霧化電暈放電凈化粉塵顆粒物的研究進展

陳琪，夏詩楊

霧化電暈放電凈化粉塵顆粒物的研究進展

陳琪1，夏詩楊2*

（1. 中國昆侖工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000； 2. 遼寧石油化工大學 土木工程學院，遼寧 撫順 113001）

針對治理大氣中黏性細小粉塵顆粒，傳統靜電除塵技術捕集效率低，在技術、經濟上不能很好滿足要求，而霧化電暈放電技術作為新型電除塵技術具有效率高、免清洗、適用性廣、穩定性高等優勢。通過闡述霧化電暈放電技術機理，對霧化電暈放電在除塵領域中的研究現狀和應用成果進行綜述，并對該技術的成果進行總結。

粉塵顆粒物；靜電除塵；霧化電暈放電；研究應用

能源是人類生存和經濟發展的重要基礎［1］，在我國經濟高速發展時代下，大氣中工業、飲食業等排放的粉塵顆粒污染物與日俱增［2-4］。這些固體懸浮物的大量聚集產生霧霾效應，人們長期處于細小微粒粉塵環境下，容易引發塵肺病，造成呼吸道感染等疾病，嚴重威脅人類身體健康［5］，破環生態壞境。同時，粉塵顆粒物會破壞工業生產設備，減少其使用壽命，降低生產產品的質量，帶來經濟損害［6］。目前市面上常見的除塵器技術主要有靜電除塵技術、濕式除塵技術、機械式除塵技術、袋式除塵技術［7］。其中靜電除塵器因其效率高、適用性廣得到廣泛的應用［8］，隨著靜電除塵技術的發展和顆粒污染防治要求的提高，無論是干式還是濕式［9］靜電除塵器對亞微米級的細粉塵顆粒物或黏性粉塵難以實現有效的捕集［10］，達不到排放標準要求。霧化電暈放電除塵作為靜電除塵器的一種改進技術，能夠高效捕集去除亞微米顆粒物及黏性粉塵顆粒，彌補傳統靜電除塵器的不足，保證電除塵器的持久有效性，是一種極具前景、值得廣泛推廣應用的新型除塵技術［11］。

1 霧化電暈放電除塵技術機理

2003年許德玄教授等在國內首次提出接地極霧化電暈放電的新技術，并將霧化電暈放電技術應用于飲食業除塵及煙氣領域［8-10］，并對其機理進行了研究。霧化電暈放電除塵過程可分為放電極霧化、液滴荷電、捕集塵粒、極板清洗4個過程，其是在電暈放電裝置上進行放電極通入循環水，在非均勻高壓放電場內，通過電暈放電作用在曲率半徑較小的水電極表面附近產生很強的電場，導致水層面的電荷密度和水分子極化強度增加，水面逐漸不穩定發生擾動形成泰勒錐，產生電流體動力學霧化現象［12-14］，隨著外施電場增強，霧滴徑粒也隨之增大［15］。如圖1所示，霧化的液滴在電暈區內與負離子及自由電子發生高度荷電效應的同時，與煙氣中的粉塵顆粒發生碰撞，被吸附到液滴表面，經過靜電凝并與動力凝并的共同作用，高速沖擊極板形成集塵板水膜，有效地自清黏性粉塵并提高了粉塵顆粒去除效率。此外，接地極霧化電暈放電，利用放電極接地，集塵極懸空接高壓，有效解決了高壓絕緣問題[16-17]。

圖1 線電極表面泰勒錐分布

2 霧化電暈放電除塵與其他除塵的對比

超聲霧化除塵技術，是利用超聲作用力，將液體分子作用成微團，根據粉塵粒子只能和相同體積的水霧微團捕獲的原理，使水霧與粉塵凝結沉降，實現除塵效果，除塵率在95%以上［18］。但是根據實驗表明［19］，超聲霧化能夠形成小于10 μm的霧滴比例為76.8%，那么實際真正危害人體健康的PM2.5和PM10的細微粉塵捕集率要大打折扣。

靜電除塵器主要由電極、本體及電氣系統組成。其中電極分為放電極和集塵極，在電場力的作用下，電暈區內的正離子會向放電極靠近，負離子和自由電子向集塵極靠近［20］。所以對于放電極來說，需要較好的抗腐蝕性，且能容易做到低起暈電壓、高擊穿電壓，并需易清灰。集塵極則需要良好的物理強度和振蕩能力，同時也要易使電流密度和電場強度分布變得均勻［21］。靜電除塵器具有處理煙氣量大、除塵效率高、適應范圍廣、設備阻力低、形成二次污染物少等特點。但是由于微細顆粒物通過電暈區荷電量較低，較難到達收塵極，則難以被靜電除塵器所捕集，且微細顆粒物對人類健康傷害較大。還有因為集塵極附加粉塵過多而導致的粉塵荷電量減少，火花電壓降低，除塵效率下降等缺點［22］。

