一种新型电凝并静电增强过滤装置的研究

贺建华 张雄

远大洁净空气科技有限公司

0 引言

传统的静电空气净化技术是利用高压电场使含尘气体发生电离，气流中的粉尘荷电并在电场作用下与气流分离。静电空气净化装置通常由放电极和集尘极组成，整个静电净化过程包括三个阶段[1]：1）气体电离；2）颗粒荷电阶段；3）颗粒迁移与捕集。其中，放电电压和集尘电压的高低对静电装置的净化效果有较大的影响。静电空气净化技术近年来在民用建筑（如大型商场、办公大楼、地铁）通风净化领域得到广泛应用，对于室外大气中PM2.5 颗粒物污染的净化效果较好，PM2.5 净化效率通常在80%～90%之间。

虽然静电净化装置对细颗粒物PM2.5 有一定的净化效率，但是对特别微细（如粒径范围在0.1～1.0 μm）的颗粒物净化效果并不理想，而这种微细颗粒物对人体健康的危害更大。电凝并技术作为一种新型的静电增强技术，通过增加微细颗粒的荷电能力，从而增强微细颗粒物之间的凝聚力，使粒子团聚变大而更容易在静电场中被清除[2]。20 世纪90 年代初，Watanabe 和Suda 提出同极性荷电粉尘在交变电场的三区式静电除尘器引起了除尘领域的关注，其结构如图1 所示，实验表明三区式除尘器处理0.06～12 μm 的飞灰，比常规电除尘器除尘效率提高3%（从95.1%提高到98.1%）[3]。向晓东团队提出异极性荷电粉尘在交变电场的双区式静电除尘器（如图2 所示），在芒刺型极板上施加交变电压使粉尘在运动过程中荷电与凝并交替进行，提高了粉尘群正负荷电量的对称性，无预荷电区，缩短了电极总长度,在平均场强为4 kV/cm处理中位径为2 μm 的粉尘，双区式电凝并除尘效率已达98%[4]。

图1 静电增强电凝并技术原理示意图

图2 交变电场的双区式静电除尘器原理示意图

1 新型电凝并静电增强过滤装置影响因素分析及结构设计

常用静电空气净化装置由电离区和集尘区两部分组成，新型电凝并静电增强过滤装置设计时，对其过滤效果的影响因素也进行了考虑，概括起来主要分为以下两类：

1）外部环境参数的影响，如温度，相对湿度，粉尘浓度和粉尘比电阻等。空气温度越高分子活性越强，过滤效果越好。空气湿度越高，效率降低。空气中粉尘浓度较高时，容易形成电晕闭塞。粉尘比电阻过小时，离子不易附着上去，影响粒子荷电，比电阻过高时，离子附着上去难脱离导致在集尘板上发生反电晕现象，影响集尘。

2）装置本身设计参数的影响，如电场电压、风速、集尘区间距、集尘区高度、集尘附着面积等。在外加电压作用下电离区产生不均匀电场，发生电晕放电。当极间的电压升高到某一个点时，会产生火花放电，继续升高电压就会使气体间隙击穿，产生电弧放电。火花放电及电弧放电由于电流的急剧增大伴随产生大量臭氧，并且不利于静电除尘器的稳定运行。

正负电晕极在空气中的电晕电流—电压曲线关系如图3 所示：

图3 电晕电流—电压曲线关系曲线

同时气体流速越快，荷电与集尘吸附的时间越短，过滤效果越差。在集尘区之间施加相同场强的均匀电场，集尘区极板之间间距越小，风阻越大、容尘量越低、过滤效果越好。相同间距下，场强越大，效果越好。

考虑以上各种因素的影响，装置结构设计分成3部分（见图4）：最上部为电离荷电区，中间为电凝并区，最下方为带正负高压的金属板组成的集尘区，正负带电集尘板之间采用绝缘隔离柱隔离固定，形成稳定的间距。

图4 新型电凝并静电增强过滤装置结构图

电晕极采用先正后负电晕电场排列，这是因为异极性粉尘之间发生凝并会正负电荷抵消，荷电量不饱和的粉尘进入集尘区不易捕捉，影响整机过滤效果。正电晕电极采用间隔分布，让粉尘中一部分粉尘粒子带正电荷，一部分粉尘粒子不带电。当粉尘气流进入负电晕区时，不带电粉尘粒子迅速带上负电荷，与同一气流截面的正电荷粉尘凝并，使凝并时间提前。

