多層靜電絲網(wǎng)對(duì)于亞微米顆粒捕集效果的研究

陳奕行,孫 在,熊啟航

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

大氣中PM2.5污染問(wèn)題被人們廣泛關(guān)注,但是對(duì)更細(xì)小的亞微米顆粒(PM1.0)和超細(xì)微米顆粒(PM0.1)仍然缺乏足夠的研究。研究表明,PM2.5質(zhì)量占大氣顆粒的50%～90%,而其中PM1.0占20%～60%[1]。從顆粒數(shù)濃度的角度來(lái)看,PM1.0在城市大氣中可占PM2.5數(shù)濃度的98%以上,而PM0.1的數(shù)量可占到PM1.0的76%。

針對(duì)顆粒物的捕集手段主要是纖維過(guò)濾和靜電集塵。纖維過(guò)濾器存在使用價(jià)格高、壽命短以及風(fēng)阻高的問(wèn)題,靜電過(guò)濾器克服了這一缺點(diǎn)。由于亞微米顆粒物的粉塵電阻特性和荷電能力的差異,傳統(tǒng)的干式靜電除塵器對(duì)亞微米顆粒物的捕集效率往往不足90%,效果并不是很好[2-3]。

金屬纖維過(guò)濾器綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于亞微米顆粒有著較好的捕集作用,同時(shí)過(guò)濾器壓降低于傳統(tǒng)過(guò)纖維濾器,且可以反復(fù)使用[4-7]。本文使用多層的不銹鋼金屬絲網(wǎng)作為集塵級(jí),測(cè)量了針-網(wǎng)式多層靜電絲網(wǎng)在亞微米范圍內(nèi)的全粒徑分級(jí)效率(10～1 000 nm),旨在探討放電電壓、絲網(wǎng)層數(shù)、顆粒粒徑對(duì)靜電絲網(wǎng)捕集效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種靜電絲網(wǎng)過(guò)濾裝置。該裝置結(jié)構(gòu)如圖1,由放電極陣列和接地的集塵絲網(wǎng)組成,這樣的針網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠以較小的電壓獲得較高的荷電效率[8]。集塵絲網(wǎng)為一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的不銹鋼金屬絲網(wǎng)。放電極焊接在40目絲網(wǎng)上形成陣列并指向氣流方向,集塵絲網(wǎng)垂直于氣流方向放置。金屬絲網(wǎng)的孔徑只有幾十到幾百微米。

圖1 靜電絲網(wǎng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of the electric field about electrostatic mesh

本實(shí)驗(yàn)采用的放電極陣列由25根(5×5)長(zhǎng)度L=14 mm的針電極(鍍鉻鋼針,針尖曲率半徑為r=0.045±0.009 mm)組成。通過(guò)顯微照片挑選合適的針電極,保證電極尖端無(wú)毛刺無(wú)缺陷。圖2為典型的放電極顯微圖像。針電極焊接在150 mm×150 mm的40目金屬絲網(wǎng)上。集塵絲網(wǎng)為150 mm×150 mm不銹鋼編織絲網(wǎng),具體參數(shù)如表1。針電極與第一層集塵絲網(wǎng)的間距為2 cm。集塵絲網(wǎng)接地,并在放電極上施加負(fù)高壓,施加的電壓范圍在-8～-26 kV。采用高壓衰減棒(HVP-40)配合高精度萬(wàn)用表(UT61E)對(duì)電場(chǎng)兩端電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),使用耐高壓微安表(吉佳SWB-Ⅳ)與電場(chǎng)串聯(lián)測(cè)量放電電流。

表1 金屬絲網(wǎng)參數(shù)

圖2 放電極顯微圖像Figure 2 Microscopic image of discharge electrode

此外,風(fēng)速對(duì)于靜電絲網(wǎng)捕集性能的影響較為明顯,為了盡可能的減少?gòu)较蛩俣忍荻仍斐傻撵o電絲網(wǎng)上過(guò)濾不均勻現(xiàn)象,同時(shí)為了降低風(fēng)機(jī)上游正常軸向流動(dòng)中的旋流生長(zhǎng)對(duì)靜電絲網(wǎng)下游采樣管處游流場(chǎng)的影響,在靜電絲網(wǎng)上游和風(fēng)機(jī)上游均裝設(shè)了蜂窩整流器。

