雾化电晕放电净化粉尘颗粒物的研究进展

陈琪，夏诗杨

雾化电晕放电净化粉尘颗粒物的研究进展

陈琪1，夏诗杨2*

（1. 中国昆仑工程有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110000； 2. 辽宁石油化工大学 土木工程学院，辽宁 抚顺 113001）

针对治理大气中黏性细小粉尘颗粒，传统静电除尘技术捕集效率低，在技术、经济上不能很好满足要求，而雾化电晕放电技术作为新型电除尘技术具有效率高、免清洗、适用性广、稳定性高等优势。通过阐述雾化电晕放电技术机理，对雾化电晕放电在除尘领域中的研究现状和应用成果进行综述，并对该技术的成果进行总结。

粉尘颗粒物；静电除尘；雾化电晕放电；研究应用

能源是人类生存和经济发展的重要基础［1］，在我国经济高速发展时代下，大气中工业、饮食业等排放的粉尘颗粒污染物与日俱增［2-4］。这些固体悬浮物的大量聚集产生雾霾效应，人们长期处于细小微粒粉尘环境下，容易引发尘肺病，造成呼吸道感染等疾病，严重威胁人类身体健康［5］，破环生态坏境。同时，粉尘颗粒物会破坏工业生产设备，减少其使用寿命，降低生产产品的质量，带来经济损害［6］。目前市面上常见的除尘器技术主要有静电除尘技术、湿式除尘技术、机械式除尘技术、袋式除尘技术［7］。其中静电除尘器因其效率高、适用性广得到广泛的应用［8］，随着静电除尘技术的发展和颗粒污染防治要求的提高，无论是干式还是湿式［9］静电除尘器对亚微米级的细粉尘颗粒物或黏性粉尘难以实现有效的捕集［10］，达不到排放标准要求。雾化电晕放电除尘作为静电除尘器的一种改进技术，能够高效捕集去除亚微米颗粒物及黏性粉尘颗粒，弥补传统静电除尘器的不足，保证电除尘器的持久有效性，是一种极具前景、值得广泛推广应用的新型除尘技术［11］。

1 雾化电晕放电除尘技术机理

2003年许德玄教授等在国内首次提出接地极雾化电晕放电的新技术，并将雾化电晕放电技术应用于饮食业除尘及烟气领域［8-10］，并对其机理进行了研究。雾化电晕放电除尘过程可分为放电极雾化、液滴荷电、捕集尘粒、极板清洗4个过程，其是在电晕放电装置上进行放电极通入循环水，在非均匀高压放电场内，通过电晕放电作用在曲率半径较小的水电极表面附近产生很强的电场，导致水层面的电荷密度和水分子极化强度增加，水面逐渐不稳定发生扰动形成泰勒锥，产生电流体动力学雾化现象［12-14］，随着外施电场增强，雾滴径粒也随之增大［15］。如图1所示，雾化的液滴在电晕区内与负离子及自由电子发生高度荷电效应的同时，与烟气中的粉尘颗粒发生碰撞，被吸附到液滴表面，经过静电凝并与动力凝并的共同作用，高速冲击极板形成集尘板水膜，有效地自清黏性粉尘并提高了粉尘颗粒去除效率。此外，接地极雾化电晕放电，利用放电极接地，集尘极悬空接高压，有效解决了高压绝缘问题[16-17]。

图1 线电极表面泰勒锥分布

2 雾化电晕放电除尘与其他除尘的对比

超声雾化除尘技术，是利用超声作用力，将液体分子作用成微团，根据粉尘粒子只能和相同体积的水雾微团捕获的原理，使水雾与粉尘凝结沉降，实现除尘效果，除尘率在95%以上［18］。但是根据实验表明［19］，超声雾化能够形成小于10 μm的雾滴比例为76.8%，那么实际真正危害人体健康的PM2.5和PM10的细微粉尘捕集率要大打折扣。

静电除尘器主要由电极、本体及电气系统组成。其中电极分为放电极和集尘极，在电场力的作用下，电晕区内的正离子会向放电极靠近，负离子和自由电子向集尘极靠近［20］。所以对于放电极来说，需要较好的抗腐蚀性，且能容易做到低起晕电压、高击穿电压，并需易清灰。集尘极则需要良好的物理强度和振荡能力，同时也要易使电流密度和电场强度分布变得均匀［21］。静电除尘器具有处理烟气量大、除尘效率高、适应范围广、设备阻力低、形成二次污染物少等特点。但是由于微细颗粒物通过电晕区荷电量较低，较难到达收尘极，则难以被静电除尘器所捕集，且微细颗粒物对人类健康伤害较大。还有因为集尘极附加粉尘过多而导致的粉尘荷电量减少，火花电压降低，除尘效率下降等缺点［22］。