2 电凝并的实现

正（负）高压电离区释放出正（负）电荷，正（负）电荷沿着电场线（相反）方向运动与粉尘粒子碰撞使粉尘粒子带电（如图5 所示），当粉尘颗粒物由A 到B 过程中受到正高压电离的作用带上正电荷，带正电荷粉尘由B 到C 过程中使粉尘颗粒进行第一次凝并，并使凝并后的粒子带上负电荷，当粉尘团进入D 区时，正负带电粒子受到不同电场力作用相对运动发生第二次凝并，最终被带电集板吸附捕捉。

图5 电凝并实现原理图

该装置电凝并的实现与传统电凝并的差异主要体现在以下几方面：

1）电离区结构不同。相比圆形线电晕极，芒刺（针尖）线电晕极能产生较强的电晕电流（即电离出的高能电子团向阴极移动产生的电流）与离子风，在芒刺（针尖）正对的延长线上电风速可达2 m/s 以上，这将有利于微细粉尘的收集[5]。传统电凝并技术采用的是芒刺结构使粉尘带上异性电荷，进风气流垂直针尖方向，芒刺针尖根部电场强度较弱，粉尘荷电不充分，芒刺针尖顶部上方荷电受场强衰减距离受限。该电凝并静电增强过滤装置采用的是进风气流平行于针尖方向，且针尖前段采用方形网格作为负极，使进风截面电场强度均匀，无场强薄弱区域，荷电更加均匀。针尖直径小于等于1 mm 时，放电能量密度有所提高但是幅度不大[6]，在保证电场强度的情况下增大极间间距，电场强度随相邻针尖间距增大总体呈下降趋势，在12～22 mm 区间变化不大，随电极间距增大而减小，在32 mm 时达到最大值[7]。最终确定针尖直径为1 mm，网格长度为22 mm（如图6 所示）。

2）凝并实现方式不同。传统凝并技术的实现是使异极性粉尘在交变电场（或直流电场）中不断凝并，凝并后无再次荷电，凝并后的粉尘容易正负电荷中和，影响集尘区的吸附效果。该电凝并静电增强过滤装置先让粉尘粒子经过正电晕区，使其带上正电荷，再次经过负电晕区，使粉尘在凝并后再次荷电，既实现了电凝并，又使粉尘凝并后荷电充分，提高了静电增强过滤装置整体过滤效果。

图6 方形网格负极

3）凝并区路程短。提高电凝并速率是研究的重点与难题，传统电凝并净化是通过增大凝并区长度及凝并时间来提升电凝并效果，导致净化装置尺寸较大。此外通过降低粉尘风速来提高凝并效果，导致净化装置工作效率较低。该电凝并静电增强过滤装置摒弃传统凝并区，使粉尘直接在荷电过程中凝并，因此体积更小，工作效率更高。

3 新型电凝并静电增强过滤装置测试效果及结构优化

依据GB/T 34012-2017《通风系统用空气净化装置》的要求，对新型电凝并静电增强过滤装置的阻力，PM2.5 净化效率，臭氧浓度增加量和功率等性能指标进行了测试，结果如表1 所示。

工况1：电离荷电区、集尘区、电凝并区均通电，反映的是装置的整体性能。

工况2：电离荷电区、集尘区均通电，电凝并区不通电。

工况3：电凝并区、集尘区均通电，电离荷电区不通电。

表1 静电增强过滤装置检测结果

从表1 测试数据分析，工况2 和工况3 都相当于取消了电凝并效应，其PM2.5 净化效率相对于工况1分别下降了4.5%和12.3%，表明工况1 电凝并效应明显的提升PM2.5 净化效率。

在图4 装置上进行结构优化（图7）：

1）电晕极分布：调节负针尖指向，由原来指向正电离区更改为指向集尘区。正、负高压针尖错位，使正电离与负电离间隔排列。

2）集尘区优化：根据集尘区电压与集尘区间距（mm）比值和集尘区上所施加高压数值，重新确定集尘区间距大小。

图7 新型电凝并静电增强过滤装置结构优化设计图

从测试结果（表2）分析PM2.5 净化效率有提高了2.2%。

表2 新型电凝并静电增强过滤装置测试结果

由图8 可得，对于150 nm 以下颗粒物有明显凝并效果。

图8 凝并效果图

4 结论

文章通过对静电凝并的理论知识研究与实验测试，提出正高压电离、负高压凝并、正高压集尘结构的静电凝并装置，通过实验不断优化装置结构，最终设计一款体积小、风阻低、能效高的电凝并静电增强过滤装置，通过使纳米级颗粒物凝并聚集成较大颗粒物提高了静电除尘器的净化效果。对研究异极性荷电粉尘的凝并效果具有重要意义。