靜電除塵技術及其影響因素的發展現狀

翟美丹，米俊鋒，馬文鑫，杜勝男，楊爽

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中國昆侖工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000；3.遼河油田分公司供水公司，遼寧 盤錦 124010)

2020年兩會指出，煤在我國整體的能源消耗比例中約占50%以上[1]，煤燃燒產生的顆粒物是我國大氣污染粉塵產生的主要來源，也是造成空氣霧霾的主要原因。近年來，隨著我國城市化和工業化的不斷進步發展，大氣環境污染愈來愈嚴重，氣體污染物的排放問題受到了社會各界的廣泛關注[2]。2014年5月我國為了改善空氣質量問題，特實施了《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271—2014)，提高了鍋爐煙氣中煙塵、二氧化硫和氮氧化物排放濃度的標準，見表1。隨著國家對顆粒物的產生、超低排放和近零排放的要求，探索更高效、更節能、更環保的除塵技術已成為社會熱議的話題。

表1 大氣污染物排放限值

目前，常見的除塵器技術主要包括機械式除塵技術、濕式除塵技術、袋式除塵技術以及靜電除塵技術[3]。相較于其他幾種除塵技術，靜電除塵技術具有高效的除塵效率，有較好的發展及應用前景[4]，同時具有易操作、阻力小等的特點，是環境質量保證的關鍵技術之一，具有重要研究意義。

本文介紹了傳統靜電除塵技術、霧化靜電除塵技術方面的研究及其主要影響因素，表明了傳統靜電除塵技術在廣泛應用前仍存在一些問題，突出了霧化電暈放電靜電技術是未來發展的重要方向。除此之外，本文將對傳統、霧化除塵技術及其主要影響因素進行淺析，以期為探索更有效改善大氣環境污染，提高空氣質量的技術研究提供參考。

1 靜電除塵器的技術發展

20世紀60年代以來，隨著對環境質量的要求日益嚴格，各國都制定了粉塵的排放標準，因此，亟需高效的除塵技術來滿足排放要求。靜電除塵器是一種符合當前社會環保需求的除塵設備。但在其廣泛應用前仍存在一些不足的問題。

1.1 傳統靜電除塵技術的研究

靜電除塵技術的除塵原理是通過靜電場發生電極反應，使電暈放電，釋放出自由電子和離子，從而使塵粒上帶有相應的電子，最終被集塵板捕集通過振打清除。由于其除塵效果好，且易操作而受到各行業青睞。20世紀90年代以后，靜電除塵器在大煙氣量、鍋爐工廠、火力發電或工況較復雜的煙塵污染治理中廣泛應用。

電暈性能是影響靜電除塵器除塵效率的關鍵因素。Watanabe等[5]設計了一種新式靜電除塵器，結構劃分為荷電區-凝并區-收塵區的三區式除塵器并在交變電場中對顆粒進行了研究，實驗發現細顆粒物(直徑<1 μm)的濃度下降了20%，改變了靜電除塵器結構影響粉塵荷電達到提高除塵效率的目的。Huang[6]發現了靜電除塵器在煙塵顆粒物捕集方面還存在一定的局限性。Lu等[7]在只考慮擴散荷電小粒徑粒子情況下(0.1～5 μm)，通過數值模擬分析對粉塵荷電問題以及被捕集情況進行研究，發現了粒徑0.2～1 μm的粒子的捕集效率相對較低。1993年Kanazawa[8]研究雙極荷電作用后的粉塵在靜電場中會產生凝并效果，使微納米顆粒物的去除效率達到80%。2016年Feng等[9]設計了一種混合除塵器，通過在靜電除塵器上添增纖維過濾器，從而增加了對粉塵的捕集效率。2017年，依成武等[10]通過對改良型的雙渦旋極板電除塵器進行數值模擬分析(圖1)。結果表明，這種除塵器可以形成良好的渦旋氣流，降低板間距對于除塵效率的影響，從而提高設備的性能。

