靜電除塵的原理及演示實驗的改進

陸奕　馬媛媛

摘 要：借鑒工業(yè)電除塵對靜電除塵器原理的研究與技術措施，對靜電除塵演示器的器材選取、制作方法、制作要點、演示方法進行了研究。采取相應的措施改進教學用靜電除塵演示器，收到了較好的實驗效果。

關鍵詞：靜電除塵；原理；改進；靜電除塵演示器；

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）3-0058-3

1 問題的發(fā)現(xiàn)與提出

學習過3-1《電場》后，我們了解到靜電除塵是靜電原理最重要的應用之一，是應用物理學改善環(huán)境、保護環(huán)境的典型實例，在處理工業(yè)煙霧污染方面卓有成效?？上倚嶒炇依餂]有配備相應的演示裝置，在講授“靜電的利用和防止”后，為了讓學生親眼看到靜電除塵的效果，筆者決定動手設計制作一臺靜電除塵演示器。

在教師用書的實驗參考資料上，介紹了一個實驗裝置。其缺陷是：①鐵筒遮擋視線，無法直觀看到除煙塵的過程；②沒有對器材規(guī)格加以說明，不能確定如何使實驗效果顯著；③中間金屬線難以穩(wěn)定。

筆者又查閱了文獻中的一些改進實驗[1]，尋找改進除塵演示器的方法。

2 對靜電除塵器原理的研究

1907年，科特雷爾（Cottrell）首先將靜電收塵技術用于凈化工業(yè)煙氣獲得成功。如今，靜電除塵器已經(jīng)廣泛應用于鋼鐵工業(yè)、有色冶金、建材工業(yè)、電力工業(yè)、化學工業(yè)、輕紡工業(yè)以及其他工業(yè)領域乃至民用領域。

工業(yè)電除塵中對靜電除塵器原理的研究與技術進步，應當對制作靜電除塵演示器有所幫助。

2.1 靜電除塵器的基本原理

靜電除塵器是在兩個曲率半徑相差很大的金屬陽極和陰極上，通過高壓直流電，在兩極間維持一個足以使氣體電離的靜電場。氣體電離后產生的電子、陰離子與陽離子附著在通過電場的粉塵上，使粉塵帶電。荷電粉塵在電場力的作用下，便向極性相反的電極運動而沉降在電極上，從而使粉塵與氣體分離。通過清灰過程把附著在電極上的粉塵振落，使其掉入灰斗中。圖2是管式靜電除塵器的工作原理示意圖。在金屬絲的一端施加負極性高壓直流電，該金屬絲位于接地的金屬圓筒的軸線上。當外加電壓達到一定值時，在金屬絲的表面上就會出現(xiàn)青藍色輝光點，并發(fā)出嘶嘶聲，這種現(xiàn)象稱為電暈放電。因此，常把放電極線稱為電暈極。此時，若從金屬圓筒極底部通入含塵氣體，粉塵就會在電場中與負離子相碰撞而荷電，并在電場力作用下向圓筒極運動而沉降在圓筒的內壁上，于是粉塵被捕集。

2.2 氣體的電離

在靜電除塵器中，使塵粒帶有足夠大的電量是通過氣體的電離實現(xiàn)的?？諝馔ǔ顟B(tài)下是不能導電的絕緣體。但是，當氣體分子獲得足夠的能量時就能使氣體分子中的電子脫離而成為自由電子，這些電子成為輸送電流的媒介，氣體就具有導電的本領了。使氣體具有導電本領的過程稱為氣體的電離。

設在空氣中有一對電極，其中一極的曲率半徑遠小于另一極的曲率半徑。如一根極線對一個極板，如圖3所示。由于空氣（大氣）受到X光、紫外線或其他背景輻射作用產生為數(shù)很少的自由電子，這些電子不足以形成電流，因而空氣是不導電的。但當施加在極板上的電壓升至一定值時，就可使原來空氣中存在的少量自由電子獲得足夠的能量而加速到很高的速度。高速電子與中性的空氣分子相碰撞時，可以將分子外層軌道上的電子撞擊出來，形成正離子和自由電子。這些電子又被加速，再轟擊空氣分子又產生更多的新電子和正離子。這個連鎖過程發(fā)展得極快，使氣體得以電離。自由電子快速形成的過程稱為電子雪崩。這個過程伴有發(fā)光、發(fā)熱現(xiàn)象，即所謂的電暈放電現(xiàn)象。

出現(xiàn)電暈后，在電場內形成兩個不同的區(qū)域（圖3）。圍繞放電極很小的范圍內，約為1 mm，稱之為電暈區(qū)。在這一區(qū)內，場強極高使氣體電離，產生帶電的自由電子和離子。若極線上施加負電壓時，產生負電暈，這時所產生的電子向接地極運動。而正離子向電暈極運動。當極線上施加正電壓時，為正電暈放電，這時正離子向接地極運動，而電子向電暈極運動。對正電暈放電情況：在正電暈區(qū)狹小的范圍內，電子雪崩現(xiàn)象起始于電暈區(qū)邊緣，電極線表面場強最大。電子向內運動時，沒有機會被空氣分子吸收，因而不產生負離子。對負電暈放電情況：在電暈區(qū)以外稱為電暈外區(qū)，它占有電極間的大部分空間，此區(qū)場強急劇下降，電子的能量小到無法使空氣分子電離，電子碰撞到中性空氣分子并附著其上形成負離子。粒子的荷電主要在電暈外區(qū)進行。

