電除塵技術研究進展＊

許志鵬，陸從相，蘇雯

（鹽城工業職業技術學院汽車與交通學院，江蘇鹽城 224000）

目前，中國顆粒粉塵污染形勢嚴峻，很多城市存在顆粒粉塵濃度超標的問題。中國華北、江淮、江南等中東部區域均出現嚴重的霧霾天氣，主要原因就是城市環境中的PM10（顆粒物的空氣動力學當量直徑小于等于10 μm），尤其是PM2.5（顆粒物的空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm）的含量過高所致[1]。由于微細塵粒粒徑較小、比表面積較大，有毒有害物質可以在其表面富集，而且可以長期漂浮在大氣中，因此，嚴重影響城市的空氣質量、大氣能見度、溫度，嚴重危害人類的身體健康[2-3]。國際癌癥研究機構研究結果表明，大氣污染“對人類致癌”，大氣污染物是主要的環境致癌物；長時間生活在污染空氣環境中，患肺癌的風險會大幅度增加[4]。流行病學研究結果顯示，微細塵粒會對人體呼吸系統、免疫系統、生殖系統和遺傳系統等系統造成嚴重影響，誘發多種身體疾病[5]。微細塵粒、SO2和CO2等大氣污染物還會造成酸雨污染、氣候變暖和臭氧層破壞等環境問題[6]。大氣環境是人類賴以生存和發展的寶貴資源，其質量影響城市的生態系統和人類的生活質量[7]。因此，保護大氣環境，控制粉塵和廢氣污染，已經刻不容緩[8]。

燃煤、工業生產、機動車、揚塵等是當前中國大部分城市環境空氣中顆粒物的主要污染來源，占85%～90%。據統計，由燃煤生成的懸浮顆粒物占空氣中總懸浮顆粒物（顆粒物的空氣動力學當量直徑小于等于100 μm）的33%，微細顆粒物占其中的35%[9]。

中國是一個煤炭生產和消費大國，煤炭消費占一次能源消費比例大，大氣環境污染以煤煙型為主[10]。盡管國家采取多種措施優化能源結構，提高能源使用效率，建設綠色健康的現代能源體系，但是在短期內，中國的能源消費格局依然是以煤炭為主，煤炭的主體地位仍然無法替代。據測算，今后一段時期，盡管煤炭消費量的年均增速將會略有降低，但煤炭消費總量占能源消費總量的比例仍超過60%。

由于傳統電除塵器電場中產生的離子濃度不高，塵粒驅進速度低，微細塵粒荷電、碰撞和凝并概率低，導致微細塵粒的收集效率低[11]。因此，現有的新老電除塵器將面臨升級和改造，提高收塵效率，特別是微細塵粒的捕集效率，已成為眾多學者努力的焦點。

1 靜電除塵器概況

靜電除塵器是利用高壓電場使塵粒荷電、遷移、沉積、分離的一種除塵裝置。與機械式、濕式和過濾式等類型除塵器相比，由于ESP 具有捕集效率較高、壓力損失較小、處理煙氣流量較大、可處理具有腐蝕性的煙氣和一次性投資相對較低等優點，因此，ESP可以廣泛應用在各個工業領域[12]。ESP 最典型的類型主要分為2 種，即單區式電除塵器和雙區式電除塵器。單區式ESP 可以在同一區域實現塵粒的荷電與捕集，而雙區式ESP則需在2 個區域完成塵粒的荷電與捕集。單區式ESP 主要分為線管式ESP 和線板式ESP，其集塵板分別為長圓筒形和長方形平面[13]，如圖1、圖2 所示。

圖1 線管式ESP

圖2 線板式ESP

雙區式ESP 收塵過程為：當含塵煙氣流經荷電區時，塵粒荷電，而后進入收塵區進行捕集，凈化后的煙氣直接排出，示意圖如圖3 所示。

圖3 雙區式ESP

上述ESP 放電電場中產生的離子濃度低，粉塵荷電凝并概率低，導致其對微細粉塵捕集的效率低下。而電凝并技術可以使小塵粒碰撞凝聚為大塵粒，有效提高微細塵粒的收集效率，受到世界各國學者的廣泛關注，因此，電凝并捕集微細塵粒技術已成為研究熱點之一。

2 塵粒荷電凝并技術研究進展

電除塵器電場中塵粒的初始濃度、塵粒粒徑分布、電荷分布、電場工作電壓以及流場特性等因素會直接影響電凝并的效果。關于電凝并的主要研究方向為正負荷電塵粒的庫侖凝并、同極性荷電塵粒或正負荷電塵粒在恒定電場中凝并、同極性荷電塵粒或正負荷電塵粒在交變電場中的凝并。20 世紀60 年代，氣溶膠科學的奠基人Fuchs 通過研究得到帶電顆粒碰撞頻率的計算公式。20 世紀80 年代，Masuda 等通過加載直流高壓窄脈沖電場，開展同極性粒子荷電凝并試驗研究，提高了高比電阻煙塵的收集效率。20 世紀90 年代，Loyalka 等改進了靜電凝并方程式。Eliasson 等通過三區式電除塵器的試驗研究發現，中性粒子的熱凝并速率比對稱異極性荷電亞微米粒子的電凝并速率低2～4 個數量級，異極性荷電塵粒庫侖凝并ESP 示意圖如圖4 所示。Koizumi 等通過理論研究得出，中性塵粒的凝并速率也低于同極性荷電亞微米塵粒的凝并速率，如圖5 所示。在凝并區加載電場力可以提高凝并效率，進而提高亞微米塵粒的收集效率。

