静电除尘技术及其影响因素的发展现状

翟美丹，米俊锋，马文鑫，杜胜男，杨爽

(1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国昆仑工程有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110000；3.辽河油田分公司供水公司，辽宁 盘锦 124010)

2020年两会指出，煤在我国整体的能源消耗比例中约占50%以上[1]，煤燃烧产生的颗粒物是我国大气污染粉尘产生的主要来源，也是造成空气雾霾的主要原因。近年来，随着我国城市化和工业化的不断进步发展，大气环境污染愈来愈严重，气体污染物的排放问题受到了社会各界的广泛关注[2]。2014年5月我国为了改善空气质量问题，特实施了《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)，提高了锅炉烟气中烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放浓度的标准，见表1。随着国家对颗粒物的产生、超低排放和近零排放的要求，探索更高效、更节能、更环保的除尘技术已成为社会热议的话题。

表1 大气污染物排放限值

目前，常见的除尘器技术主要包括机械式除尘技术、湿式除尘技术、袋式除尘技术以及静电除尘技术[3]。相较于其他几种除尘技术，静电除尘技术具有高效的除尘效率，有较好的发展及应用前景[4]，同时具有易操作、阻力小等的特点，是环境质量保证的关键技术之一，具有重要研究意义。

本文介绍了传统静电除尘技术、雾化静电除尘技术方面的研究及其主要影响因素，表明了传统静电除尘技术在广泛应用前仍存在一些问题，突出了雾化电晕放电静电技术是未来发展的重要方向。除此之外，本文将对传统、雾化除尘技术及其主要影响因素进行浅析，以期为探索更有效改善大气环境污染，提高空气质量的技术研究提供参考。

1 静电除尘器的技术发展

20世纪60年代以来，随着对环境质量的要求日益严格，各国都制定了粉尘的排放标准，因此，亟需高效的除尘技术来满足排放要求。静电除尘器是一种符合当前社会环保需求的除尘设备。但在其广泛应用前仍存在一些不足的问题。

1.1 传统静电除尘技术的研究

静电除尘技术的除尘原理是通过静电场发生电极反应，使电晕放电，释放出自由电子和离子，从而使尘粒上带有相应的电子，最终被集尘板捕集通过振打清除。由于其除尘效果好，且易操作而受到各行业青睐。20世纪90年代以后，静电除尘器在大烟气量、锅炉工厂、火力发电或工况较复杂的烟尘污染治理中广泛应用。

电晕性能是影响静电除尘器除尘效率的关键因素。Watanabe等[5]设计了一种新式静电除尘器，结构划分为荷电区-凝并区-收尘区的三区式除尘器并在交变电场中对颗粒进行了研究，实验发现细颗粒物(直径<1 μm)的浓度下降了20%，改变了静电除尘器结构影响粉尘荷电达到提高除尘效率的目的。Huang[6]发现了静电除尘器在烟尘颗粒物捕集方面还存在一定的局限性。Lu等[7]在只考虑扩散荷电小粒径粒子情况下(0.1～5 μm)，通过数值模拟分析对粉尘荷电问题以及被捕集情况进行研究，发现了粒径0.2～1 μm的粒子的捕集效率相对较低。1993年Kanazawa[8]研究双极荷电作用后的粉尘在静电场中会产生凝并效果，使微纳米颗粒物的去除效率达到80%。2016年Feng等[9]设计了一种混合除尘器，通过在静电除尘器上添增纤维过滤器，从而增加了对粉尘的捕集效率。2017年，依成武等[10]通过对改良型的双涡旋极板电除尘器进行数值模拟分析(图1)。结果表明，这种除尘器可以形成良好的涡旋气流，降低板间距对于除尘效率的影响，从而提高设备的性能。

