简述一种基于高频高压放电装置的城市静电除霾系统的设计

北京市东直门中学 陈 朔 鲁一洋

简述一种基于高频高压放电装置的城市静电除霾系统的设计

北京市东直门中学 陈 朔 鲁一洋

电除尘技术是利用高压产生的强电场使气体电离，即产生电晕放电，进而使粉尘荷电，并在电场力的作用下，使气体中的悬浮粒子分离出来的技术。本篇论文对该技术进行研究，创新性的将该技术与高频高压放电装置结合，应用于城市户外空间的除霾工作当中。提出了一种基于高频高压放电装置的城市静电除霾系统的设想，并简要分析了其工作原理及实用价值。

高压电；静电；雾霾；空气净化

一、前言

（一）雾霾现状

2015年12月-2016年1月，我国多数省市长时间遭遇大面积雾霾天气，其影响面积、持续时间、微粒密度和强度非常罕见。

全国范围内自1960年大规模发展工业进程以来，平均雾霾日数逐年攀升，在北京、上海、广州等发达城市，每年雾霾天数更是超过百日。

北京市最长连续4日被笼罩在雾霾天气之下，“爆表”的pm2.5监测值和接连发出的霾红丝预警信号，使全市中小学在紧张的期末复习阶段被迫停课。雾霾不仅导致大气能见度和空气质量的下降，还会增加诸如呼吸道感染、哮喘等疾病的发病率，同时对公路运输和民用、军用航空、航海领域均构成严重影响，给公民的生产生活和很体健康造成极大威胁。

（二）现有的解决措施

当前，我国以可吸入颗粒物、细颗粒物及粉尘等雾霾的主要成分为主的大气环境问题日益突出，对人民身体健康，甚至社会和谐稳定造成了很大的影响。随着我国城市化的发展以及工业进程的推进，以化石能源为能源主体的能源消耗持续增加，导致大气污染防治压力将会继续加大。国家及各省市、地区相关部门十分重视治理雾霾天气和防治大气污染的相关工作，采取了一系列措施积极应对。

其应对方案主要包含但不限于限制工厂排放、限制公车出行、机动车限购、发展公共交通和轨道交通网络、鼓励绿色出行、加强雾霾天气检测预警等方面。然而在雾霾真正来临时，除了减少污染排放，以达到不加重雾霾的效果，以及等待冷空气过境吹散雾霾，并没有可以在雾霾天气来临时快速有效清除或削弱雾霾的办法。

（三）设计装置目的

在雾霾天气中，在室外局部地区净化空气，改善雾霾和空气污染，使人们能够呼吸干净的空气，使人们即使在雾霾天气也可以在室外进行活动。

二、对于雾霾中污染物成分的分析

我们常说的 “雾霾”，即由空气中灰尘、氮氧化物、二氧化硫、有机碳氢化合物等气体及颗粒物组成的气溶胶系统。其主要化学成分包括有机化合物、硝酸盐、铵盐、硫酸盐、重金属等诸多化学元素。它们可以使大气浑浊，能见度下降并导致人的视野模糊。

三、基于高频高压放电装置的城市静电除霾系统分析

（一）系统简介

1.系统设想

由于近阶段频发的雾霾天气为城市居民造成了诸多不便，同时越来越多的城市居民开始重视环境污染及空气质量问题。设想有这样一个城市雾霾清洁系统的装置，将其安放于户外，在雾霾天气里运行，利用静电原理吸附雾霾，使局部低空区域内产生相对污染物更少的清洁空气。方便市民进行正常的室外活动。

2.系统特点

该基于高频高压放电装置的城市静电除霾系统与一般静电除尘装置相比，具有如下特点：

（1）可在室外应用，吸附多种类型空气污染物；

（2）除尘效率高，可吸附0.1μm～0.001μm级的直径较小的尘粒；

（3）可应用区域广泛；

（4）除尘范围大；

（5）整体高度自动化，维修简单。

3.系统应用

应用于城市公园、运动场馆，等需清洁空气且无较多电磁干扰的室外区域。

（二）系统结构设计

此系统分为三个模块，分别为，放电模块，集尘模块和除尘模块。放电模块主要由高频高压放电装置（即特斯拉线圈）组成。它的作用是使普通电压变成高频高压，在其周围产生高压电场，并放电，从而使其周围自由电子产生加速度。集尘模块由阳极集尘板组成，使空气中尘埃颗粒捕获电子带上负电，聚集到集尘板上，达成了集尘作用。除尘模块是基于锤击振打原理，以一定速率周期性振打极板，使之产生一定的加速度，使粉尘层落下，再收集起来，防止粉尘堆积在极板表面，能方便收集粉尘。三个模块相互配合共同工作，缺一不可。

