電凝并裝置收集亞微米粉塵的實(shí)驗(yàn)研究

馮 濤，魏家紅

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，能源消耗急劇增長，由此導(dǎo)致的大氣污染問題日趨突出，尤其是懸浮于大氣中粒徑在1μm 以下的亞微米粉塵，很容易通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體內(nèi)，引發(fā)慢性支氣管炎、哮喘等各種呼吸道疾病，以及塵肺病等常見而且難以治愈的職業(yè)病，對人體健康產(chǎn)生極大的危害[1-3]。 而傳統(tǒng)的除塵設(shè)備對粒徑大于1μm的粉塵一般均有良好的去除效果，對亞微米級粉塵的凈化效率卻不甚理想，因此，有必要對除塵設(shè)備作進(jìn)一步開發(fā)，以提高對細(xì)微粉塵的收集效率。 近年來發(fā)展起來的電凝并除塵技術(shù)，就是一種具有良好發(fā)展前景的微細(xì)顆粒物除塵新技術(shù)[4-5]。 該項(xiàng)技術(shù)在傳統(tǒng)靜電除塵設(shè)備的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新型的電凝并除塵裝置，并研究了其對細(xì)微粉塵的去除效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

整個實(shí)驗(yàn)裝置由粉塵發(fā)生系統(tǒng)、電凝并除塵系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)、電壓電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成（如圖1 所示）。 介質(zhì)阻擋放電器（DBD）與板-板靜電除塵器分別構(gòu)成了電凝并除塵裝置的凝并區(qū)和集塵區(qū)。 凝并區(qū)交變電場由YD 型交流高壓電源供電（電壓范圍為0～10kV）； 集塵區(qū)電場由BGG 型直流高壓電源供電（電壓范圍為0～10kV）。 電壓電流數(shù)據(jù)采用美國泰克公司的P6015A 型高壓探頭、TCP202 型電流探頭和TDS3054B 型示波器采集。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用粉塵為兩種平均粒徑分別為0.5μm 與2μm 的硅粉，并由自制虹吸式發(fā)塵器產(chǎn)生。 通過調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)塵器的氣體流量與虹吸管高度，來控制發(fā)塵速率。 實(shí)驗(yàn)中固定氣體流量為10L/min，虹吸管高度為100mm，此時測得發(fā)塵速率為10mg/s。 除塵效率采用重量法測定。 實(shí)驗(yàn)對比了在有無靜電凝并條件下，對這兩類不同粒徑粉塵的除塵效率隨集塵區(qū)平均場強(qiáng)變化的關(guān)系，并考察了DBD 放電器所加交流電壓值對粉塵凝并效果的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experiment equipment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 無靜電凝并條件下的粉塵收集效率

實(shí)驗(yàn)首先考察了在未向凝并區(qū)DBD 放電器施加交流高壓的條件下， 單獨(dú)使用板-板靜電除塵裝置對不同粒徑粉塵的收集效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 凝并區(qū)不加電壓時集塵區(qū)平均場強(qiáng)對除塵效率的影響Fig.2 Influence of field average of dust collection area on dusting efficiency while coagulation area without voltage

由圖2 可知，粉塵的收集效率隨靜電除塵器兩板間平均場強(qiáng)的增加而增加，這是因?yàn)?，場?qiáng)越大對粉塵的靜電作用就越強(qiáng)，從而導(dǎo)致粉塵收集效率的提高。 板-板靜電除塵裝置對不同粒徑粉塵的收集效果是不同的。 從圖2 中可以看出，板-板除塵器對平均粒徑為2μm 粉塵的收集效果明顯優(yōu)于平均粒徑為0.5μm 的粉塵。 當(dāng)平均場強(qiáng)為5kV/cm 時，板-板除塵器對平均粒徑為2μm 的粉塵的除塵效率可達(dá)91%，而對平均粒徑為0.5μm 的粉塵的除塵效率僅為88%。 由此可見，傳統(tǒng)的靜電除塵裝置對亞微米級粉塵的收集效果確實(shí)不理想。

