电除尘技术研究进展＊

许志鹏，陆从相，苏雯

（盐城工业职业技术学院汽车与交通学院，江苏盐城 224000）

目前，中国颗粒粉尘污染形势严峻，很多城市存在颗粒粉尘浓度超标的问题。中国华北、江淮、江南等中东部区域均出现严重的雾霾天气，主要原因就是城市环境中的PM10（颗粒物的空气动力学当量直径小于等于10 μm），尤其是PM2.5（颗粒物的空气动力学当量直径小于等于2.5 μm）的含量过高所致[1]。由于微细尘粒粒径较小、比表面积较大，有毒有害物质可以在其表面富集，而且可以长期漂浮在大气中，因此，严重影响城市的空气质量、大气能见度、温度，严重危害人类的身体健康[2-3]。国际癌症研究机构研究结果表明，大气污染“对人类致癌”，大气污染物是主要的环境致癌物；长时间生活在污染空气环境中，患肺癌的风险会大幅度增加[4]。流行病学研究结果显示，微细尘粒会对人体呼吸系统、免疫系统、生殖系统和遗传系统等系统造成严重影响，诱发多种身体疾病[5]。微细尘粒、SO2和CO2等大气污染物还会造成酸雨污染、气候变暖和臭氧层破坏等环境问题[6]。大气环境是人类赖以生存和发展的宝贵资源，其质量影响城市的生态系统和人类的生活质量[7]。因此，保护大气环境，控制粉尘和废气污染，已经刻不容缓[8]。

燃煤、工业生产、机动车、扬尘等是当前中国大部分城市环境空气中颗粒物的主要污染来源，占85%～90%。据统计，由燃煤生成的悬浮颗粒物占空气中总悬浮颗粒物（颗粒物的空气动力学当量直径小于等于100 μm）的33%，微细颗粒物占其中的35%[9]。

中国是一个煤炭生产和消费大国，煤炭消费占一次能源消费比例大，大气环境污染以煤烟型为主[10]。尽管国家采取多种措施优化能源结构，提高能源使用效率，建设绿色健康的现代能源体系，但是在短期内，中国的能源消费格局依然是以煤炭为主，煤炭的主体地位仍然无法替代。据测算，今后一段时期，尽管煤炭消费量的年均增速将会略有降低，但煤炭消费总量占能源消费总量的比例仍超过60%。

由于传统电除尘器电场中产生的离子浓度不高，尘粒驱进速度低，微细尘粒荷电、碰撞和凝并概率低，导致微细尘粒的收集效率低[11]。因此，现有的新老电除尘器将面临升级和改造，提高收尘效率，特别是微细尘粒的捕集效率，已成为众多学者努力的焦点。

1 静电除尘器概况

静电除尘器是利用高压电场使尘粒荷电、迁移、沉积、分离的一种除尘装置。与机械式、湿式和过滤式等类型除尘器相比，由于ESP 具有捕集效率较高、压力损失较小、处理烟气流量较大、可处理具有腐蚀性的烟气和一次性投资相对较低等优点，因此，ESP可以广泛应用在各个工业领域[12]。ESP 最典型的类型主要分为2 种，即单区式电除尘器和双区式电除尘器。单区式ESP 可以在同一区域实现尘粒的荷电与捕集，而双区式ESP则需在2 个区域完成尘粒的荷电与捕集。单区式ESP 主要分为线管式ESP 和线板式ESP，其集尘板分别为长圆筒形和长方形平面[13]，如图1、图2 所示。

图1 线管式ESP

图2 线板式ESP

双区式ESP 收尘过程为：当含尘烟气流经荷电区时，尘粒荷电，而后进入收尘区进行捕集，净化后的烟气直接排出，示意图如图3 所示。

图3 双区式ESP

上述ESP 放电电场中产生的离子浓度低，粉尘荷电凝并概率低，导致其对微细粉尘捕集的效率低下。而电凝并技术可以使小尘粒碰撞凝聚为大尘粒，有效提高微细尘粒的收集效率，受到世界各国学者的广泛关注，因此，电凝并捕集微细尘粒技术已成为研究热点之一。

2 尘粒荷电凝并技术研究进展

电除尘器电场中尘粒的初始浓度、尘粒粒径分布、电荷分布、电场工作电压以及流场特性等因素会直接影响电凝并的效果。关于电凝并的主要研究方向为正负荷电尘粒的库仑凝并、同极性荷电尘粒或正负荷电尘粒在恒定电场中凝并、同极性荷电尘粒或正负荷电尘粒在交变电场中的凝并。20 世纪60 年代，气溶胶科学的奠基人Fuchs 通过研究得到带电颗粒碰撞频率的计算公式。20 世纪80 年代，Masuda 等通过加载直流高压窄脉冲电场，开展同极性粒子荷电凝并试验研究，提高了高比电阻烟尘的收集效率。20 世纪90 年代，Loyalka 等改进了静电凝并方程式。Eliasson 等通过三区式电除尘器的试验研究发现，中性粒子的热凝并速率比对称异极性荷电亚微米粒子的电凝并速率低2～4 个数量级，异极性荷电尘粒库仑凝并ESP 示意图如图4 所示。Koizumi 等通过理论研究得出，中性尘粒的凝并速率也低于同极性荷电亚微米尘粒的凝并速率，如图5 所示。在凝并区加载电场力可以提高凝并效率，进而提高亚微米尘粒的收集效率。

