細煙塵脈沖電暈凈化實驗研究*

吳娜娜 孫少鋒 付思雨 羅開陽 易高翔 唐小妹 常玉鋒 石零

（1.工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點實驗室（江漢大學(xué)），武漢 430056；2.江漢大學(xué) 環(huán)境與健康學(xué)院，武漢 430056；3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012）

0 引言

細顆粒物主要來源于污染源的直接排放和大氣環(huán)境中的二次轉(zhuǎn)化，因其粒徑小，在大氣環(huán)境中傳輸距離遠，對大氣環(huán)境質(zhì)量有重要影響，控制細顆粒物的排放成為改善大氣環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

脈沖電暈等離子體具有顯著的電化學(xué)特性，在細顆粒物和氣體污染物排放控制方面的應(yīng)用受到關(guān)注。駱仲泱等［1］采用靜電低壓撞擊（ELPI）法，分別給直流和脈沖電場中的單個顆粒平均荷電量，表明脈沖電暈電場下粉塵的荷電量較高。王成福［2］對0.05~6.5m的細顆粒物凝聚研究，得到了凝并效率與脈沖峰值、重復(fù)頻率成正比，與初始濃度成反比的結(jié)論，而SHAHBAZNEZHAD M等［3］則給出了液體氣溶膠粒子凝聚的影像方法實驗優(yōu)化結(jié)果。NAIR S A等［4］通過對121個化學(xué)反應(yīng)和20個物種的脈沖電暈技術(shù)去除的化學(xué)動力學(xué)研究分析，給出了有機氣溶膠粒子氧化去除的反應(yīng)路徑。因脈沖電暈場中氣溶膠粒子的凈化與脈沖電壓峰值、脈沖頻率等參數(shù)十分密切，SABER K［5］對正電暈脈沖放電的反應(yīng)器進行了電路等效的變量遺忘系數(shù)的回歸擬合法的電源效率與應(yīng)用峰值電壓間的關(guān)系研究，而LIU Y等［6］通過線-板式脈沖暈場的正電暈放電的脈沖電流進行了二維數(shù)值模擬研究。盡管靜電場對粒子的凈化有高效、低耗的優(yōu)點，但也有產(chǎn)生臭氧的缺點，為了能全面地運用這種技術(shù)，ZHU Y等［7］對電場的臭氧的產(chǎn)生給出了模擬和實驗結(jié)果。石零等［8］通過V-I實驗值，給了不同電暈極下靜電場的電流面密度的分析結(jié)果。GUO Y S等［9］則從脈沖電暈放電、粒子荷電去除、脈沖能量化、分級效率諸方面較全面地對脈沖電暈作用下的細顆粒物去除進行了分析。

1 原理及實驗

1.1 實驗原理

細顆粒物在電場中的去除過程包含：粒子荷電、荷電粒子電場力作用下的運動、荷電粒子被收集等過程。脈沖場的峰值功率與電壓、電流、頻率等參數(shù)間的關(guān)系用式（1）和式（2）表示：

式中，Pmax為電源功率，W；Umax為電源峰值輸出電壓，V；Imax為峰值回路電流，A；f為脈沖重復(fù)頻率，Hz；a為占空比。

1.2 實驗裝置及實驗儀器

研究采用長度為450 mm，直徑為0.1 mm的不銹鋼絲作電暈極，內(nèi)徑為24 mm的不銹鋼管作收塵極，構(gòu)造了線-管實驗除塵器。實驗系統(tǒng)由電源部分、模擬氣溶膠發(fā)生部分、測量部分和反應(yīng)器等4個部分組成，實驗系統(tǒng)如圖1所示。

使用市售可燃式蚊香作為塵源，其粒徑分布如圖2所示，對不同脈沖電壓，脈沖頻率和脈沖寬度下的細顆粒物的凈化效率進行了研究。

圖3給出了構(gòu)建除塵器下的峰值電壓和對應(yīng)的電流間的關(guān)系，圖中max-max曲線顯示了所測電壓段區(qū)別恒流直流電暈下的伏安特性曲線和半經(jīng)驗公式Townsend’s方程所表達的二次函數(shù)關(guān)系，峰值下maxmax呈線性關(guān)系。順便指出，高頻域短脈沖電流的測量非常困難，本文的測量采用了基于PearsonR電流互感器+存儲示波器方案，受示波器的時域掃描工作原理所限［10］，平行測量并非完全重合但測量所描述的趨勢不變。圖4給出的是實驗單脈沖的電壓和電流關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

在脈沖頻率100～300 Hz，峰值電壓6.0 kV時，粒徑為0.3m的去除效率與脈沖寬度間的關(guān)系如圖5所示，圖中數(shù)據(jù)顯示，0.3m的煙塵凈化效率高達99.5%以上，脈沖頻率和電壓不變時，除塵效率隨脈沖寬度的增加有所增加，高脈沖頻率，除塵效率隨脈沖寬度的增加更加明顯。脈沖寬度增加，荷電粒子受到的電場作用時間更長，荷電粒子的加速時間變長，進而效率提高了。