圖4 異極性荷電塵粒庫侖凝并ESP

圖5 同極性荷電塵粒交變凝并ESP

上述研究表明，電凝并技術能提高微細塵粒的凝并效果和捕集效果，但在電除塵裝置中另設荷電凝并裝置，從本質上講是變相增加電除塵電場的級數，難以從根本上解決微細塵粒電捕集效果差和除塵器本體體積龐大的問題。針對這一問題，白希堯等人提出橫向極板ESP，將集塵板迎氣流方向垂直布置，將風速轉變為有利于捕集塵粒的條件，塵粒的驅進速度得到大幅度提高。陳祖云等人采用類似極板結構進行電除塵試驗研究，結果表明，橫向極板ESP 能提高塵粒的驅進速度，提高微細粉塵荷電、碰撞和凝并的概率。在前人研究的基礎上，依成武等人進一步提出渦旋電除塵技術。由于渦旋型電除塵器（VEP）可實現在同一區域完成塵粒荷電、極化、碰撞、凝并和收塵的作用全過程，因此，它有效提高了微細塵粒的收集效果，實現了VEP 體積的大幅度減小，是一種極具應用潛力的新型電除塵器。

3 現有電除塵器存在的主要問題及解決路徑

現有ESP 集塵板往往是平行氣流方向放置，難以提高微細塵粒的捕集效率，主要原因是：①放電電場中產生的離子濃度值不高，為每立方厘米106～107，微細塵粒的荷電凝并概率低；②集塵板平行氣流方向放置，離子輸運項低，不利于塵粒的捕集，荷電塵粒的驅進速度不高，僅為0.03～0.20 m/s；③現有電除塵器為提高塵粒的捕集效率，通常采用多級電場或者在除塵裝置前端加裝預荷電裝置，這種方法對提高微細塵粒的捕集效果有限，同時大幅度加大了ESP 本體的體積，加大了一次性投資。要提高微細塵粒的收塵效率，解決傳統ESP 存在的離子濃度不高、塵粒荷電凝并概率低、體積龐大和一次性投資高等問題，就需要開發高效實用的微細塵粒捕集新技術，進一步深化除塵理論研究，同時進行微細塵粒捕集方面的模擬分析和試驗研究。高效捕集微細塵粒的方法主要分為以下3 類。

第一類是提高電場中產生的離子濃度，增加塵粒的荷電量。主要通過增加電場個數增大收塵器體積，使用高壓脈沖電源增加電場注入功率密度，采用預荷電和改變極配形式等方法給微細塵粒以足夠的荷電量。

第二類是使微細塵粒凝聚長大，再用靜電收塵器收集。主要利用電、湍流、蒸汽相變、磁、熱、化學、聲和光等凝并技術，使小塵粒相互碰撞凝聚成大塵粒。

第三類是靜電與其他方式結合的方式。例如靜電增強旋風分離器、電袋復合除塵器和靜電增強顆粒層除塵器等。由于電凝并技術能有效提高微細塵粒的凝并效果和捕集效果，因此成為研究熱點之一。但是在電除塵裝置中另設荷電凝并裝置，從本質上講是變相增加電除塵電場的級數，難以從根本上解決微細塵粒電捕集效果差和除塵器本體體積龐大的問題。

4 結論

在前人研究的基礎上，由于VEP 可實現單區式高效捕集微細塵粒，因此，VEP 的體積大幅度減小，是一種極具應用潛力的新型電除塵器。然而，渦旋電除塵技術作為一種新型的除塵技術，有很多關鍵問題需要做進一步研究。現有的收塵效率理論計算模型主要是針對傳統ESP 建立的，雖然可以成功分析電除塵過程中的一些非Deustch 現象，但是其并不適用于分析帶電粒子在VEP 內的運動規律，目前尚無比較準確實用的電凝并收塵效率理論計算模型。為完善渦旋電除塵理論，需要對模型進行計算求解，分析VEP 內部流場特性和塵粒的運動特性，揭示荷電粒子的凝并規律和收塵規律。為系統分析VEP 收塵性能，需要對VEP的離子輸運特性進行理論分析及試驗研究，系統分析VEP 的運行參數。圍繞這些關鍵問題，完善VEP 理論體系，優化VEP 運行參數，全面了解VEP 的技術特性，為VEP 的工業示范試驗提供技術支撐。