圖1 幾何模型FRONTF方向視圖

2020年，劉海弟等[11]研究了在靜電場后設置兩個電性相反的大孔隙金屬絲網收塵極的除塵新方法，見圖2，研究發現該方法可以獲得較好的除塵效果，改進后的設備除塵效率均可達到95%左右，對于油性粘性粉塵有一定的去除效果，但金屬絲網的清潔效率還需要進一步研究探討。

圖2 新型除塵裝置圖

綜上所述，傳統靜電除塵器對于顆粒物的脫除往往具有局限性，目前仍存在粘性及含油顆粒物的脫除困難的問題[12]，靜電除塵技術受電場力影響較大，對于粘性顆粒物具有選擇性，無法達到高效清潔定期更換。因此對高效率并且經濟實用便捷的靜電除塵器的研究就變得迫在眉睫[13]。

1.2 霧化靜電除塵技術的研究

18世紀Rose最早提出了靜電霧化現象。19世紀末，Rayleigh通過對霧化靜電機理進行深入的研究，提出了Rayleigh極限，即理論上荷電霧滴能夠保持穩定狀態的最大荷量的臨界條件。

霧化是在電場力的作用下，帶電水面受到的靜電作用力垂直于水面向外，隨著電場強度的增強，靜電力逐漸增大，水面穩定性逐漸降低，從而形成泰勒錐。由于霧化電暈放電技術可以增強相應的電場力，因此增加了水面的電荷密度，提高了水分子的極化程度，進而削弱了水面的表面張力。當電場強度到達某種強度時，細水絲逐漸增多，從而產生了霧化現象[14]，并且極易與顆粒物產生碰撞吸附，凝結沉降，最終實現降塵除塵[15](見圖3)。

在Xu[16]的實驗分析總結中發現，靜電除塵器對于不同特性的粉塵去除效率大有不同，普遍對于粘性粉塵的去除效率較低。在Xu[17]研究中表明了霧化電暈放電形成等離子體技術在去除粘性粉塵方面有獨特的優勢，不僅可以提升除塵效率，而且免清洗，大大延長了設備的使用壽命。

霧化靜電除塵技術可以提高粉塵的捕集效率，對于粘性粉塵的去除也有較好的促進作用；還可以隨時保持電極和集塵板的清潔，從而實現長期高效的靜電除塵。

2 靜電除塵技術的影響因素

影響靜電除塵性能的因素有很多，除了自然影響的粉塵特性及屬性，還包括流量、流速[18]、靜電除塵器的結構及運行參數。而現如今放電極的形式、溫度和陰極的材料對于除塵效率的影響也被研究人員逐漸重視，正在進一步的探索，以求提高除塵效率。

2.1 放電極形式

放電極形式一般包括圓線、鋸齒線、螺旋線等，表2總結了幾種不同放電形式的優缺點及適用情況[19]。

表2 不同形式的放電極性能比較[20-23]

良好的放電極形式應當具有起暈電壓低、放電電流大及其機械性能良好等特點。高溫下，放電電流增大，擊穿電壓減小，相較于可以承受更高工作電壓的圓線，鋸齒線、芒刺線則較易擊穿，所以高溫情況下圓線能擁有更好的除塵效果。

Xu等[21]研究了在300～900 K的溫度下，不同形式的放電極對電暈放電以及顆粒捕集的影響。研究發現使用鋸齒狀陰極時，放電電流較大，并且能夠提高除塵效率，特別是對于微小顆粒(直徑<0.1 μm)的除塵效果更好，在溫度為300 K時，鋸齒陰極可達到99.8%的除塵效率，此時放電極應選取鋸齒線；但在溫度達到700 K時，采用圓線電極除塵效果更好。

劉萬波等[19]在實驗中采用高壓電源系統、線-筒式電暈放電反應器，通過對COS轉化效率對圓線、鋸齒線和管狀芒刺線進行對比分析。實驗表明，鋸齒線、管狀芒刺線起暈電壓和擊穿電壓相對較低，在相同SIE條件下，使用鋸齒形極線對COS的轉換率略高于管狀芒刺線極線，但其差異不大，而圓線對于COS的轉換率則要遠大于二者。

