细烟尘脉冲电晕净化实验研究*

吴娜娜 孙少锋 付思雨 罗开阳 易高翔 唐小妹 常玉锋 石零

（1.工业烟尘污染控制湖北省重点实验室（江汉大学），武汉 430056；2.江汉大学 环境与健康学院，武汉 430056；3.中国安全生产科学研究院，北京 100012）

0 引言

细颗粒物主要来源于污染源的直接排放和大气环境中的二次转化，因其粒径小，在大气环境中传输距离远，对大气环境质量有重要影响，控制细颗粒物的排放成为改善大气环境质量的关键所在。

脉冲电晕等离子体具有显著的电化学特性，在细颗粒物和气体污染物排放控制方面的应用受到关注。骆仲泱等［1］采用静电低压撞击（ELPI）法，分别给直流和脉冲电场中的单个颗粒平均荷电量，表明脉冲电晕电场下粉尘的荷电量较高。王成福［2］对0.05~6.5m的细颗粒物凝聚研究，得到了凝并效率与脉冲峰值、重复频率成正比，与初始浓度成反比的结论，而SHAHBAZNEZHAD M等［3］则给出了液体气溶胶粒子凝聚的影像方法实验优化结果。NAIR S A等［4］通过对121个化学反应和20个物种的脉冲电晕技术去除的化学动力学研究分析，给出了有机气溶胶粒子氧化去除的反应路径。因脉冲电晕场中气溶胶粒子的净化与脉冲电压峰值、脉冲频率等参数十分密切，SABER K［5］对正电晕脉冲放电的反应器进行了电路等效的变量遗忘系数的回归拟合法的电源效率与应用峰值电压间的关系研究，而LIU Y等［6］通过线-板式脉冲晕场的正电晕放电的脉冲电流进行了二维数值模拟研究。尽管静电场对粒子的净化有高效、低耗的优点，但也有产生臭氧的缺点，为了能全面地运用这种技术，ZHU Y等［7］对电场的臭氧的产生给出了模拟和实验结果。石零等［8］通过V-I实验值，给了不同电晕极下静电场的电流面密度的分析结果。GUO Y S等［9］则从脉冲电晕放电、粒子荷电去除、脉冲能量化、分级效率诸方面较全面地对脉冲电晕作用下的细颗粒物去除进行了分析。

1 原理及实验

1.1 实验原理

细颗粒物在电场中的去除过程包含：粒子荷电、荷电粒子电场力作用下的运动、荷电粒子被收集等过程。脉冲场的峰值功率与电压、电流、频率等参数间的关系用式（1）和式（2）表示：

式中，Pmax为电源功率，W；Umax为电源峰值输出电压，V；Imax为峰值回路电流，A；f为脉冲重复频率，Hz；a为占空比。

1.2 实验装置及实验仪器

研究采用长度为450 mm，直径为0.1 mm的不锈钢丝作电晕极，内径为24 mm的不锈钢管作收尘极，构造了线-管实验除尘器。实验系统由电源部分、模拟气溶胶发生部分、测量部分和反应器等4个部分组成，实验系统如图1所示。

使用市售可燃式蚊香作为尘源，其粒径分布如图2所示，对不同脉冲电压，脉冲频率和脉冲宽度下的细颗粒物的净化效率进行了研究。

图3给出了构建除尘器下的峰值电压和对应的电流间的关系，图中max-max曲线显示了所测电压段区别恒流直流电晕下的伏安特性曲线和半经验公式Townsend’s方程所表达的二次函数关系，峰值下maxmax呈线性关系。顺便指出，高频域短脉冲电流的测量非常困难，本文的测量采用了基于PearsonR电流互感器+存储示波器方案，受示波器的时域扫描工作原理所限［10］，平行测量并非完全重合但测量所描述的趋势不变。图4给出的是实验单脉冲的电压和电流关系。

2 结果与讨论

在脉冲频率100～300 Hz，峰值电压6.0 kV时，粒径为0.3m的去除效率与脉冲宽度间的关系如图5所示，图中数据显示，0.3m的烟尘净化效率高达99.5%以上，脉冲频率和电压不变时，除尘效率随脉冲宽度的增加有所增加，高脉冲频率，除尘效率随脉冲宽度的增加更加明显。脉冲宽度增加，荷电粒子受到的电场作用时间更长，荷电粒子的加速时间变长，进而效率提高了。

