多层静电丝网对于亚微米颗粒捕集效果的研究

陈奕行,孙 在,熊启航

(中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

大气中PM2.5污染问题被人们广泛关注,但是对更细小的亚微米颗粒(PM1.0)和超细微米颗粒(PM0.1)仍然缺乏足够的研究。研究表明,PM2.5质量占大气颗粒的50%～90%,而其中PM1.0占20%～60%[1]。从颗粒数浓度的角度来看,PM1.0在城市大气中可占PM2.5数浓度的98%以上,而PM0.1的数量可占到PM1.0的76%。

针对颗粒物的捕集手段主要是纤维过滤和静电集尘。纤维过滤器存在使用价格高、寿命短以及风阻高的问题,静电过滤器克服了这一缺点。由于亚微米颗粒物的粉尘电阻特性和荷电能力的差异,传统的干式静电除尘器对亚微米颗粒物的捕集效率往往不足90%,效果并不是很好[2-3]。

金属纤维过滤器综合了两者的优点,对于亚微米颗粒有着较好的捕集作用,同时过滤器压降低于传统过纤维滤器,且可以反复使用[4-7]。本文使用多层的不锈钢金属丝网作为集尘级,测量了针-网式多层静电丝网在亚微米范围内的全粒径分级效率(10～1 000 nm),旨在探讨放电电压、丝网层数、颗粒粒径对静电丝网捕集效率的影响。

1 实验装置与方法

本实验设计了一种静电丝网过滤装置。该装置结构如图1,由放电极阵列和接地的集尘丝网组成,这样的针网结构能够以较小的电压获得较高的荷电效率[8]。集尘丝网为一个或多个串联的不锈钢金属丝网。放电极焊接在40目丝网上形成阵列并指向气流方向,集尘丝网垂直于气流方向放置。金属丝网的孔径只有几十到几百微米。

图1 静电丝网电场结构Figure 1 Structure of the electric field about electrostatic mesh

本实验采用的放电极阵列由25根(5×5)长度L=14 mm的针电极(镀铬钢针,针尖曲率半径为r=0.045±0.009 mm)组成。通过显微照片挑选合适的针电极,保证电极尖端无毛刺无缺陷。图2为典型的放电极显微图像。针电极焊接在150 mm×150 mm的40目金属丝网上。集尘丝网为150 mm×150 mm不锈钢编织丝网,具体参数如表1。针电极与第一层集尘丝网的间距为2 cm。集尘丝网接地,并在放电极上施加负高压,施加的电压范围在-8～-26 kV。采用高压衰减棒(HVP-40)配合高精度万用表(UT61E)对电场两端电压进行监测,使用耐高压微安表(吉佳SWB-Ⅳ)与电场串联测量放电电流。

表1 金属丝网参数

图2 放电极显微图像Figure 2 Microscopic image of discharge electrode

此外,风速对于静电丝网捕集性能的影响较为明显,为了尽可能的减少径向速度梯度造成的静电丝网上过滤不均匀现象,同时为了降低风机上游正常轴向流动中的旋流生长对静电丝网下游采样管处游流场的影响,在静电丝网上游和风机上游均装设了蜂窝整流器。

本实验中颗粒数浓度测量仪器为扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪(SMPS,TSI 3938),通过切换采样管路分时测量静电丝网上下游的粒径谱。下游采样点位置距离最后一层丝网20 cm。采用环境大气为颗粒源,图3为所采用的大气尘源两种典型的粒径分布。这两种粒径分布对于粒径分级效率影响微弱,使用同一个粒径分级效率复算不同粒径分布下的总效率发现其代数差最大不超过4%。为了保证尘源颗粒数浓度的稳定性,筛选采用连续两组数据入口数浓度波动不超过5%的数据用于计算。

图3 入口颗粒粒径分布Figure 3 Inlet particle size distribution

本实验中着重探究负电晕放电条件下静电丝网对亚微米颗粒的总捕集效率以及对亚微米范围内颗粒的粒径分级效率。

总捕集效率用式(1)来表示:

(1)