本實(shí)驗(yàn)中顆粒數(shù)濃度測(cè)量?jī)x器為掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀(SMPS,TSI 3938),通過(guò)切換采樣管路分時(shí)測(cè)量靜電絲網(wǎng)上下游的粒徑譜。下游采樣點(diǎn)位置距離最后一層絲網(wǎng)20 cm。采用環(huán)境大氣為顆粒源,圖3為所采用的大氣塵源兩種典型的粒徑分布。這兩種粒徑分布對(duì)于粒徑分級(jí)效率影響微弱,使用同一個(gè)粒徑分級(jí)效率復(fù)算不同粒徑分布下的總效率發(fā)現(xiàn)其代數(shù)差最大不超過(guò)4%。為了保證塵源顆粒數(shù)濃度的穩(wěn)定性,篩選采用連續(xù)兩組數(shù)據(jù)入口數(shù)濃度波動(dòng)不超過(guò)5%的數(shù)據(jù)用于計(jì)算。

圖3 入口顆粒粒徑分布Figure 3 Inlet particle size distribution

本實(shí)驗(yàn)中著重探究負(fù)電暈放電條件下靜電絲網(wǎng)對(duì)亞微米顆粒的總捕集效率以及對(duì)亞微米范圍內(nèi)顆粒的粒徑分級(jí)效率。

總捕集效率用式(1)來(lái)表示:

(1)

式(1)中:η為靜電絲網(wǎng)的捕集效率;dp是顆粒的粒徑,nm;Nout(dp)為靜電絲網(wǎng)下游測(cè)得的某粒徑顆粒的數(shù)濃度,#/m3;Nin(dp)是靜電絲網(wǎng)上游測(cè)得的某粒徑顆粒的數(shù)濃度,#/m3。

粒徑分級(jí)效率則通過(guò)式(2)來(lái)表示:

2) 從水位變化看，最大吃水還需考慮航道枯水期限制當(dāng)前京杭運(yùn)河枯水期低水位通常處于蘇北段6—9月，是農(nóng)田灌溉所致。按照蘇北運(yùn)河維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)最低通航水位6 m時(shí)，即至少4 m水深是航道的實(shí)際深度，其余2 m為河底高程，可計(jì)算出淮安船閘以下近年來(lái)最低水位5.2 m時(shí)的水深是3.2 m，此為水深的限值條件。對(duì)適航蘇北段總長(zhǎng)90 m的集裝箱船而言，滿載最大吃水為3.6 m，為防止在枯水期發(fā)生擱淺事故，建議減載通航。

(2)

式(2)中:η(dp)是靜電絲網(wǎng)對(duì)于某粒徑顆粒的捕集效率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 放電特性

如圖4,不同層數(shù)電暈電流與放電電壓的變化趨勢(shì)保持一致,電流與電壓的二次方成正比,滿足湯森關(guān)系式。但是在電壓高于20 kV時(shí),電流值出現(xiàn)較明顯的差距。隨著電壓的增高,不同層數(shù)接地絲網(wǎng)的電暈電流值差距增大。增加電網(wǎng)層數(shù)對(duì)提高電流更加明顯,電壓較低時(shí)(8～16 kV),增加電網(wǎng)層數(shù)電暈電流幾乎沒(méi)有提高。同樣的,從圖中也可以看出,減小接地絲網(wǎng)孔徑也有助于提高電暈電流。

圖4 多層靜電絲網(wǎng)伏安特性Figure 4 Voltage and current characteristics of multilayer electrostatic mesh