濕式靜電除塵器是讓粉塵從其存在的氣流中進入到另一種流體的裝置［23］。將水霧噴向電極和電暈區，水霧在放電極形成的電暈場內荷電，然后分裂霧化［24］，并將粉塵在電場力的作用下被捕集到集塵極。優勢相對于靜電除塵器來說，采用水清灰，無需利用振打裝置對集塵極進行振打，被水膜捕獲的粉塵可隨水直接排出，可避免集塵極粉塵過多造成的效率降低問題［25］。但是存在著耗水量大、大量廢水的處理較為麻煩、占地大、能耗高等問題［26］。

由上述可知靜電除塵具有效率高、能耗低等特點［27］，但在去除黏性粉塵時極板容易遭到黏結，導致除塵效率逐漸下降。當傳統靜電器和濕式除塵器相結合，通過對比傳統電除塵裝置，在放電極通入了循環水，在水的作用下，除塵裝置的放電效果及捕集效率將發生不同程度的變化。靜電旋風除塵器相比于旋風除塵器，利用設備中形成高壓電場，能夠捕集粒徑小于5 μm的粉塵。相比于靜電旋風除塵器，米俊鋒［28］等設計了接地極霧化電暈放電旋風除塵器，并將將接地極霧化電暈放電旋風除塵器與靜電旋風除塵器的放電特性、捕集效率、分割粒徑和對高比電阻的適應能力進行了對比，實驗結果得出在液體流量為80 mL·min-1時，可取得最佳除塵效果。此時接地極霧化電暈放電旋風除塵器相比于靜電旋風除塵器放電電流、除塵效率更大，且起暈電壓更小，因為霧化電暈放電兩極間形成的多錐射流縮減了兩極之間的距離，并增強了電離，進而增加了放電電流，使粉塵捕集更容易。當接地極霧化電暈放電旋風除塵器和靜電旋風除塵器和電壓一致時，接地極霧化電暈放電旋風除塵器分割粒徑較小，對高比電阻為2.6×1012cm的水泥粉塵，隨著工作時間延長，靜電旋風除塵器的除塵效率逐漸降低［29］，但是接地極霧化電暈放電旋風除塵器的除塵效率基本不變的原因主要是在線電極表面水膜形成的多錐射流不停地沖洗著集塵板，避免了粉塵返回氣流和反電暈的現象。并且米俊鋒在接地極霧化對電暈區影響的實驗中發現，接地極霧化電暈放電和傳統電暈放電相比，將低溫等離子區的體積擴大了將近一百倍，這是由于接地極霧化電暈放電比傳統電暈放電增加了水霧釋放這一變量，而大量的細小水滴在電暈區處于電暈放電的狀態，從而導致了等離子區體積的擴大［30］。

孫炳海［31］和郭治明［32］等進行模擬實驗，對比霧化負電暈放電與傳統干式負電暈放電去除煙氣中顆粒污染物的效果。傳統干式負電暈放電除塵，隨著時間越長，除塵效果越低，由于粉塵易黏附在除塵器的極線、極板上［33］。霧化負電暈放電的實驗結果表明，由于存在高度荷電液滴和荷電液滴對粉塵的靜電、動力凝并作用下，霧化負電暈放電比傳統負電暈放電的起暈電壓低，放電電流大，除塵效率高，自清洗效果好，因此霧化負電暈放電更適用于去除煙氣中的細小顆粒、黏性煙塵污染物。同時孫炳海［31］和王玉佳［34］等還表明霧化電暈放電除塵還具有良好的除臭功能。

3 霧化電暈放電與其余放電技術去除黏性粉塵的應用對比

餐飲業排放的油煙中含多種有毒有害物質，包含大量黏性的細小顆粒懸浮物。油煙顆粒物可分為可沉降顆粒、可吸入顆粒、氣體分子基團。其中可吸入顆粒粒徑在0.01～10 μm，容易誘發呼吸系統疾病，而氣體分子基團有多種有毒成分，對人體免疫功能有害［35］。傳統的靜電除塵技術對這種極具黏附性、疏水性的細小粉塵無法得到很好的清除，存在一定的局限性。

歐陽雨川［36］設計了一種利用介質阻擋放電與靜電式油煙凈化器的聯用裝置，當靜電式油煙凈化器利用兩組經典模塊，設置電壓為13 kV，設備中心斷面流速大約為1.9 m·s-1。對介質阻擋放電設備的電壓設置為30 kV，風量為900 m3·h-1的條件下，兩設備對油煙治理效率為97.7%。雖然兩者組合起來對油煙治理效果十分顯著，但是現如今介質阻擋放電設備的電源體積大，且制造成本高［37］，對于餐飲場地處理油煙來說，還需考慮其初投資和運行成本，所以對此技術還需進一步優化，達到實際使用需求。