式(1)中:η为静电丝网的捕集效率;dp是颗粒的粒径,nm;Nout(dp)为静电丝网下游测得的某粒径颗粒的数浓度,#/m3;Nin(dp)是静电丝网上游测得的某粒径颗粒的数浓度,#/m3。

粒径分级效率则通过式(2)来表示:

2) 从水位变化看，最大吃水还需考虑航道枯水期限制当前京杭运河枯水期低水位通常处于苏北段6—9月，是农田灌溉所致。按照苏北运河维护标准，当最低通航水位6 m时，即至少4 m水深是航道的实际深度，其余2 m为河底高程，可计算出淮安船闸以下近年来最低水位5.2 m时的水深是3.2 m，此为水深的限值条件。对适航苏北段总长90 m的集装箱船而言，满载最大吃水为3.6 m，为防止在枯水期发生搁浅事故，建议减载通航。

(2)

式(2)中:η(dp)是静电丝网对于某粒径颗粒的捕集效率。

2 实验结果

2.1 放电特性

如图4,不同层数电晕电流与放电电压的变化趋势保持一致,电流与电压的二次方成正比,满足汤森关系式。但是在电压高于20 kV时,电流值出现较明显的差距。随着电压的增高,不同层数接地丝网的电晕电流值差距增大。增加电网层数对提高电流更加明显,电压较低时(8～16 kV),增加电网层数电晕电流几乎没有提高。同样的,从图中也可以看出,减小接地丝网孔径也有助于提高电晕电流。

图4 多层静电丝网伏安特性Figure 4 Voltage and current characteristics of multilayer electrostatic mesh

2.2 机械捕集效率

未施加电场时,丝网对颗粒的物的捕集主要依靠扩散、惯性、拦截机理。扩散作用是颗粒物由于自身的布朗运动脱离流线撞击到纤维并沉积下来,主要为PM0.1的捕集机理。拦截作用则为流线距纤维表面的距离小于沿流线运动的颗粒的直径,此时颗粒在范德华力的作用下沉积,是100～1 000 nm颗粒的主要捕获机理。惯性作用为颗粒在跟随流线拐弯时由于惯性的存在脱离流线沉积到纤维上的过程,是300～1 000 nm颗粒的有效捕获机制[9]。

仅依靠上述捕集机理的过滤效率为机械捕集效率ηm。在未施加电压的情况下,比较接地丝网上下游的浓度,进而求得丝网对亚微米颗粒物的机械过滤性能。如表2所示,不同层数接地丝网的机械捕集效率均在零点上下波动,并没有随层数产生规律性地变化。测试中,机械过滤效率实验中有出现负效率,这是由于入口浓度的波动造成的。

表2 静电丝网机械过滤效率

2.3 接地丝网层数对捕集效率的影响

对比2.2中的机械捕集效率,从图5中可以看出施加电压后静电丝网的捕集效率得到显著增强。这表明颗粒在电场中荷电并向异极性的集尘丝网迁移,沉积的静电作用才是静电丝网的主要捕集机理。在施加电压的情况下,多层电网对于PM1.0的计数总效率如图5。从图中可以看到,相同电压下,单层和双层静电丝网对PM1.0的捕集效率相近,仅在电压为16～24 kV时有略微的提升。而在层数达到4层或8层时,各电压下的捕集效率难以随丝网层数显著提高。存在一个临界层数,当超过临界层数时,捕集效率难以明显提高,这个层数对于40目和80目丝网来说是8层,对于60目丝网来说是4层。在本实验中,不同目数多层静电丝网的最大计数总效率分别为76.29%(40目12层,26 kV)、83.49%(60目8层,20 kV)、95.29%(80目12层,22 kV)。

图5 多层静电丝网不同电压下的捕集效率Figure 5 Collection efficiency of multi-layer electrostatic mesh under different voltages

还可以看到,增加丝网层数改变了捕集效率随电压变化的趋势。当集尘丝网为单层时,其捕集效率随电压的增大几乎呈线性增长趋势,因此其最高效率在最高工作电压26 kV时取得。集尘丝网层数高于两层时,捕集效率随电压的增长趋势发生明显的改变,其增长率在电压高于22 kV(平均电场强度约11 kV/cm)时逐渐降低,甚至在60目和80目集尘丝网条件下出现了负增长,此时曲线更接近于传统的线板式静电除尘器。