2.2 靜電凝并條件下粉塵收集效率的研究

為了研究在靜電凝并條件下集塵器對粉塵的收集效果，實(shí)驗(yàn)對凝并區(qū)DBD 放電器施以不同的交流電壓，考察此時集塵器對粉塵的收集效果。 在對凝并區(qū)DBD 放電器分別施行2kV、4kV、6kV、8kV高壓放電的實(shí)驗(yàn)條件下，平均粒徑為0.5μm 粉塵的除塵效率隨集塵區(qū)平均場強(qiáng)的變化關(guān)系如圖3 所示。 從圖中可知，隨著凝并區(qū)DBD 放電器放電電壓的升高，集塵器對0.5μm 粉塵的除塵效率也隨之提高。 當(dāng)集塵器板間平均場強(qiáng)為5kV/cm、凝并區(qū)不加電壓時，0.5μm 粉塵的除塵效率為88%，再提高凝并區(qū)電壓到8kV，此時粉塵的除塵效率可達(dá)96%。 除塵效率的提高主要是因?yàn)榉蹓m在凝并區(qū)被交變電場荷電后，發(fā)生凝并現(xiàn)象，使得小粒徑粉塵相互結(jié)合，進(jìn)而凝聚為較大粒徑粉塵，從而提高了集塵區(qū)的集塵效果。 凝并區(qū)DBD 放電器所加電壓越高，粉塵荷電與凝并效應(yīng)越明顯，除塵效果也就越好。

圖3 凝并區(qū)施加不同電壓值時集塵區(qū)平均場強(qiáng)對0.5μm 粉塵除塵效率的影響Fig.3 Influence of field average of dust collection area while different voltage values applied in coagulation area to 0.5μm dust collection efficiency

從前面得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，電凝并除塵裝置對亞微米級粉塵的收集效果比較理想。 為了考察電凝并現(xiàn)象對微米級粉塵是否也同樣存在作用，實(shí)驗(yàn)對平均粒徑為2μm 的硅粉作了進(jìn)一步研究。圖4 為分別固定凝并區(qū)電壓不同值時，2μm 粉塵除塵效率隨集塵區(qū)板間平均場強(qiáng)變化的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)中分別將凝并區(qū)DBD 放電器電壓固定為4kV 和8kV，并將得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與不加電壓的情況作了對比。由圖4 可知，凝并區(qū)DBD 放電器所加電壓值對粒徑為2μm 的粉塵除塵效率的影響不如對0.5μm 粉塵大。 雖然粉塵的除塵效率也隨著凝并區(qū)電壓的升高而升高，但效果并不明顯。 在DBD 放電器所加電壓為4kV、集塵器平均場強(qiáng)為5kV/cm 的實(shí)驗(yàn)條件下，平均粒徑為2μm 粉塵的除塵效率為92%，僅比凝并區(qū)不加電場的情況高出一個百分點(diǎn)。 繼續(xù)增加DBD放電器電壓到8kV，此時粉塵的除塵效率也只有93%。由此可知， 微米級粉塵在凝并區(qū)的凝并效果不理想，電凝并除塵裝置對大粒徑粉塵并不適用。 這主要是由于微米級粒徑粉塵本身粒徑已足夠大，雖然在凝并區(qū)交變電場也能使粉塵反復(fù)荷電，但荷電后并未相互結(jié)合為粒徑更大的微粒。 實(shí)驗(yàn)中，除塵效率的提高，主要是由于凝并區(qū)交變電場對粉塵產(chǎn)生的預(yù)荷電作用。

3 結(jié)論

（1） 開發(fā)了一種新型的電凝并除塵裝置，對0.5μm 與2μm 的兩種不同粒徑粉塵的除塵效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在無靜電凝并條件下，除塵裝置對2μm 粉塵的除塵效率優(yōu)于0.5μm 粉塵，驗(yàn)證了傳統(tǒng)的靜電除塵裝置對亞微米級粉塵的收集效果不佳的結(jié)論。

圖4 凝并區(qū)施加不同電壓值時集塵區(qū)平均場強(qiáng)對2μm 粉塵除塵效率的影響Fig.4 Influence of field average of dust collection area while different voltage values applied in coagulation area to 0.2μm dust collection efficiency

（2）在靜電凝并條件下，粉塵的除塵效率隨凝并區(qū)DBD 放電器放電電壓的升高而升高。在集塵區(qū)板間平均場強(qiáng)E=5kV/cm 固定不變的條件下， 電凝并作用對不同粒徑粉塵的影響是不同的， 當(dāng)凝并區(qū)電壓從0kV 提高到8kV 時，0.5μm 粉塵的除塵效率由88%提高到96%，而粒徑為2μm 粉塵的除塵效率僅從91%提高到93%。 由此可以看出，亞微米級粉塵在交變電場中的凝并效果好于微米級粉塵， 電凝并除塵裝置適于對亞微米粉塵的收集。

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