Reguig等[22]通過改變電極形式來提高粉塵的去除效率，表明了芒刺極線的電極結構收塵效率高、顆粒分離度好。Jido[23]在錐形和環形組合電極下進行靜電霧化實驗，結果表明，組合情況下改變電極適當參數可以促進霧化，有利于顆粒物的捕集。

放電極形式對于除塵效率有重要影響，應結合優缺點和適應條件，從粉塵特性、放電特性、機械強度等方面考慮，選取最佳放電極形式，以達到最佳的除塵效果。

2.2 溫度

2.2.1 對放電伏安特性的影響 劉萬波等[19]實驗研究了50～250 ℃的不同溫度條件下的伏安特定曲線，起暈電壓和擊穿電壓會隨溫度的升高而降低，在電壓相同的情況下，溫度越高電流越大；實驗中顯示擊穿電壓下降的比起暈電壓快，導致操作電壓范圍降低，靜電除塵器的放電性能會造成影響。Bologa[24]在實驗中也證明了上述觀點。

許希等[25]實驗研究表明，隨著溫度的升高，相同電壓下的電流密度增大，但不同溫度下的電流密度浮動不大，在500 ℃時，電流密度最大值為 2.32 mA/m2；400 ℃時，其最小值為1.82 mA/m2。而除塵器最大操作電壓隨溫度的上升明顯降低，在400 ℃時，電壓的最大值可達21.9 kV；在700 ℃時，電壓的最小值僅為14.3 kV。

綜上所述，溫度升高會導致氣體分子劇烈運動，與高能電子的碰撞機率升高，使得相對自由電子數目增加，所以電流增大；溫度升高會使其放電電流增大，而相對應的可操作電壓范圍會受到限制從而影響除塵器的穩定運行。

2.2.2 對粉塵比電阻的影響 粉塵的比電阻會隨溫度的升高先增大后減小，最適合靜電除塵器運行的比電阻為104～1010Ω·cm[26]。

Mohanty等[27]實驗研究了不用溫度下對于粉塵比電阻的影響，結果分為三類。第一類：當溫度 <150 ℃ 時，粉塵比電阻受其成分及濕度的影響，此時粉塵比電阻隨溫度的升高而升高；第二類：當溫度為150～225 ℃時，傳導機制和體積傳導機制共同起作用，此時比電阻浮動不大；第三類：當溫度 >225 ℃ 時，粉塵比電阻沒有其他影響會隨溫度的升高而降低。

當粉塵比電阻較低時，其難以吸附在集塵板上，易再次回到電場，影響除塵器的除塵效率；當粉塵比電阻過高時，粉塵吸附在集塵板上從而形成粉塵層，進而影響設備運行[28]。為克服此類問題，一種方式是使用高頻脈沖電源技術，主要以窄脈沖(120 μm 及以下)電壓輸出為基本工作方式，具有節能、防止反電暈、除塵效率高等特點；另一種為了防止除塵效率受到影響而采用將高比電阻粉塵與低比電阻粉塵進行混合的方式。

2.2.3 對除塵效率的影響 沈之旸等[29]將實驗分為冷態實驗和熱態實驗，即分別測試常溫、高溫下除塵器顆粒物的捕集性能。在563，768，903，1 020 K的不同溫度下，相對應的除塵效率分別為93.3%，85.4%，78.7%，73.2%。研究表明，隨著溫度的升高，靜電除塵器的除塵效率和驅進速度都有較為明顯的降低。

米俊鋒等[14]實驗中表明霧化電暈放電電流將會大于傳統靜電除塵器的電流，其原因是在電場力的作用下，在放電極表面由于荷電形成多錐射流，改變了兩極間距，從而增大了放電電流，影響了設備的除塵效率。

綜上所述，隨著溫度的升高，放電伏安特性的變化對顆粒的靜電捕集有重要影響。煙氣的粘性會隨溫度的升高而逐漸增加，從而使得顆粒所受粘性增加，顆粒物的捕集效率逐漸降低。除此之外，高溫對于靜電除塵器的機械性能、強度及其穩定性都有一定的影響。靜電除塵器如何在高溫中穩定運行還需進一步研究。