在传统线板式电除尘器中,随着电压的增高,电流体(Electro-hydro Dynamics,简称EHD)逐渐干扰流场并形成涡流。涡流中的颗粒不容易被捕集,同时部分颗粒被涡流加速更快地逃逸出电除尘器[10-11]。因此在电压较高时,捕集效率随电压难以再增加。但是在针网式结构中,因为受到下游多层的集尘丝网衰减,产生于针-网之间的涡对于后层的丝网捕集性能不可能产生太大影响[12-13]。因此,可能的原因是电压进一步升高达到20 kV时,负电荷在漂移区内大量累积,削弱了原电场,使得放电区域内总体场强减少,以致降低了颗粒的电量,反而导致了静电丝网的捕集效率的降低[10]。同样的原因也可以解释针网式EHD空气泵的空气效率拐点[14]。

单层针-网结构实际上也是一个EHD空气泵,第二层丝网则处于EHD最强烈的区域,因此较大风速导致第二层集尘丝网难以有效地捕集颗粒。随着气流中的带电粒子在下游丝网上放电,EHD随层数逐渐衰减,对于捕集效率的影响减小。

从图5中可以看到,各目数单层静电丝网在不同电压下的捕集效率几乎没有差异。随着层数的增加,集尘丝网孔径对捕集效率的影响逐渐显现。静电丝网层数达到临界层数时其捕集效率达到上限,该上限受集尘丝网孔径制约。孔径越小(目数越高),其上限也越高。因此孔径较小的多层静电丝网对于低电压时的捕集效率提升更为显著。

颗粒在各层接地丝网沉积分布如图6所示。从图中可以看到,在大部分情况下,第一层集尘丝网捕集的亚微米颗粒多于其他层的丝网。甚至在40目多层电网中,第一层捕集的颗粒多于第2～8层捕集的颗粒总和。随着电压的降低,2～8层的捕集占比均得到提高。综合总捕集效率和丝网维护周期,采用16～20 kV电压为更优的选择。

图6 不同电压下各层静电丝网捕集颗粒占比Figure 6 Percentage of particles captured by each layer of Electrostatic Mesh under different voltages

2.4 粒径对捕集性能的影响

粒径对于多层静电丝网捕集性能的影响如图7。图7表明,多层静电丝网对于11.5 nm的颗粒捕集效率明显低于15.4 nm的颗粒。一种可能是沉积在电极上的纳米颗粒在静电作用下重新悬浮,另一种则为过滤器中生成了更多粒径在11.5 nm左右的颗粒。事实上,直流电晕放电时,会诱导气态分子凝结为成核模态(粒径<10 nm)颗粒[15-16]。这部分颗粒凝并或吸附到其他颗粒上形成更大的颗粒,因此造成捕集效率的下降。此外,这些颗粒为电中性,其向接地集尘丝网迁移的能力弱于电场中的负极性颗粒[17]。图7(a)中,电压达到8 kV时针电极刚好能够产生负电晕,成核模态的颗粒形成以及凝并增长,但是该电压下2层的静电丝网难以有效地捕集这些颗粒,因此出现了负效率。

静电丝网的粒径分级效率曲线基本成V型,在15.4～1 000 nm之间存在一个最易穿透的粒径(Most Penetrating Particle Size,简称MPPS),静电丝网对该粒径颗粒捕集能力最差。从图7(a)和(b)可以直观的看到,MPPS受电压变化影响较小。例如80目2层静电丝网不同电压下的MPPS仅在154 nm及其相邻的两个粒径段范围内变化,其放电电压为24 kV时在该范围内捕集效率相差最大仅为1.2%。这一差距小于上游颗粒自身浓度的波动程度,很难说明MPPS的变化是由于放电电压造成的。图8展示了不同层数和电压下的静电丝网最易穿透粒径,更加清晰地反映了MPPS受接地丝网层数的影响远高于放电电压。

图7 不同电压及层数下多层静电丝网粒径分级效率Figure 7 Size classification efficiency of multilayer electrostatic mesh under different voltages and number of layers