脈沖頻率范圍不變，峰值脈沖電壓分別為7.5 kV和9.0 kV時，效率與脈沖寬度間的關(guān)系如圖6所示。圖6顯示的效率與脈寬間的實驗曲線區(qū)別于圖5中所給關(guān)系，呈現(xiàn)的是效率隨脈寬的增加而下降，300 Hz時的效率下降得比100 Hz和200 Hz時更加顯著。

圖6中還顯示，脈寬相同時，高頻下的效率低于低頻下的效率，這種變化趨勢與電功率增加效率增加的直觀理解相反。其原因可能是：①在高頻時，可能強化了細顆粒的凝聚效應(yīng)，使細顆粒的粒徑增大，而圖6中給出的僅是對單一粒徑（0.3m）的效率；②盡管高頻脈沖電壓向電場空間注入比低頻下更多的能量，能提供較多的離子使粒子荷電，根據(jù)文獻［9］在每個脈沖的上升前沿在微秒以下時，電暈放電產(chǎn)生的高能粒子在電暈區(qū)密度增加，同時，O2在強電場作用下，有主要存在于電暈區(qū)的e+O2→O+O+e［10］反應(yīng)發(fā)生，反應(yīng)進行程度與電場強度線性相關(guān)，而每個周期內(nèi)的高場強恰恰是微納級的脈沖前沿，于是高頻脈沖電壓向電場空間注入的能量，貢獻給了O2分解和O3的形成。所以細顆粒并沒有增加荷電率，進而導(dǎo)致效率降低；而電暈外區(qū)的電子、正/負離子密度減少［10-11］；③高頻帶來的是電暈區(qū)內(nèi)局部的活性基團的密度增加，電暈區(qū)外的空間電荷的密度沒有增加荷電粒子的驅(qū)進速度和粒子的擴散荷電量。

對比圖5、圖6發(fā)現(xiàn)，在7.5 kV和9.0 kV時除塵效率是隨脈沖寬度的增加而下降的，不同于6.0 kV下的規(guī)律。分析原因在于，6.0 kV時的電暈極僅處于電暈放電初始狀態(tài)（后面圖7顯示的臭氧濃度變化能加以說明），粒子沒有電暈放電荷電和在兩極間基壓電場下運動。根據(jù)公式（2）按能量的觀點，在7.5 kV和9.0 kV電壓下脈沖頻率增加時，除塵效率下降的原因可能是，起暈后僅在電極局部（電暈區(qū)）激發(fā)電離空氣，形成高密度電子、活性基。這些電子和活性基所形成的離子風(fēng)在脈沖結(jié)束前，沒有運動到電暈外區(qū)，同時，在電暈區(qū)內(nèi)存在的反應(yīng)e+O2→O+O+e消耗了高壓和高頻率帶來的能量增加，使臭氧（O3）的生成量增加，可能是這兩方面的原因使除塵效率在電壓增加、頻率增加時效率下降。

圖7分別給出了在7.5 kV和6.0 kV的峰值脈沖電壓下，頻率在100～300Hz時臭氧與脈寬間的關(guān)系曲線。圖7顯示，脈寬增加臭氧產(chǎn)生量增加，這種趨勢在高頻條件下更為明顯。由此可以進一步解釋圖6中的除塵效率與脈寬間的變化趨勢。

圖5—圖7均表明，在電壓不變時，脈沖寬度和頻率對除塵效率及臭氧濃度影響中，脈沖頻率具有的影響更大。根據(jù)占空比、頻率和脈寬間的關(guān)系

將式（3）代入式（2），可得

式中，Pmax為電源功率，W；Umax為電源峰值輸出電壓，V；Imax為峰值回路電流，A；f為脈沖重復(fù)頻率，Hz；w為脈沖寬度，s；T為周期，s。

從式（4）可知，脈沖電源的平均功率是脈沖頻率的二次函數(shù)，存在極值。而粉塵的去除和臭氧的產(chǎn)生均是基于消耗電源輸出功的電暈放電的。于是，脈沖頻率是影響除塵效率和臭氧產(chǎn)生的重要參數(shù)。

圖8較全面地給出了脈沖電壓、頻率和脈寬對除塵效率的影響。從圖8中可知，超細煙塵的去除效率在頻率為300 Hz、脈寬為30s、脈沖電壓為7.5 kV時最優(yōu)，其原因可從式（4）給予相應(yīng)的解釋。

3 總結(jié)

1）脈沖電暈場下，超細煙塵去除效率可達99.9%。

2）在脈沖電暈條件下，電暈放電的脈沖頻率對超細煙塵的去除效率影響最大。

3）電暈放電產(chǎn)生的O3消耗了部分能量供給，會使超細煙塵的去除效率降低。