湿式静电除尘器是让粉尘从其存在的气流中进入到另一种流体的装置［23］。将水雾喷向电极和电晕区，水雾在放电极形成的电晕场内荷电，然后分裂雾化［24］，并将粉尘在电场力的作用下被捕集到集尘极。优势相对于静电除尘器来说，采用水清灰，无需利用振打装置对集尘极进行振打，被水膜捕获的粉尘可随水直接排出，可避免集尘极粉尘过多造成的效率降低问题［25］。但是存在着耗水量大、大量废水的处理较为麻烦、占地大、能耗高等问题［26］。

由上述可知静电除尘具有效率高、能耗低等特点［27］，但在去除黏性粉尘时极板容易遭到黏结，导致除尘效率逐渐下降。当传统静电器和湿式除尘器相结合，通过对比传统电除尘装置，在放电极通入了循环水，在水的作用下，除尘装置的放电效果及捕集效率将发生不同程度的变化。静电旋风除尘器相比于旋风除尘器，利用设备中形成高压电场，能够捕集粒径小于5 μm的粉尘。相比于静电旋风除尘器，米俊锋［28］等设计了接地极雾化电晕放电旋风除尘器，并将将接地极雾化电晕放电旋风除尘器与静电旋风除尘器的放电特性、捕集效率、分割粒径和对高比电阻的适应能力进行了对比，实验结果得出在液体流量为80 mL·min-1时，可取得最佳除尘效果。此时接地极雾化电晕放电旋风除尘器相比于静电旋风除尘器放电电流、除尘效率更大，且起晕电压更小，因为雾化电晕放电两极间形成的多锥射流缩减了两极之间的距离，并增强了电离，进而增加了放电电流，使粉尘捕集更容易。当接地极雾化电晕放电旋风除尘器和静电旋风除尘器和电压一致时，接地极雾化电晕放电旋风除尘器分割粒径较小，对高比电阻为2.6×1012cm的水泥粉尘，随着工作时间延长，静电旋风除尘器的除尘效率逐渐降低［29］，但是接地极雾化电晕放电旋风除尘器的除尘效率基本不变的原因主要是在线电极表面水膜形成的多锥射流不停地冲洗着集尘板，避免了粉尘返回气流和反电晕的现象。并且米俊锋在接地极雾化对电晕区影响的实验中发现，接地极雾化电晕放电和传统电晕放电相比，将低温等离子区的体积扩大了将近一百倍，这是由于接地极雾化电晕放电比传统电晕放电增加了水雾释放这一变量，而大量的细小水滴在电晕区处于电晕放电的状态，从而导致了等离子区体积的扩大［30］。

孙炳海［31］和郭治明［32］等进行模拟实验，对比雾化负电晕放电与传统干式负电晕放电去除烟气中颗粒污染物的效果。传统干式负电晕放电除尘，随着时间越长，除尘效果越低，由于粉尘易黏附在除尘器的极线、极板上［33］。雾化负电晕放电的实验结果表明，由于存在高度荷电液滴和荷电液滴对粉尘的静电、动力凝并作用下，雾化负电晕放电比传统负电晕放电的起晕电压低，放电电流大，除尘效率高，自清洗效果好，因此雾化负电晕放电更适用于去除烟气中的细小颗粒、黏性烟尘污染物。同时孙炳海［31］和王玉佳［34］等还表明雾化电晕放电除尘还具有良好的除臭功能。

3 雾化电晕放电与其余放电技术去除黏性粉尘的应用对比

餐饮业排放的油烟中含多种有毒有害物质，包含大量黏性的细小颗粒悬浮物。油烟颗粒物可分为可沉降颗粒、可吸入颗粒、气体分子基团。其中可吸入颗粒粒径在0.01～10 μm，容易诱发呼吸系统疾病，而气体分子基团有多种有毒成分，对人体免疫功能有害［35］。传统的静电除尘技术对这种极具黏附性、疏水性的细小粉尘无法得到很好的清除，存在一定的局限性。

欧阳雨川［36］设计了一种利用介质阻挡放电与静电式油烟净化器的联用装置，当静电式油烟净化器利用两组经典模块，设置电压为13 kV，设备中心断面流速大约为1.9 m·s-1。对介质阻挡放电设备的电压设置为30 kV，风量为900 m3·h-1的条件下，两设备对油烟治理效率为97.7%。虽然两者组合起来对油烟治理效果十分显著，但是现如今介质阻挡放电设备的电源体积大，且制造成本高［37］，对于餐饮场地处理油烟来说，还需考虑其初投资和运行成本，所以对此技术还需进一步优化，达到实际使用需求。