2.3 放電極材料

放電極材料(陰極電極)應選取電導率大的材料。原因是由于電暈電流會隨電導率的增加而變大，從而正負離子的產生量增多，顆粒物之間的碰撞率增強，顆粒的荷質比也就越大。呂俊翔實驗表明在相同流量、溫度、直徑的情況下，不銹鋼的顆粒荷質比不及紫銅的顆粒荷質，所以紫銅的性能要優于不銹鋼，其相對應的電導率更大[30]。段曉勇等[31]采用了一種制備石墨烯和鐵氧化物復合材料的方法，在靜電場利用石墨烯表面的含氧官能團將Fe3+吸附到石墨烯上，同時探究不同的干燥處理方式(冷凍干燥和鼓風干燥)對石墨烯的影響，發現冷凍干燥使復合材料可以增強電化學性能。

除了選擇電導率更大的紫銅、銀或石墨烯作負極，一些研究學者將電極表面涂稀土金屬，研究其特性以及除塵效率，結果表明這樣也可以增加電導率，進而提高除塵效率[32]?，F如今，石墨烯是強度最大、導電導熱性能最優異、最薄的一種新型納米材料，在光、電、熱和力領域均具有突出的應用效果，在環保方面的應用是為了研究進步的新方向[33]；聚四氟乙烯(PTFE)膜具有優異的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、化學惰性和疏水性等特性(結構見圖4)，被廣泛用于紡織、化工、環保等領域。降低含油顆粒吸附在放電極板上，方便清潔的同時可以避免影響靜電場力，從而保障高效穩定的除塵效率[34]。

圖4 PDFE結構示意圖

面對日益嚴格的塵煙排放濃度要求和各國家對于除塵設備的需求程度。除了供電方式、除塵設備的結構及運行參數等實驗研究，對于陰極材料的探索更新，尋求新的科學技術手段，將是未來靜電除塵設備發展的重要方向。

3 討論

目前，我國靜電除塵技術處于發展階段，在保留其較高效率、阻力小、較低能耗的優勢基礎上，靜電除塵技術聯合霧化電暈放電手段顯著增強粘性或含油顆粒物的脫除效果，實現對粘性、含油粉塵的高效脫除。除此之外，放電極形式、溫度、放電極材料等都將影響顆粒物的除塵效率。

(1)在高溫高壓的條件下更適用于圓線；而芒刺線對于高濃度的粉塵，收塵效率較高。

(2)隨溫度的升高，分子運動變得更劇烈，引起電流、電壓的變化，其中起暈電壓、擊穿電壓均降低，電流密度升高；粉塵比電阻隨溫度升高先升高后降低，為了保證除塵效果穩定，采用高頻脈沖電源技術或高、低比電阻混合方案，提高除塵效率。

(3)對于陰極電極材料，電導率越大，電暈電流越大，相應的正負離子越多，與顆粒的碰撞效果越強，則除塵效率更佳。

隨著政策相關規定的陸續實施，我國的環境治理及其污染防治的執行標準逐步升級，靜電除塵技術亟需改進更新。不管對于傳統靜電除塵器還是霧化靜電除塵器，溫度、放電極形式及材料等因素都對其除塵效率、設備使用性能產生影響。單一的影響因素在實驗中較易找到其最佳的除塵效率，將各個影響因素協同作用，找到最佳組合方式，從而使其除塵效率最大化，將被寄予更大的期望。

4 結論

靜電除塵器的高效除塵效率是保障環境質量的關鍵，具有重要的研究意義。靜電除塵器技術的相關研究雖取得了相應的進展，但對于煙氣的選擇性、除塵效率仍存在一些問題。霧化電暈放電技術可以在靜電除塵技術的基礎上有效提高含油性或含水性粉塵、細小微粒的捕集除塵效率。并深入研究除塵技術相關機理，創新除塵設備的結構和參數，同時結合實際工程應用分析改進其可行性，霧化靜電除塵技術未來應用前景十分廣闊。此外，除塵技術的影響因素具有一定的耦合性，還需要進一步研究，以達到更好的社會和環境效益。