2.2 機(jī)械捕集效率

未施加電場(chǎng)時(shí),絲網(wǎng)對(duì)顆粒的物的捕集主要依靠擴(kuò)散、慣性、攔截機(jī)理。擴(kuò)散作用是顆粒物由于自身的布朗運(yùn)動(dòng)脫離流線撞擊到纖維并沉積下來(lái),主要為PM0.1的捕集機(jī)理。攔截作用則為流線距纖維表面的距離小于沿流線運(yùn)動(dòng)的顆粒的直徑,此時(shí)顆粒在范德華力的作用下沉積,是100～1 000 nm顆粒的主要捕獲機(jī)理。慣性作用為顆粒在跟隨流線拐彎時(shí)由于慣性的存在脫離流線沉積到纖維上的過(guò)程,是300～1 000 nm顆粒的有效捕獲機(jī)制[9]。

僅依靠上述捕集機(jī)理的過(guò)濾效率為機(jī)械捕集效率ηm。在未施加電壓的情況下,比較接地絲網(wǎng)上下游的濃度,進(jìn)而求得絲網(wǎng)對(duì)亞微米顆粒物的機(jī)械過(guò)濾性能。如表2所示,不同層數(shù)接地絲網(wǎng)的機(jī)械捕集效率均在零點(diǎn)上下波動(dòng),并沒(méi)有隨層數(shù)產(chǎn)生規(guī)律性地變化。測(cè)試中,機(jī)械過(guò)濾效率實(shí)驗(yàn)中有出現(xiàn)負(fù)效率,這是由于入口濃度的波動(dòng)造成的。

表2 靜電絲網(wǎng)機(jī)械過(guò)濾效率

2.3 接地絲網(wǎng)層數(shù)對(duì)捕集效率的影響

對(duì)比2.2中的機(jī)械捕集效率,從圖5中可以看出施加電壓后靜電絲網(wǎng)的捕集效率得到顯著增強(qiáng)。這表明顆粒在電場(chǎng)中荷電并向異極性的集塵絲網(wǎng)遷移,沉積的靜電作用才是靜電絲網(wǎng)的主要捕集機(jī)理。在施加電壓的情況下,多層電網(wǎng)對(duì)于PM1.0的計(jì)數(shù)總效率如圖5。從圖中可以看到,相同電壓下,單層和雙層靜電絲網(wǎng)對(duì)PM1.0的捕集效率相近,僅在電壓為16～24 kV時(shí)有略微的提升。而在層數(shù)達(dá)到4層或8層時(shí),各電壓下的捕集效率難以隨絲網(wǎng)層數(shù)顯著提高。存在一個(gè)臨界層數(shù),當(dāng)超過(guò)臨界層數(shù)時(shí),捕集效率難以明顯提高,這個(gè)層數(shù)對(duì)于40目和80目絲網(wǎng)來(lái)說(shuō)是8層,對(duì)于60目絲網(wǎng)來(lái)說(shuō)是4層。在本實(shí)驗(yàn)中,不同目數(shù)多層靜電絲網(wǎng)的最大計(jì)數(shù)總效率分別為76.29%(40目12層,26 kV)、83.49%(60目8層,20 kV)、95.29%(80目12層,22 kV)。

圖5 多層靜電絲網(wǎng)不同電壓下的捕集效率Figure 5 Collection efficiency of multi-layer electrostatic mesh under different voltages

還可以看到,增加絲網(wǎng)層數(shù)改變了捕集效率隨電壓變化的趨勢(shì)。當(dāng)集塵絲網(wǎng)為單層時(shí),其捕集效率隨電壓的增大幾乎呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),因此其最高效率在最高工作電壓26 kV時(shí)取得。集塵絲網(wǎng)層數(shù)高于兩層時(shí),捕集效率隨電壓的增長(zhǎng)趨勢(shì)發(fā)生明顯的改變,其增長(zhǎng)率在電壓高于22 kV(平均電場(chǎng)強(qiáng)度約11 kV/cm)時(shí)逐漸降低,甚至在60目和80目集塵絲網(wǎng)條件下出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng),此時(shí)曲線更接近于傳統(tǒng)的線板式靜電除塵器。