吴运运［38］研发出了稀土-钨热电子发射氏粉尘预喝点协同静电增强颗粒层除尘器。相比于传统静电除尘器，它可以在高温下更加稳定运作，且运作电压处于10 kV以下，更加地节约电能。在分级除尘中，对1 μm径粒以下的颗粒，除去效率达94.5%，在颗粒层对于粒径为5 mm的粉尘，效率达97%。但是该装置中稀土钨为关键，而将稀土钨加工成电极，由于目前加工技术流程缺乏微观分析，产品的合格率低［39］，由此增加了初投资，可行性有待考究。同时稀土钨热电子发射阴极在实验中会不断增加质量，表明实验过程中有氧化物不断生成，阴极的使用寿命还有待于研究。

出于技术经济性、可靠性、稳定性的考虑，雾化电晕放电作为烟气除尘新技术，针对油烟净化更为适合。

由先前研究可知雾化负电晕放电效果最佳，为探究最佳反应条件，取得最佳净化效率，董美［40］等研究接地极雾化负电晕放电去除油烟黏性粉尘颗粒气体状态参数变化对净化效率的影响，实验装置如图2所示，在两极板间距25 mm、电压为13 kV时净化效率随循环水流量的趋势为1 575 mL·min-1>510 mL·min-1>3 150 mL·min-1>4 410 mL·min-1，流量的改变影响放电的电流，进而影响对油烟的荷电效果，当流量过小时，放电极雾化范围小，放电电流小，荷电效果不佳。当流量过大且放电极表面覆水层膜过厚时，放电极表面的曲率半径增大，同时影响放电极附近的电场强度，从而影响净化效率。当通入的油烟气风速的增加时，因为反应不完全致使净化效率随之降低。当风速为2 m·s-1、电压为13 kV、流量为1 575 mL·min-1时，由于水膜和雾化的液滴不断清洗着线电极和板电极，导致接地极雾化电晕放电在工作时间小于40天时，对油烟的净化效率一直维持在36%左右。

苗琪［6］等设计了一种新型的接地极雾化电晕除尘器，研究液体流量与气流方向对除尘效果的影响，当气流速度设定为1 m·s-1时，气流方向的改变并未对放电电流带来明显影响，当设定液体流量一定，风速为3 m·s-1时，逆向气流较顺向气流的放电电流更大，原因是电场力与重力对雾化的荷电液滴作用的影响。在线电极表面覆盖液体流量设定值为0、 25 、50、70 mL·min-1的条件下，得到液体流量为25 mL·min-1下的放电效果最佳，此时的接地极雾化负电晕放电电流达到最大值。当气流速度一致时，接地极雾化电晕放电装置中逆向气流的除尘效率更高。米俊锋［41］等通过实验研究雾化电晕放电对电极的清洗效果，在高压极板间相距300 mm，单位长度放电极供水量为464 m·s-1、放电高压为55 kV且放电电流530 μA的条件下工作3 min，高压极板清洗状况如图3所示。从图3中可看出，雾化的液滴将有效地带走大面积的黏性粉尘颗粒，并没有形成对极板的黏附，只存在极板的最上部一小块区域未被清洗，清洗效果极佳。

杜胜男［42］等发明了一种接地极雾化电晕放电旋风除尘器，如图4所示，解决了供水系统高电压绝缘的问题，可用水雾保持电极板的清洁。同时相较于静电和传统两种旋风除尘器，发现在流量为 80 mL·min-1时，接地极雾化电晕放电旋风除尘器的起晕电压和放电电流优于另外两种旋风除尘器，且还提高了其分割粒径和分级效率，收集效率一直保持稳定，有极广阔的应用前景。

