仪 DustTrak Ⅱ 8532，测量范围：0.001～150 mg/m3。

2.2 试验方法

为保证试验结果一致性，所有测试均在室内温度20±3 ℃，相对湿度 50±5 %条件下进行，测试风速3.0 m/s。

根据静电理论，颗粒物的荷电量直接影响静电集尘器的效率，而颗粒物通过静电集尘器电离区的荷电效果主要取决于电场强度与荷电时间，为考察电离区各影响因子对静电集尘器效率的影响，在相同集尘区条件下（集尘区厚度 80 mm，间距 3.5 mm，电压4100 V），分别采用钨丝数量为8、9、10。接地极片厚度为20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 的电离区，依次调节电离电压6.5 kV、7 kV、7.5 kV、8 kV、8.5 kV、9 kV 对其效率进行测试。然后通过保持电离区电流不变，改变电离区结构，验证荷电时间对效率的影响。

由式（1）可知，可根据测得的静电集尘器效率计算出不同电离区条件下的颗粒物有效迁移速度，再通过其计算出不同集尘区条件下的集尘器效率作为计算值与测试值进行对比，从而对Deutsch 公式进行了验证。

保持电离区条件、集尘区间距、集尘区电压不变，测试不同集尘区厚度对集尘器效率的影响。如表1 所示，在不增加静电集尘器整体厚度的前提下，比较六种电离区与集尘区组合的效率，筛选出最优组合后制作样机进行验证。

表1 不同电离区与集尘区组合

3 试验结论

3.1 不同电离结构伏安特性曲线

如图 2 所示，电离区结构的改变对伏安特性曲线影响较大，其随钨丝数量增多，电离区电压升高时，电离电流增长率不断增加。电离区接地极片厚度对电流影响较小，低电压时三种宽度的电离区电流基本一致，随着电压升高，电流差值逐渐增大。

图2 电离区伏安特性曲线

3.2 电离区电流对静电集尘器效率的影响

图3 为不同电离区结构，不同电压下的电离区电流与集尘器PM2.5 一次性过滤效率关系拟合曲线，拟合度为0.988。如图所示，在集尘区条件不变时，集尘器效率随电离区电流上升而增加，并呈现出增长率逐渐减小的趋势。当电离区电场强度达到一定程度后，大部分颗粒物均已完全荷电达到饱和荷电量，这时候静电集尘器的过滤效率主要取决于集尘区的性能。另外，在测试过程中出现多次电离区电流相对较高但过滤效率较低的现象，这可能是由于电离区结构的原因，会存在一定量的“低效电流”，而这部分“低效电流”对颗粒物的荷电过程作用较小。

图3 电离区电流对集尘器PM2.5一次性过滤效率的影响

3.3 电离区结构对静电集尘器效率的影响

3.3.1 电离区接地极片厚度对静电集尘器效率的影响

由电离区伏安特性曲线可知，电离区接地极片厚度对电离区电流影响较小。将不同接地极片厚度的电离区测试结果分别按 3.2 中得到的拟合公式进行拟合，结果如图 4 所示，在接地极片厚度为 20 mm、30 mm、40 mm 均有较好的拟合度，其中 30 mm、40 mm 厚度时，曲线基本重合，同电离区电流情况下，20 mm 接地极片厚度对应的 PM2.5 一次性过滤效率较低，考虑静电集尘器整体的厚度增加，电离区厚度应控制在20～30 mm。

图4 不同电离区接地极片厚度条件下集尘器PM2.5 一次性过滤效率

3.3.2 电离区钨丝数量对静电集尘器效率的影响

保持集尘区条件不变（电压 4.1 kV、极片间距 3.5 mm、厚度 80 mm），测试不同钨丝数量的电离区（接地极片厚度30mm）在不同电压条件下的PM2.5 一次性过滤效率，结果如图5 所示。三种钨丝数量的集尘器效率均随电压升高而升高且增长率逐渐降低。在同电压条件下，增加钨丝数量对集尘器效率提升明显。由于降低电压可增强集尘器的安全性，考虑通过增加电离区钨丝数量降低电压的方式增强电离区性能。同时由于电离区结构的原因，钨丝数量的增加可能会导致“低效电流”增多，此部分电流对颗粒物荷电贡献较小，且会增加静电集尘器的臭氧释放量，所以在不增加静电集尘器臭氧释放量的前提下，不应过度的增加钨丝数量。

图5 电离区钨丝数量对集尘器PM2.5一次性过滤效率的影响

3.3.3 Deutsch 公式验证

图6 为不同电离条件与集尘区电压下的 Deutsch公式计算值与测试值对比，其中电离区均为9 根钨丝，接地极片厚度 30 mm，为保证集尘区测试条件相同，使用同一台间距3.5 mm、厚度为80 mm 的集尘区。试验结果显示，对于三种电离电压情况下的计算值与测试值均存在低电压计算值偏高，高电压计算值偏低的现象，且电离电压越低越明显。若 Deutsch 公式用于室内净化工程计算，应根据不同型号集尘器测试结果对公式进行修正。

图6 Deutsch 公式计算值与测试值对比

3.4 集尘区对静电集尘器性能的影响

依据静电理论，减小极板间距，可显著提高集尘器效率，但会造成集尘器稳定性下降与成本的上升。保持3.5 mm 不变，可通过改变集尘区厚度提高效率。图7 为不同集尘区厚度条件下的静电集尘器效率，随集尘区厚度增加，效率明显上升，且拟合数据较为符合Deutsch 公式。

图7 集尘区厚度对集尘器PM2.5一次性过滤效率的影响

3.5 不同电离区与集尘区组合效率

测试 6 种不同电离区与集尘区组合的 PM2.5 一次过滤效率，测试数据如图8 所示。集尘区厚度相同的 1、2、3 号集尘器与 4、5、6 号集尘器效率均较为接近，与 3.1 的研究结论一致。比较总厚度均为 120 mm的3 号与4 号集尘器，集尘区较厚的4 号集尘器效率可达 83%，而 3 号集尘器效率为 77%。考虑到集尘区厚度的增加也会使集尘器生产成本上升，所以在保持集尘器厚度不变的前提下，通过减小电离区接地极片厚度，适当增加集尘区厚度是较为有效的提升集尘器高风速下效率的方式。

图8 不同电离区与集尘区组合PM2.5 一次性过滤效率对比

结合前文研究结论，对现有集尘器产品的电离区与集尘区进行优化，并对比测试两种集尘器在不同风速下的 PM2.5 一次性过滤效率表现。如图 9 所示，优化后的集尘器整体效率提升明显，在 3.0 m/s 风速时效率可达90%。

图9 改进后静电集尘器不同风速下PM2.5 一次性过滤效率表现

4 总结

1）在集尘区条件不变时，集尘器效率与电离区电流高度相关，随电离区电流上升而逐渐增加。电离区接地极片厚度对电离电流影响较小，可通过增加钨丝数量的方式提高电离区电流，从而实现集尘器的提效，同时应适当降低电离区电压，以降低“低效电流”，避免臭氧产生量的增加。

2）线板式静电集尘器效率Deutsch 公式计算值与实测值相差较多，不能作为工程设计效率计算依据。

3）减小集尘区极片间距，增加集尘区厚度可提升集尘器在高风速下的PM2.5 一次性过滤效率，但会使集尘器的材料成本上升，设计集尘器时应综合考虑性能与成本。通过保持总体宽度不变，适当增加集尘区宽度，增加钨丝数量的方式对现有集尘器进行优化，优化后的集尘器在不同风速下的 PM2.5 一次性过滤效率均有明显提升。