吳運運［38］研發出了稀土-鎢熱電子發射氏粉塵預喝點協同靜電增強顆粒層除塵器。相比于傳統靜電除塵器，它可以在高溫下更加穩定運作，且運作電壓處于10 kV以下，更加地節約電能。在分級除塵中，對1 μm徑粒以下的顆粒，除去效率達94.5%，在顆粒層對于粒徑為5 mm的粉塵，效率達97%。但是該裝置中稀土鎢為關鍵，而將稀土鎢加工成電極，由于目前加工技術流程缺乏微觀分析，產品的合格率低［39］，由此增加了初投資，可行性有待考究。同時稀土鎢熱電子發射陰極在實驗中會不斷增加質量，表明實驗過程中有氧化物不斷生成，陰極的使用壽命還有待于研究。

出于技術經濟性、可靠性、穩定性的考慮，霧化電暈放電作為煙氣除塵新技術，針對油煙凈化更為適合。

由先前研究可知霧化負電暈放電效果最佳，為探究最佳反應條件，取得最佳凈化效率，董美［40］等研究接地極霧化負電暈放電去除油煙黏性粉塵顆粒氣體狀態參數變化對凈化效率的影響，實驗裝置如圖2所示，在兩極板間距25 mm、電壓為13 kV時凈化效率隨循環水流量的趨勢為1 575 mL·min-1>510 mL·min-1>3 150 mL·min-1>4 410 mL·min-1，流量的改變影響放電的電流，進而影響對油煙的荷電效果，當流量過小時，放電極霧化范圍小，放電電流小，荷電效果不佳。當流量過大且放電極表面覆水層膜過厚時，放電極表面的曲率半徑增大，同時影響放電極附近的電場強度，從而影響凈化效率。當通入的油煙氣風速的增加時，因為反應不完全致使凈化效率隨之降低。當風速為2 m·s-1、電壓為13 kV、流量為1 575 mL·min-1時，由于水膜和霧化的液滴不斷清洗著線電極和板電極，導致接地極霧化電暈放電在工作時間小于40天時，對油煙的凈化效率一直維持在36%左右。

苗琪［6］等設計了一種新型的接地極霧化電暈除塵器，研究液體流量與氣流方向對除塵效果的影響，當氣流速度設定為1 m·s-1時，氣流方向的改變并未對放電電流帶來明顯影響，當設定液體流量一定，風速為3 m·s-1時，逆向氣流較順向氣流的放電電流更大，原因是電場力與重力對霧化的荷電液滴作用的影響。在線電極表面覆蓋液體流量設定值為0、 25 、50、70 mL·min-1的條件下，得到液體流量為25 mL·min-1下的放電效果最佳，此時的接地極霧化負電暈放電電流達到最大值。當氣流速度一致時，接地極霧化電暈放電裝置中逆向氣流的除塵效率更高。米俊鋒［41］等通過實驗研究霧化電暈放電對電極的清洗效果，在高壓極板間相距300 mm，單位長度放電極供水量為464 m·s-1、放電高壓為55 kV且放電電流530 μA的條件下工作3 min，高壓極板清洗狀況如圖3所示。從圖3中可看出，霧化的液滴將有效地帶走大面積的黏性粉塵顆粒，并沒有形成對極板的黏附，只存在極板的最上部一小塊區域未被清洗，清洗效果極佳。

杜勝男［42］等發明了一種接地極霧化電暈放電旋風除塵器，如圖4所示，解決了供水系統高電壓絕緣的問題，可用水霧保持電極板的清潔。同時相較于靜電和傳統兩種旋風除塵器，發現在流量為 80 mL·min-1時，接地極霧化電暈放電旋風除塵器的起暈電壓和放電電流優于另外兩種旋風除塵器，且還提高了其分割粒徑和分級效率，收集效率一直保持穩定，有極廣闊的應用前景。