图1 几何模型FRONTF方向视图

2020年，刘海弟等[11]研究了在静电场后设置两个电性相反的大孔隙金属丝网收尘极的除尘新方法，见图2，研究发现该方法可以获得较好的除尘效果，改进后的设备除尘效率均可达到95%左右，对于油性粘性粉尘有一定的去除效果，但金属丝网的清洁效率还需要进一步研究探讨。

图2 新型除尘装置图

综上所述，传统静电除尘器对于颗粒物的脱除往往具有局限性，目前仍存在粘性及含油颗粒物的脱除困难的问题[12]，静电除尘技术受电场力影响较大，对于粘性颗粒物具有选择性，无法达到高效清洁定期更换。因此对高效率并且经济实用便捷的静电除尘器的研究就变得迫在眉睫[13]。

1.2 雾化静电除尘技术的研究

18世纪Rose最早提出了静电雾化现象。19世纪末，Rayleigh通过对雾化静电机理进行深入的研究，提出了Rayleigh极限，即理论上荷电雾滴能够保持稳定状态的最大荷量的临界条件。

雾化是在电场力的作用下，带电水面受到的静电作用力垂直于水面向外，随着电场强度的增强，静电力逐渐增大，水面稳定性逐渐降低，从而形成泰勒锥。由于雾化电晕放电技术可以增强相应的电场力，因此增加了水面的电荷密度，提高了水分子的极化程度，进而削弱了水面的表面张力。当电场强度到达某种强度时，细水丝逐渐增多，从而产生了雾化现象[14]，并且极易与颗粒物产生碰撞吸附，凝结沉降，最终实现降尘除尘[15](见图3)。

在Xu[16]的实验分析总结中发现，静电除尘器对于不同特性的粉尘去除效率大有不同，普遍对于粘性粉尘的去除效率较低。在Xu[17]研究中表明了雾化电晕放电形成等离子体技术在去除粘性粉尘方面有独特的优势，不仅可以提升除尘效率，而且免清洗，大大延长了设备的使用寿命。

雾化静电除尘技术可以提高粉尘的捕集效率，对于粘性粉尘的去除也有较好的促进作用；还可以随时保持电极和集尘板的清洁，从而实现长期高效的静电除尘。

2 静电除尘技术的影响因素

影响静电除尘性能的因素有很多，除了自然影响的粉尘特性及属性，还包括流量、流速[18]、静电除尘器的结构及运行参数。而现如今放电极的形式、温度和阴极的材料对于除尘效率的影响也被研究人员逐渐重视，正在进一步的探索，以求提高除尘效率。

2.1 放电极形式

放电极形式一般包括圆线、锯齿线、螺旋线等，表2总结了几种不同放电形式的优缺点及适用情况[19]。

表2 不同形式的放电极性能比较[20-23]

良好的放电极形式应当具有起晕电压低、放电电流大及其机械性能良好等特点。高温下，放电电流增大，击穿电压减小，相较于可以承受更高工作电压的圆线，锯齿线、芒刺线则较易击穿，所以高温情况下圆线能拥有更好的除尘效果。

Xu等[21]研究了在300～900 K的温度下，不同形式的放电极对电晕放电以及颗粒捕集的影响。研究发现使用锯齿状阴极时，放电电流较大，并且能够提高除尘效率，特别是对于微小颗粒(直径<0.1 μm)的除尘效果更好，在温度为300 K时，锯齿阴极可达到99.8%的除尘效率，此时放电极应选取锯齿线；但在温度达到700 K时，采用圆线电极除尘效果更好。

刘万波等[19]在实验中采用高压电源系统、线-筒式电晕放电反应器，通过对COS转化效率对圆线、锯齿线和管状芒刺线进行对比分析。实验表明，锯齿线、管状芒刺线起晕电压和击穿电压相对较低，在相同SIE条件下，使用锯齿形极线对COS的转换率略高于管状芒刺线极线，但其差异不大，而圆线对于COS的转换率则要远大于二者。