图8 不同电压及层数下最易穿透粒径Figure 8 The MPPS under different voltage and number of layers

在传统纤维过滤器中,MPPS实际上反映了扩散作用与拦截、惯性作用的占比,当过滤器结构更利于拦截和惯性作用占主导时,会捕集更多的100～1 000 nm颗粒,该段粒径的分级效率较高,因此MPPS向左移动。传统纤维过滤器的MPPS随过滤器厚度的增加而减小,这是由于更厚的纤维层加强了拦截和惯性作用[18-19]。对于多层静电丝网,由2.2可知,严格意义上的扩散、拦截、惯性作用微弱。但是因为电场力的存在,颗粒实际上运动到纤维附近某一范围内便能够通过静电作用迁移到金属纤维表面,电场增强了扩散、拦截和惯性作用。

在多层静电丝网结构中,尽管增加丝网层数,过滤器总厚度增加,但是其高达上百微米的孔径不足以使颗粒的拦截和惯性捕集作用占主导,更多地是依赖于静电作用和扩散作用。如图8,MPPS随层数增加总体呈上升趋势。但是对于80目丝网,在层数超过8层时,MPPS反而下降。这表明丝网增加到一定层数时,由于更为密集的丝网,拦截作用增强,同时增加了流线扰动的程度,惯性作用也被加强,因此较大颗粒(100～1 000 nm)更多地被静电丝网捕集,导致MPPS减小。

图9为静电丝网下游的粒径累积频率分布,某粒径对应的累积频率则为小于等于该粒径颗粒占总颗粒数的比重。图中的红色线段表示累积频率达到50%,此时对应的粒径则为中位粒径(CMD),即表示超过该粒径和低于该粒径的颗粒数一样。CMD能够反映出颗粒总体的粒径分布情况。

图9表明,随着层数增加,静电丝网下游超细微米颗粒占总颗粒数的比例减小。这说明捕集了更多的超细微米颗粒。在电场参数不变的情况下,颗粒的荷电量不发生改变,导致其更多地沉积在金属纤维上的原因只有多层的接地丝网增加了其通过扩散进入纤维附近的概率。

当丝网层数增加到一定时,这个趋势发生了改变。从图9中可以看出,当层数超过8层时,对于40目丝网11.5～64.9 nm颗粒的累积频率上升,而对于80目丝网,粒径大于100 nm以上颗粒的累积频率高于8层丝网。上述两个现象均表明当丝网层数达到8层时,下游颗粒中PM0.1占比降低。实际上反映了当丝网增加到一定层数时,拦截作用和惯性作用的占比逐渐升高。

图9 不同层数静电丝网下游颗粒粒径累积频率分布Figure 9 Cumulative frequency distribution of particle size downstream of electrostatic mesh with different layers

3 结 论

本文通过试验方法研究了放电电压、丝网层数、粒径对于静电丝网捕集效率的影响,探究了静电丝网最易穿透粒径(MPPS)的影响因素。

1) 多层金属丝网对PM1.0的机械捕集作用微弱。静电丝网主要依靠静电捕集机理。施加电压对于捕集效率的提高显著,捕集效率与放电电压成正相关。捕集效率同样与丝网层数成正相关,但是高于临界层数时,静电丝网对于亚微米级颗粒的捕集效率也难以再增长。该临界层数与静电丝网的孔径有关。

2) 静电丝网各层对于亚微米级颗粒的捕集性能不一致。第1层集尘丝网捕集占比最大,电压高于20 kV时,不低于50%。第2层丝网受EHD影响较大,捕集占比介于第1层和第3～4层之间。随着电压的降低第一层捕集占比逐渐减少,下游丝网捕集占比逐渐提高。综合捕集性能和丝网维护周期,放电电压16～20 kV较为合适。

3) 多层静电丝网的MPPS在118.7～405.2 nm之间,不受放电电压的影响,随丝网层数增加而增大。增加丝网层数,扩散作用增强,对于超细微米级颗粒有着更好的捕集作用。当层数增加到8层时,拦截作用和惯性作用对捕集效率的贡献逐渐重要,对于100～1 000 nm颗粒的捕集性能也得到了增强。