1—放电极；2—高压筒电极；3—输水软管；4—阀门；5—水桶；6—输水管；7—高压电缆；8—电源；9—下水池；10—水泵；11—溢流管；12—水管

图3 极板清洗效果图

图4 接地极雾化电晕放电旋风除尘器实验装置

4 磁场协同雾化电晕放电去除黏性粉尘的应用

雾化电晕放电在去除黏性粉尘及细小粉尘颗粒物上体现了其极好的高效性、稳定性和免清洗的特性，在去除粉尘颗粒的过程中主要取决于电场强度对粉尘颗粒的作用力及对粉尘的荷电量，为了实现更高的对粉尘的作用力和粉尘捕集效率，许德玄［43］和林山杉［44］进而又提出在放电极电晕线附近安装永磁铁形成非均匀磁场的方法，进一步增强电离荷电作用，即磁增强雾化电晕放电。林山杉［44］研究表明随着磁场的增强，放电电流可大幅度提高，永久磁铁在放电极附近形成由0 T增至0.105 T的平均磁场，此时放电电流增加120%，放电极在雾化负电晕放电过程中，磁场可显著提高雾化液滴的粒径并增强其对微小颗粒的凝并效能。许德玄［45］指出线电极附近自由电子的拉莫运动可导致磁增强，同时会加大气体分子与自由电子的碰撞几率，会引起更加强烈的电子雪崩并提升放电电流，许德玄研究结果同样表明了磁增强下的负电晕放电效果优于正电晕放电，粉尘的荷电效果与荷电效率更佳，并会抑制电晕区内荷电粉尘的中和作用。这表明磁增强雾化电晕放电是一个具有研究价值和意义的课题，并申请了专利［45］。

米俊锋［30］等采用筒电极外围加磁场代替线电极附近加磁场的方法，利用一个较大的永磁铁在电晕区形成了一个0.11 T的磁场对磁增强雾化电晕技术做了深入的研究，如图5所示，分析磁场对接地极雾化电晕放电起晕电压、放电电流和雾化液滴粒径的影响，通入磁场使雾化电晕放电的电流明显增加，当磁场在电晕区内的磁场强度为0.11 T，液体流量为16 mL·min-1，电压为 14 kV的时候，在磁场影响下，放电电流增长大约为15.3%，且对雾化负电晕放电起晕电压影响很大，使起晕电压降低，在磁场的作用下，增加了原有自由电子与空气分子之间的碰撞次数，增强了电离效应。通过对比有无磁场存在下的液滴粒径分布，发现磁场的加入并没有使粒径分布发生变化，即对雾化液滴的产生过程影响不大。张天昊［46］等通过对于筒电极高度发现电流的增长率存在一个最佳值，且筒电极高度在一定程度上和处理采油废水的效率成正比，但若超过最佳值时，处理效果会降低。

1—放电极；2—筒型高压电极；3—输水软管；4—阀门；5—水桶； 6—输水管；7—高压电缆；8—高压电源；9—下水池；10—水泵；11—溢流管；12—水管；13—磁铁

5 结 论

1）对于净化黏性粉尘和高比电阻粉尘颗粒，在相同的实验条件下，雾化电晕放电除尘比传统静电除尘放电电流大、起晕电压低、除尘效率高、无二次污染，且雾化负电晕放电效果优于雾化正电晕放电。

2）对于放电极材料首先考虑的应该是电导率 大的材料接地极雾化电晕放电受液体流量、风速、气流放电等参数的影响，与反应时间没有关系。

3）加入磁场可增加放电空间自由电子和空气 分子以及水分子的碰撞次数，增强电离，提高了放电电流，提高了荷电区的离子浓度，致使磁场协同雾化电晕放电作用下，除尘效率更高。

雾化电晕放电除尘是一种高效清洁且无污染排放的新型静电除尘技术，对油烟中的黏性粉尘颗粒和细小微粒能够有效捕集净化，弥补了传统静电除尘技术的缺点，是当今社会大气环境问题日益突出下与时俱进产出的一种值得推广应用的先进除尘方式，已经在油烟净化器中受到了广泛生产应用，并不断研发推进新的技术改进，具有广阔的研究价值和应用前景。

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Research Progress of Atomizing Corona Discharge to Purify Dust Particles

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2. Kunlun Contracting & Engineering Corporation Shenyang Company, Shenyang Liaoning 110000, China; School of Civil Engineering, Liaoning Petrochemical University, Fushun Liaoning 113001, China）

Aiming at the treatment of viscous fine dust particles in the atmosphere, the traditional electrostatic dust removal technology has low collection efficiency and cannot meet the requirements technically and economically, as a new type of electrostatic precipitator technology, atomized corona discharge technology has the advantages of high efficiency, no cleaning, wide applicability, and high stability.By expounding the mechanism of atomizing corona discharge technology, the research status and application results of atomizing corona discharge in the field of dust removal were reviewed, and the results of this technology were summarized.

Dust particles; Electrostatic dust removal; Atomized corona discharge; Research application

陈琪（1989-），男，硕士研究生，研究方向：建筑环境与设备工程。

周鑫来（1999-），男，硕士研究生，研究方向：低温等离子体与气体污染控制工程研究。

X513

A

1004-0935（2023）01-0108-05