Reguig等[22]通过改变电极形式来提高粉尘的去除效率，表明了芒刺极线的电极结构收尘效率高、颗粒分离度好。Jido[23]在锥形和环形组合电极下进行静电雾化实验，结果表明，组合情况下改变电极适当参数可以促进雾化，有利于颗粒物的捕集。

放电极形式对于除尘效率有重要影响，应结合优缺点和适应条件，从粉尘特性、放电特性、机械强度等方面考虑，选取最佳放电极形式，以达到最佳的除尘效果。

2.2 温度

2.2.1 对放电伏安特性的影响 刘万波等[19]实验研究了50～250 ℃的不同温度条件下的伏安特定曲线，起晕电压和击穿电压会随温度的升高而降低，在电压相同的情况下，温度越高电流越大；实验中显示击穿电压下降的比起晕电压快，导致操作电压范围降低，静电除尘器的放电性能会造成影响。Bologa[24]在实验中也证明了上述观点。

许希等[25]实验研究表明，随着温度的升高，相同电压下的电流密度增大，但不同温度下的电流密度浮动不大，在500 ℃时，电流密度最大值为 2.32 mA/m2；400 ℃时，其最小值为1.82 mA/m2。而除尘器最大操作电压随温度的上升明显降低，在400 ℃时，电压的最大值可达21.9 kV；在700 ℃时，电压的最小值仅为14.3 kV。

综上所述，温度升高会导致气体分子剧烈运动，与高能电子的碰撞机率升高，使得相对自由电子数目增加，所以电流增大；温度升高会使其放电电流增大，而相对应的可操作电压范围会受到限制从而影响除尘器的稳定运行。

2.2.2 对粉尘比电阻的影响 粉尘的比电阻会随温度的升高先增大后减小，最适合静电除尘器运行的比电阻为104～1010Ω·cm[26]。

Mohanty等[27]实验研究了不用温度下对于粉尘比电阻的影响，结果分为三类。第一类：当温度 <150 ℃ 时，粉尘比电阻受其成分及湿度的影响，此时粉尘比电阻随温度的升高而升高；第二类：当温度为150～225 ℃时，传导机制和体积传导机制共同起作用，此时比电阻浮动不大；第三类：当温度 >225 ℃ 时，粉尘比电阻没有其他影响会随温度的升高而降低。

当粉尘比电阻较低时，其难以吸附在集尘板上，易再次回到电场，影响除尘器的除尘效率；当粉尘比电阻过高时，粉尘吸附在集尘板上从而形成粉尘层，进而影响设备运行[28]。为克服此类问题，一种方式是使用高频脉冲电源技术，主要以窄脉冲(120 μm 及以下)电压输出为基本工作方式，具有节能、防止反电晕、除尘效率高等特点；另一种为了防止除尘效率受到影响而采用将高比电阻粉尘与低比电阻粉尘进行混合的方式。

2.2.3 对除尘效率的影响 沈之旸等[29]将实验分为冷态实验和热态实验，即分别测试常温、高温下除尘器颗粒物的捕集性能。在563，768，903，1 020 K的不同温度下，相对应的除尘效率分别为93.3%，85.4%，78.7%，73.2%。研究表明，随着温度的升高，静电除尘器的除尘效率和驱进速度都有较为明显的降低。

米俊锋等[14]实验中表明雾化电晕放电电流将会大于传统静电除尘器的电流，其原因是在电场力的作用下，在放电极表面由于荷电形成多锥射流，改变了两极间距，从而增大了放电电流，影响了设备的除尘效率。

综上所述，随着温度的升高，放电伏安特性的变化对颗粒的静电捕集有重要影响。烟气的粘性会随温度的升高而逐渐增加，从而使得颗粒所受粘性增加，颗粒物的捕集效率逐渐降低。除此之外，高温对于静电除尘器的机械性能、强度及其稳定性都有一定的影响。静电除尘器如何在高温中稳定运行还需进一步研究。