在傳統(tǒng)線板式電除塵器中,隨著電壓的增高,電流體(Electro-hydro Dynamics,簡(jiǎn)稱EHD)逐漸干擾流場(chǎng)并形成渦流。渦流中的顆粒不容易被捕集,同時(shí)部分顆粒被渦流加速更快地逃逸出電除塵器[10-11]。因此在電壓較高時(shí),捕集效率隨電壓難以再增加。但是在針網(wǎng)式結(jié)構(gòu)中,因?yàn)槭艿较掠味鄬拥募瘔m絲網(wǎng)衰減,產(chǎn)生于針-網(wǎng)之間的渦對(duì)于后層的絲網(wǎng)捕集性能不可能產(chǎn)生太大影響[12-13]。因此,可能的原因是電壓進(jìn)一步升高達(dá)到20 kV時(shí),負(fù)電荷在漂移區(qū)內(nèi)大量累積,削弱了原電場(chǎng),使得放電區(qū)域內(nèi)總體場(chǎng)強(qiáng)減少,以致降低了顆粒的電量,反而導(dǎo)致了靜電絲網(wǎng)的捕集效率的降低[10]。同樣的原因也可以解釋針網(wǎng)式EHD空氣泵的空氣效率拐點(diǎn)[14]。

單層針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)際上也是一個(gè)EHD空氣泵,第二層絲網(wǎng)則處于EHD最強(qiáng)烈的區(qū)域,因此較大風(fēng)速導(dǎo)致第二層集塵絲網(wǎng)難以有效地捕集顆粒。隨著氣流中的帶電粒子在下游絲網(wǎng)上放電,EHD隨層數(shù)逐漸衰減,對(duì)于捕集效率的影響減小。

從圖5中可以看到,各目數(shù)單層靜電絲網(wǎng)在不同電壓下的捕集效率幾乎沒(méi)有差異。隨著層數(shù)的增加,集塵絲網(wǎng)孔徑對(duì)捕集效率的影響逐漸顯現(xiàn)。靜電絲網(wǎng)層數(shù)達(dá)到臨界層數(shù)時(shí)其捕集效率達(dá)到上限,該上限受集塵絲網(wǎng)孔徑制約?？讖皆叫?目數(shù)越高),其上限也越高。因此孔徑較小的多層靜電絲網(wǎng)對(duì)于低電壓時(shí)的捕集效率提升更為顯著。

顆粒在各層接地絲網(wǎng)沉積分布如圖6所示。從圖中可以看到,在大部分情況下,第一層集塵絲網(wǎng)捕集的亞微米顆粒多于其他層的絲網(wǎng)。甚至在40目多層電網(wǎng)中,第一層捕集的顆粒多于第2～8層捕集的顆?？偤汀ｋS著電壓的降低,2～8層的捕集占比均得到提高。綜合總捕集效率和絲網(wǎng)維護(hù)周期,采用16～20 kV電壓為更優(yōu)的選擇。

圖6 不同電壓下各層靜電絲網(wǎng)捕集顆粒占比Figure 6 Percentage of particles captured by each layer of Electrostatic Mesh under different voltages

2.4 粒徑對(duì)捕集性能的影響

粒徑對(duì)于多層靜電絲網(wǎng)捕集性能的影響如圖7。圖7表明,多層靜電絲網(wǎng)對(duì)于11.5 nm的顆粒捕集效率明顯低于15.4 nm的顆粒。一種可能是沉積在電極上的納米顆粒在靜電作用下重新懸浮,另一種則為過(guò)濾器中生成了更多粒徑在11.5 nm左右的顆粒。事實(shí)上,直流電暈放電時(shí),會(huì)誘導(dǎo)氣態(tài)分子凝結(jié)為成核模態(tài)(粒徑<10 nm)顆粒[15-16]。這部分顆粒凝并或吸附到其他顆粒上形成更大的顆粒,因此造成捕集效率的下降。此外,這些顆粒為電中性,其向接地集塵絲網(wǎng)遷移的能力弱于電場(chǎng)中的負(fù)極性顆粒[17]。圖7(a)中,電壓達(dá)到8 kV時(shí)針電極剛好能夠產(chǎn)生負(fù)電暈,成核模態(tài)的顆粒形成以及凝并增長(zhǎng),但是該電壓下2層的靜電絲網(wǎng)難以有效地捕集這些顆粒,因此出現(xiàn)了負(fù)效率。