1—放電極；2—高壓筒電極；3—輸水軟管；4—閥門；5—水桶；6—輸水管；7—高壓電纜；8—電源；9—下水池；10—水泵；11—溢流管；12—水管

圖3 極板清洗效果圖

圖4 接地極霧化電暈放電旋風除塵器實驗裝置

4 磁場協同霧化電暈放電去除黏性粉塵的應用

霧化電暈放電在去除黏性粉塵及細小粉塵顆粒物上體現了其極好的高效性、穩定性和免清洗的特性，在去除粉塵顆粒的過程中主要取決于電場強度對粉塵顆粒的作用力及對粉塵的荷電量，為了實現更高的對粉塵的作用力和粉塵捕集效率，許德玄［43］和林山杉［44］進而又提出在放電極電暈線附近安裝永磁鐵形成非均勻磁場的方法，進一步增強電離荷電作用，即磁增強霧化電暈放電。林山杉［44］研究表明隨著磁場的增強，放電電流可大幅度提高，永久磁鐵在放電極附近形成由0 T增至0.105 T的平均磁場，此時放電電流增加120%，放電極在霧化負電暈放電過程中，磁場可顯著提高霧化液滴的粒徑并增強其對微小顆粒的凝并效能。許德玄［45］指出線電極附近自由電子的拉莫運動可導致磁增強，同時會加大氣體分子與自由電子的碰撞幾率，會引起更加強烈的電子雪崩并提升放電電流，許德玄研究結果同樣表明了磁增強下的負電暈放電效果優于正電暈放電，粉塵的荷電效果與荷電效率更佳，并會抑制電暈區內荷電粉塵的中和作用。這表明磁增強霧化電暈放電是一個具有研究價值和意義的課題，并申請了專利［45］。

米俊鋒［30］等采用筒電極外圍加磁場代替線電極附近加磁場的方法，利用一個較大的永磁鐵在電暈區形成了一個0.11 T的磁場對磁增強霧化電暈技術做了深入的研究，如圖5所示，分析磁場對接地極霧化電暈放電起暈電壓、放電電流和霧化液滴粒徑的影響，通入磁場使霧化電暈放電的電流明顯增加，當磁場在電暈區內的磁場強度為0.11 T，液體流量為16 mL·min-1，電壓為 14 kV的時候，在磁場影響下，放電電流增長大約為15.3%，且對霧化負電暈放電起暈電壓影響很大，使起暈電壓降低，在磁場的作用下，增加了原有自由電子與空氣分子之間的碰撞次數，增強了電離效應。通過對比有無磁場存在下的液滴粒徑分布，發現磁場的加入并沒有使粒徑分布發生變化，即對霧化液滴的產生過程影響不大。張天昊［46］等通過對于筒電極高度發現電流的增長率存在一個最佳值，且筒電極高度在一定程度上和處理采油廢水的效率成正比，但若超過最佳值時，處理效果會降低。

1—放電極；2—筒型高壓電極；3—輸水軟管；4—閥門；5—水桶； 6—輸水管；7—高壓電纜；8—高壓電源；9—下水池；10—水泵；11—溢流管；12—水管；13—磁鐵

5 結 論

1）對于凈化黏性粉塵和高比電阻粉塵顆粒，在相同的實驗條件下，霧化電暈放電除塵比傳統靜電除塵放電電流大、起暈電壓低、除塵效率高、無二次污染，且霧化負電暈放電效果優于霧化正電暈放電。

2）對于放電極材料首先考慮的應該是電導率 大的材料接地極霧化電暈放電受液體流量、風速、氣流放電等參數的影響，與反應時間沒有關系。

3）加入磁場可增加放電空間自由電子和空氣 分子以及水分子的碰撞次數，增強電離，提高了放電電流，提高了荷電區的離子濃度，致使磁場協同霧化電暈放電作用下，除塵效率更高。

霧化電暈放電除塵是一種高效清潔且無污染排放的新型靜電除塵技術，對油煙中的黏性粉塵顆粒和細小微粒能夠有效捕集凈化，彌補了傳統靜電除塵技術的缺點，是當今社會大氣環境問題日益突出下與時俱進產出的一種值得推廣應用的先進除塵方式，已經在油煙凈化器中受到了廣泛生產應用，并不斷研發推進新的技術改進，具有廣闊的研究價值和應用前景。

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Research Progress of Atomizing Corona Discharge to Purify Dust Particles

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2. Kunlun Contracting & Engineering Corporation Shenyang Company, Shenyang Liaoning 110000, China; School of Civil Engineering, Liaoning Petrochemical University, Fushun Liaoning 113001, China）

Aiming at the treatment of viscous fine dust particles in the atmosphere, the traditional electrostatic dust removal technology has low collection efficiency and cannot meet the requirements technically and economically, as a new type of electrostatic precipitator technology, atomized corona discharge technology has the advantages of high efficiency, no cleaning, wide applicability, and high stability.By expounding the mechanism of atomizing corona discharge technology, the research status and application results of atomizing corona discharge in the field of dust removal were reviewed, and the results of this technology were summarized.

Dust particles; Electrostatic dust removal; Atomized corona discharge; Research application

陳琪（1989-），男，碩士研究生，研究方向：建筑環境與設備工程。

周鑫來（1999-），男，碩士研究生，研究方向：低溫等離子體與氣體污染控制工程研究。

X513

A

1004-0935（2023）01-0108-05