2.3 放电极材料

放电极材料(阴极电极)应选取电导率大的材料。原因是由于电晕电流会随电导率的增加而变大，从而正负离子的产生量增多，颗粒物之间的碰撞率增强，颗粒的荷质比也就越大。吕俊翔实验表明在相同流量、温度、直径的情况下，不锈钢的颗粒荷质比不及紫铜的颗粒荷质，所以紫铜的性能要优于不锈钢，其相对应的电导率更大[30]。段晓勇等[31]采用了一种制备石墨烯和铁氧化物复合材料的方法，在静电场利用石墨烯表面的含氧官能团将Fe3+吸附到石墨烯上，同时探究不同的干燥处理方式(冷冻干燥和鼓风干燥)对石墨烯的影响，发现冷冻干燥使复合材料可以增强电化学性能。

除了选择电导率更大的紫铜、银或石墨烯作负极，一些研究学者将电极表面涂稀土金属，研究其特性以及除尘效率，结果表明这样也可以增加电导率，进而提高除尘效率[32]。现如今，石墨烯是强度最大、导电导热性能最优异、最薄的一种新型纳米材料，在光、电、热和力领域均具有突出的应用效果，在环保方面的应用是为了研究进步的新方向[33]；聚四氟乙烯(PTFE)膜具有优异的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、化学惰性和疏水性等特性(结构见图4)，被广泛用于纺织、化工、环保等领域。降低含油颗粒吸附在放电极板上，方便清洁的同时可以避免影响静电场力，从而保障高效稳定的除尘效率[34]。

图4 PDFE结构示意图

面对日益严格的尘烟排放浓度要求和各国家对于除尘设备的需求程度。除了供电方式、除尘设备的结构及运行参数等实验研究，对于阴极材料的探索更新，寻求新的科学技术手段，将是未来静电除尘设备发展的重要方向。

3 讨论

目前，我国静电除尘技术处于发展阶段，在保留其较高效率、阻力小、较低能耗的优势基础上，静电除尘技术联合雾化电晕放电手段显著增强粘性或含油颗粒物的脱除效果，实现对粘性、含油粉尘的高效脱除。除此之外，放电极形式、温度、放电极材料等都将影响颗粒物的除尘效率。

(1)在高温高压的条件下更适用于圆线；而芒刺线对于高浓度的粉尘，收尘效率较高。

(2)随温度的升高，分子运动变得更剧烈，引起电流、电压的变化，其中起晕电压、击穿电压均降低，电流密度升高；粉尘比电阻随温度升高先升高后降低，为了保证除尘效果稳定，采用高频脉冲电源技术或高、低比电阻混合方案，提高除尘效率。

(3)对于阴极电极材料，电导率越大，电晕电流越大，相应的正负离子越多，与颗粒的碰撞效果越强，则除尘效率更佳。

随着政策相关规定的陆续实施，我国的环境治理及其污染防治的执行标准逐步升级，静电除尘技术亟需改进更新。不管对于传统静电除尘器还是雾化静电除尘器，温度、放电极形式及材料等因素都对其除尘效率、设备使用性能产生影响。单一的影响因素在实验中较易找到其最佳的除尘效率，将各个影响因素协同作用，找到最佳组合方式，从而使其除尘效率最大化，将被寄予更大的期望。

4 结论

静电除尘器的高效除尘效率是保障环境质量的关键，具有重要的研究意义。静电除尘器技术的相关研究虽取得了相应的进展，但对于烟气的选择性、除尘效率仍存在一些问题。雾化电晕放电技术可以在静电除尘技术的基础上有效提高含油性或含水性粉尘、细小微粒的捕集除尘效率。并深入研究除尘技术相关机理，创新除尘设备的结构和参数，同时结合实际工程应用分析改进其可行性，雾化静电除尘技术未来应用前景十分广阔。此外，除尘技术的影响因素具有一定的耦合性，还需要进一步研究，以达到更好的社会和环境效益。