靜電絲網(wǎng)的粒徑分級(jí)效率曲線基本成V型,在15.4～1 000 nm之間存在一個(gè)最易穿透的粒徑(Most Penetrating Particle Size,簡(jiǎn)稱MPPS),靜電絲網(wǎng)對(duì)該粒徑顆粒捕集能力最差。從圖7(a)和(b)可以直觀的看到,MPPS受電壓變化影響較小。例如80目2層靜電絲網(wǎng)不同電壓下的MPPS僅在154 nm及其相鄰的兩個(gè)粒徑段范圍內(nèi)變化,其放電電壓為24 kV時(shí)在該范圍內(nèi)捕集效率相差最大僅為1.2%。這一差距小于上游顆粒自身濃度的波動(dòng)程度,很難說(shuō)明MPPS的變化是由于放電電壓造成的。圖8展示了不同層數(shù)和電壓下的靜電絲網(wǎng)最易穿透粒徑,更加清晰地反映了MPPS受接地絲網(wǎng)層數(shù)的影響遠(yuǎn)高于放電電壓。

圖7 不同電壓及層數(shù)下多層靜電絲網(wǎng)粒徑分級(jí)效率Figure 7 Size classification efficiency of multilayer electrostatic mesh under different voltages and number of layers

圖8 不同電壓及層數(shù)下最易穿透粒徑Figure 8 The MPPS under different voltage and number of layers

在傳統(tǒng)纖維過(guò)濾器中,MPPS實(shí)際上反映了擴(kuò)散作用與攔截、慣性作用的占比,當(dāng)過(guò)濾器結(jié)構(gòu)更利于攔截和慣性作用占主導(dǎo)時(shí),會(huì)捕集更多的100～1 000 nm顆粒,該段粒徑的分級(jí)效率較高,因此MPPS向左移動(dòng)。傳統(tǒng)纖維過(guò)濾器的MPPS隨過(guò)濾器厚度的增加而減小,這是由于更厚的纖維層加強(qiáng)了攔截和慣性作用[18-19]。對(duì)于多層靜電絲網(wǎng),由2.2可知,嚴(yán)格意義上的擴(kuò)散、攔截、慣性作用微弱。但是因?yàn)殡妶?chǎng)力的存在,顆粒實(shí)際上運(yùn)動(dòng)到纖維附近某一范圍內(nèi)便能夠通過(guò)靜電作用遷移到金屬纖維表面,電場(chǎng)增強(qiáng)了擴(kuò)散、攔截和慣性作用。

在多層靜電絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,盡管增加絲網(wǎng)層數(shù),過(guò)濾器總厚度增加,但是其高達(dá)上百微米的孔徑不足以使顆粒的攔截和慣性捕集作用占主導(dǎo),更多地是依賴于靜電作用和擴(kuò)散作用。如圖8,MPPS隨層數(shù)增加總體呈上升趨勢(shì)。但是對(duì)于80目絲網(wǎng),在層數(shù)超過(guò)8層時(shí),MPPS反而下降。這表明絲網(wǎng)增加到一定層數(shù)時(shí),由于更為密集的絲網(wǎng),攔截作用增強(qiáng),同時(shí)增加了流線擾動(dòng)的程度,慣性作用也被加強(qiáng),因此較大顆粒(100～1 000 nm)更多地被靜電絲網(wǎng)捕集,導(dǎo)致MPPS減小。