（三）高压静电除霾原理分析

在本系统中高频高压放电装置将220V电压升至50～60kV，在电场作用下，空气中的自由离子要向两极移动，电场场强及离子的运动速度随电压的升高而加大。由于离子的运动，极间形成了电流。装置运行初始阶段时，由于空气中的移动的自由离子较少，电流值较低。当放电电压升高到一临街数值后，放电电极附近的离子因而获得了较高的速度和能量，与空气中的中性原子发生碰撞，此时，中性原子会分解成正、负离子，使空气产生电离。空气电离后，由于联锁反应，在极间运动的离子数大大增加，宏观表现为电晕电流的急剧增加，使局部范围内的空气成了导体。当放电极周围的空气均被电离后，在放电极周围出现电晕。空气在电晕范围内电离后，其中的正离子向阴极移动，负离子进入电晕外区，向阳极移动。由于电晕区的面积很小，在含有雾霾的空气中只有极少量的尘粒在电晕区通过，获得正电荷，沉积在阴极上。而大多数的尘粒在电晕外区通过，带上负电荷，受电场力作用向集尘极运动，最后沉积在阳极集尘板上逐渐形成粉尘薄层。（除尘过程如图1所示）当集尘极板上的粉尘达到一定的厚度后，用机械振打方法将粉尘脱离。

图1 除尘过程示意图

（四）高频高压放电装置分析

高频高压放电装置即特斯拉线圈是一种分布参数高频串联谐振变压器，可以获得上百万伏的高频电压。该部分装置由感应圈、变压器、打火器、电容器和初级线圈组成。本装置使用变压器将交流电压升压至2kV以上，使其足够可以击穿空气。然后经过由四组高压二极管组成的全波整流桥给初级LC回路谐振电容充电，当电容两个极板之间的电势差达到放电阀值时，会击穿打火器处的空气，利用火花间隙放电导通电路，和初级线圈构成一个LC振荡回路。这时，电磁振荡会产生通常在100kHz到1.5MHz之间的高频电磁波。放电顶端是一个有一定表面积且导电的光滑物体，它和地面形成一个对地等效电容，同时，该对地等效电容和链接放电顶端的次级线圈也会形成一个LC振荡回路。当初级回路和次级回路的LC振荡频率相等时，初级线圈发出的电磁波的大部分会被次级的LC振荡回路吸收。放电顶端和地面的电势差此时无限大，因此在次级线圈的回路里面会产生与LC振荡频率一致高压小电流的高频交流电，此时放电顶端会和附近接地的物体放出电弧电离空气。在本系统中，将此装置放在地面之上，与集尘装置和除尘装置相配合工作（如图2所示）。

（五）集尘装置分析

本系统所应用的集尘装置主要由集尘极板组成，带有负电荷的尘埃颗粒在电场力的作用下做向极运动，吸附于阳极集尘板上。该阳极集尘板铺设在所应用区域的无人经过的地面上，使带电尘埃吸附在集尘板表面。对于集尘板的选用需要满足如下要求：

（1）集尘板厚度及粗糙程度分布均匀，极板场强分布均匀；（2）集尘板强度高，耐受高温及腐蚀；（3）集尘板面积较大，容尘能力强；（4）振打性能好，可均匀地受到击振锤的击打。

（六）除尘装置分析

当集尘极板吸附了一定的灰尘后，会影响装置工作，因此需要及时的清理灰尘，通过振打极板来进行清灰。在震打过程中应根据实际情况调整振打频率和振打强度。若振打频率高、强度大，则会导致积聚在极板上的粉尘层较薄，使振打后粉尘会以粉末状下落，容易产生二次空气污染。而振打频率低、强度弱，则极板上积聚的粉尘层较厚，大块粉尘会因自重高速下落也会造成二次空气污染。因此与当时空气中各污染物含量实施监测数据相结合，选择合适振打频率和强度。

四、系统的实际应用分析

本装置能捕集极小的细微粉尘，处理气体范围量大，并且适用于高温、高压和高湿的场合，能连续运转，实现自动化。

但本系统也有一些缺点，例如设备庞大，耗钢多，需高压变电和整流设备，投资高。除尘效率受污染物比电阻影响大，若不采取一定措施，除尘效率将受到影响。本设备由于裸露与室外工作，其产生的电磁场可能对周围的电子通讯设备和无线电设备产生。由于高压放电，空气中的氧气会经化学反应生成对人体健康有害的臭氧，并且在设备运行中会产生较大的噪音。由于本系统中高频高压放电装置产生的高频高压电流具有趋肤效应，功率过大会引起皮肤烧伤。若是投入在城市中应用，虽理论上可达到除霾效果，但装置本身则会对人们正常生活产生部分影响。故后期仍需对本系统进行进一步的研究。诸如更改高频高压放电装置放电类型、设计安全电路触电应答系统、行人保护装置等。

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［3］陈光军.环保静电除尘系统设计［J］.电子测量技术，2004（3）：65-65.

［4］王永丰.“穹顶之下”之雾霾分析及应对［Z］.2015：1-3.

［5］肖如泉，王诗雪，王黎明，阳然.高压放电与演示系统［Z］.北京：中国水利水电出版社，2012：71-78.

［6］程胜利.区域性办公环境的无线电力运用［J］.科技信息，2012（19）：93-94.

陈朔，北京市东直门中学学生，爱好物理学。

鲁一洋，北京市东直门中学学生，爱好物理学。

Electrostatic precipitation is a technology which can ionize gas by high voltage electric field.It can generate corona discharge and charge the dust.The floating particle in the air is separated by the electric field.This thesis researches on the electrostatic precipitation technology and designs a urban air purification system which innovatively combines this technology with Spark Gap Tesla Coil to clean the air in urban outdoor space.Here include the brief instruction about its operating principle and practical value.

high voltage electric；static electricity；haze；air purification

注：该论文曾获全国中小学生数理化学科能力展示竞赛（论文项目）一等奖。