脉冲频率范围不变，峰值脉冲电压分别为7.5 kV和9.0 kV时，效率与脉冲宽度间的关系如图6所示。图6显示的效率与脉宽间的实验曲线区别于图5中所给关系，呈现的是效率随脉宽的增加而下降，300 Hz时的效率下降得比100 Hz和200 Hz时更加显著。

图6中还显示，脉宽相同时，高频下的效率低于低频下的效率，这种变化趋势与电功率增加效率增加的直观理解相反。其原因可能是：①在高频时，可能强化了细颗粒的凝聚效应，使细颗粒的粒径增大，而图6中给出的仅是对单一粒径（0.3m）的效率；②尽管高频脉冲电压向电场空间注入比低频下更多的能量，能提供较多的离子使粒子荷电，根据文献［9］在每个脉冲的上升前沿在微秒以下时，电晕放电产生的高能粒子在电晕区密度增加，同时，O2在强电场作用下，有主要存在于电晕区的e+O2→O+O+e［10］反应发生，反应进行程度与电场强度线性相关，而每个周期内的高场强恰恰是微纳级的脉冲前沿，于是高频脉冲电压向电场空间注入的能量，贡献给了O2分解和O3的形成。所以细颗粒并没有增加荷电率，进而导致效率降低；而电晕外区的电子、正/负离子密度减少［10-11］；③高频带来的是电晕区内局部的活性基团的密度增加，电晕区外的空间电荷的密度没有增加荷电粒子的驱进速度和粒子的扩散荷电量。

对比图5、图6发现，在7.5 kV和9.0 kV时除尘效率是随脉冲宽度的增加而下降的，不同于6.0 kV下的规律。分析原因在于，6.0 kV时的电晕极仅处于电晕放电初始状态（后面图7显示的臭氧浓度变化能加以说明），粒子没有电晕放电荷电和在两极间基压电场下运动。根据公式（2）按能量的观点，在7.5 kV和9.0 kV电压下脉冲频率增加时，除尘效率下降的原因可能是，起晕后仅在电极局部（电晕区）激发电离空气，形成高密度电子、活性基。这些电子和活性基所形成的离子风在脉冲结束前，没有运动到电晕外区，同时，在电晕区内存在的反应e+O2→O+O+e消耗了高压和高频率带来的能量增加，使臭氧（O3）的生成量增加，可能是这两方面的原因使除尘效率在电压增加、频率增加时效率下降。

图7分别给出了在7.5 kV和6.0 kV的峰值脉冲电压下，频率在100～300Hz时臭氧与脉宽间的关系曲线。图7显示，脉宽增加臭氧产生量增加，这种趋势在高频条件下更为明显。由此可以进一步解释图6中的除尘效率与脉宽间的变化趋势。

图5—图7均表明，在电压不变时，脉冲宽度和频率对除尘效率及臭氧浓度影响中，脉冲频率具有的影响更大。根据占空比、频率和脉宽间的关系

将式（3）代入式（2），可得

式中，Pmax为电源功率，W；Umax为电源峰值输出电压，V；Imax为峰值回路电流，A；f为脉冲重复频率，Hz；w为脉冲宽度，s；T为周期，s。

从式（4）可知，脉冲电源的平均功率是脉冲频率的二次函数，存在极值。而粉尘的去除和臭氧的产生均是基于消耗电源输出功的电晕放电的。于是，脉冲频率是影响除尘效率和臭氧产生的重要参数。

图8较全面地给出了脉冲电压、频率和脉宽对除尘效率的影响。从图8中可知，超细烟尘的去除效率在频率为300 Hz、脉宽为30s、脉冲电压为7.5 kV时最优，其原因可从式（4）给予相应的解释。

3 总结

1）脉冲电晕场下，超细烟尘去除效率可达99.9%。

2）在脉冲电晕条件下，电晕放电的脉冲频率对超细烟尘的去除效率影响最大。

3）电晕放电产生的O3消耗了部分能量供给，会使超细烟尘的去除效率降低。