圖9為靜電絲網(wǎng)下游的粒徑累積頻率分布,某粒徑對(duì)應(yīng)的累積頻率則為小于等于該粒徑顆粒占總顆粒數(shù)的比重。圖中的紅色線段表示累積頻率達(dá)到50%,此時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑則為中位粒徑(CMD),即表示超過(guò)該粒徑和低于該粒徑的顆粒數(shù)一樣。CMD能夠反映出顆?？傮w的粒徑分布情況。

圖9表明,隨著層數(shù)增加,靜電絲網(wǎng)下游超細(xì)微米顆粒占總顆粒數(shù)的比例減小。這說(shuō)明捕集了更多的超細(xì)微米顆粒。在電場(chǎng)參數(shù)不變的情況下,顆粒的荷電量不發(fā)生改變,導(dǎo)致其更多地沉積在金屬纖維上的原因只有多層的接地絲網(wǎng)增加了其通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入纖維附近的概率。

當(dāng)絲網(wǎng)層數(shù)增加到一定時(shí),這個(gè)趨勢(shì)發(fā)生了改變。從圖9中可以看出,當(dāng)層數(shù)超過(guò)8層時(shí),對(duì)于40目絲網(wǎng)11.5～64.9 nm顆粒的累積頻率上升,而對(duì)于80目絲網(wǎng),粒徑大于100 nm以上顆粒的累積頻率高于8層絲網(wǎng)。上述兩個(gè)現(xiàn)象均表明當(dāng)絲網(wǎng)層數(shù)達(dá)到8層時(shí),下游顆粒中PM0.1占比降低。實(shí)際上反映了當(dāng)絲網(wǎng)增加到一定層數(shù)時(shí),攔截作用和慣性作用的占比逐漸升高。

圖9 不同層數(shù)靜電絲網(wǎng)下游顆粒粒徑累積頻率分布Figure 9 Cumulative frequency distribution of particle size downstream of electrostatic mesh with different layers

3 結(jié) 論

本文通過(guò)試驗(yàn)方法研究了放電電壓、絲網(wǎng)層數(shù)、粒徑對(duì)于靜電絲網(wǎng)捕集效率的影響,探究了靜電絲網(wǎng)最易穿透粒徑(MPPS)的影響因素。

1) 多層金屬絲網(wǎng)對(duì)PM1.0的機(jī)械捕集作用微弱。靜電絲網(wǎng)主要依靠靜電捕集機(jī)理。施加電壓對(duì)于捕集效率的提高顯著,捕集效率與放電電壓成正相關(guān)。捕集效率同樣與絲網(wǎng)層數(shù)成正相關(guān),但是高于臨界層數(shù)時(shí),靜電絲網(wǎng)對(duì)于亞微米級(jí)顆粒的捕集效率也難以再增長(zhǎng)。該臨界層數(shù)與靜電絲網(wǎng)的孔徑有關(guān)。

2) 靜電絲網(wǎng)各層對(duì)于亞微米級(jí)顆粒的捕集性能不一致。第1層集塵絲網(wǎng)捕集占比最大,電壓高于20 kV時(shí),不低于50%。第2層絲網(wǎng)受EHD影響較大,捕集占比介于第1層和第3～4層之間。隨著電壓的降低第一層捕集占比逐漸減少,下游絲網(wǎng)捕集占比逐漸提高。綜合捕集性能和絲網(wǎng)維護(hù)周期,放電電壓16～20 kV較為合適。

3) 多層靜電絲網(wǎng)的MPPS在118.7～405.2 nm之間,不受放電電壓的影響,隨絲網(wǎng)層數(shù)增加而增大。增加絲網(wǎng)層數(shù),擴(kuò)散作用增強(qiáng),對(duì)于超細(xì)微米級(jí)顆粒有著更好的捕集作用。當(dāng)層數(shù)增加到8層時(shí),攔截作用和慣性作用對(duì)捕集效率的貢獻(xiàn)逐漸重要,對(duì)于100～1 000 nm顆粒的捕集性能也得到了增強(qiáng)。