图4 异极性荷电尘粒库仑凝并ESP

图5 同极性荷电尘粒交变凝并ESP

上述研究表明，电凝并技术能提高微细尘粒的凝并效果和捕集效果，但在电除尘装置中另设荷电凝并装置，从本质上讲是变相增加电除尘电场的级数，难以从根本上解决微细尘粒电捕集效果差和除尘器本体体积庞大的问题。针对这一问题，白希尧等人提出横向极板ESP，将集尘板迎气流方向垂直布置，将风速转变为有利于捕集尘粒的条件，尘粒的驱进速度得到大幅度提高。陈祖云等人采用类似极板结构进行电除尘试验研究，结果表明，横向极板ESP 能提高尘粒的驱进速度，提高微细粉尘荷电、碰撞和凝并的概率。在前人研究的基础上，依成武等人进一步提出涡旋电除尘技术。由于涡旋型电除尘器（VEP）可实现在同一区域完成尘粒荷电、极化、碰撞、凝并和收尘的作用全过程，因此，它有效提高了微细尘粒的收集效果，实现了VEP 体积的大幅度减小，是一种极具应用潜力的新型电除尘器。

3 现有电除尘器存在的主要问题及解决路径

现有ESP 集尘板往往是平行气流方向放置，难以提高微细尘粒的捕集效率，主要原因是：①放电电场中产生的离子浓度值不高，为每立方厘米106～107，微细尘粒的荷电凝并概率低；②集尘板平行气流方向放置，离子输运项低，不利于尘粒的捕集，荷电尘粒的驱进速度不高，仅为0.03～0.20 m/s；③现有电除尘器为提高尘粒的捕集效率，通常采用多级电场或者在除尘装置前端加装预荷电装置，这种方法对提高微细尘粒的捕集效果有限，同时大幅度加大了ESP 本体的体积，加大了一次性投资。要提高微细尘粒的收尘效率，解决传统ESP 存在的离子浓度不高、尘粒荷电凝并概率低、体积庞大和一次性投资高等问题，就需要开发高效实用的微细尘粒捕集新技术，进一步深化除尘理论研究，同时进行微细尘粒捕集方面的模拟分析和试验研究。高效捕集微细尘粒的方法主要分为以下3 类。

第一类是提高电场中产生的离子浓度，增加尘粒的荷电量。主要通过增加电场个数增大收尘器体积，使用高压脉冲电源增加电场注入功率密度，采用预荷电和改变极配形式等方法给微细尘粒以足够的荷电量。

第二类是使微细尘粒凝聚长大，再用静电收尘器收集。主要利用电、湍流、蒸汽相变、磁、热、化学、声和光等凝并技术，使小尘粒相互碰撞凝聚成大尘粒。

第三类是静电与其他方式结合的方式。例如静电增强旋风分离器、电袋复合除尘器和静电增强颗粒层除尘器等。由于电凝并技术能有效提高微细尘粒的凝并效果和捕集效果，因此成为研究热点之一。但是在电除尘装置中另设荷电凝并装置，从本质上讲是变相增加电除尘电场的级数，难以从根本上解决微细尘粒电捕集效果差和除尘器本体体积庞大的问题。

4 结论

在前人研究的基础上，由于VEP 可实现单区式高效捕集微细尘粒，因此，VEP 的体积大幅度减小，是一种极具应用潜力的新型电除尘器。然而，涡旋电除尘技术作为一种新型的除尘技术，有很多关键问题需要做进一步研究。现有的收尘效率理论计算模型主要是针对传统ESP 建立的，虽然可以成功分析电除尘过程中的一些非Deustch 现象，但是其并不适用于分析带电粒子在VEP 内的运动规律，目前尚无比较准确实用的电凝并收尘效率理论计算模型。为完善涡旋电除尘理论，需要对模型进行计算求解，分析VEP 内部流场特性和尘粒的运动特性，揭示荷电粒子的凝并规律和收尘规律。为系统分析VEP 收尘性能，需要对VEP的离子输运特性进行理论分析及试验研究，系统分析VEP 的运行参数。围绕这些关键问题，完善VEP 理论体系，优化VEP 运行参数，全面了解VEP 的技术特性，为VEP 的工业示范试验提供技术支撑。