由上述討論可知，只有在曲率半徑很小的電極產生非均勻電場的情況下，才會產生電暈放電現(xiàn)象，均勻電場不發(fā)生電暈。在離電暈極較遠的地方，電場強度小，離子的運動速度也較小，那里的空氣還沒有被電離。如果進一步提高電壓，空氣電離（電暈）的范圍逐漸擴大，最后極間空氣全部電離，這種現(xiàn)象稱為電場擊穿。電場擊穿時，發(fā)生火花放電，電路短路，電除塵器停止工作。為了保證電除塵器的正常運動，電暈的范圍不宜過大，一般應局限于電暈極附近。其理論上的進一步研究可查閱參考文獻[2]—[4]。

結論1：起暈電壓可以通過調整放電極的幾何尺寸來實現(xiàn)。電暈線越細，起暈電壓越低。

電除塵器達到火花擊穿的電壓稱為擊穿電壓。擊穿電壓除與放電極的形式有關外，還取決于正、負電極間的距離和放電極的極性。對放電極的基本要求為放電性能好，即起暈電壓低、擊穿電壓高、電暈電流強。

結論2：在相同電壓下通常負電暈電極產生較高的電暈電流，且擊穿電壓也高得多 。因此，我們采用穩(wěn)定性強，操作電壓和電流高的負電暈極。

2.3 塵粒的荷電

電暈區(qū)內的空氣電離后，正離子很快向負（電暈）極移動，只有負離子才會進入電暈外區(qū)，向陽極移動。含塵空氣通過電除塵器時，由于電暈區(qū)的范圍很小，只有少量的塵粒在電暈區(qū)通過，獲得正電荷，沉積在電暈極上。大多數(shù)塵粒在電暈外區(qū)通過，獲得負電荷，最后沉積在陽極板上，這就是陽極板稱為集塵極的原因。

塵粒荷電是電除塵過程的重要一步。在電除塵器內存在兩種不同的荷電機理。一種是離子在靜電力作用下做定向運動，與塵粒碰撞，使其荷電，稱為電場荷電。另一種是離子的擴散現(xiàn)象導致塵粒荷電，稱為擴散荷電。對dc>0.5 μm的塵粒，以電場荷電為主；對dc<0.2 μm的塵粒，則以擴散荷電為主；dc介于0.2～0.5 μm的塵粒則兩者兼而有之。在工業(yè)電除塵器中，通常以電場荷電為主。

結論3：采用寬間距兩極，有利于粉塵的荷電及捕集。

2.4 粉塵的比電阻

靜電除塵器的性能，很大程度上取決于粉塵的比電阻。與正常除塵效率相對應的比電阻范圍大致在104～5×1010 Ω·cm。沉積在集塵極表面的高比電阻粒子導致在低電壓下發(fā)生火花放電或在集塵極發(fā)生反電暈現(xiàn)象，通常當高比電阻高于2×1010 Ω.cm時，較易發(fā)生火花放電或反電暈，破壞正常電暈過程。

高比電阻粉塵到達集塵極后，電荷釋放很慢，這樣集塵極表面逐漸積聚了一層荷負電的粉塵層。由于同性相斥，使隨后塵粒的驅進速度減慢。另外，隨粉塵層厚度的增加，在粉塵層和極板之間形成了很大的電壓降ΔU。

在粉塵層內部包含著許多松散的空隙，形成了許多微電場。隨ΔU的增大，局部地點微電場擊穿，空隙中的空氣被電離，產生正、負離子。ΔU繼續(xù)增高，這種現(xiàn)象會從粉塵層內部空隙發(fā)展到粉塵層表面，大量正離子被排斥，穿透粉塵層流向電暈極。在電場內它們與負離子或荷負電的塵粒接觸，產生電生中和。大量中性塵粒由氣流帶出除塵器，使除塵器效果急劇惡化，這種現(xiàn)象稱為反電暈。是靜電除塵技術中所面臨的重大研究課題[3]。

結論4：增濕可以降低比電阻，提高除塵效率。所以噴煙霧不僅煙霧大演示效果好，而且能夠生動地向學生宣傳吸煙有害健康，更重要的是煙氣中含有的水蒸氣，對靜電除塵器的運行是有利的。

2.5 高壓電源

高壓供電設備提供粒子荷電和捕集所需要的高場強和電暈電流。

感應起電機無法確定其極性，高壓發(fā)生器和高壓感應圈可以確定極性，又因為脈沖供電可提高電壓和電暈電流，從而可改善電除塵器的性能。所以，選用高壓感應圈（高壓輸出：10 KV～80 KV連續(xù)無級可調）。

結論5：選用高壓感應圈，可提高電壓和電暈電流，從而可改善電除塵器的性能。

3 對靜電除塵演示器的技術改進

針對以上五點結論，筆者對靜電除塵演示器進行技術了改進。

器材：0.31 mm漆包線16 cm（改進1：細電暈極），0.59 mm漆包線約80 cm，量水筒一只（改進2：寬間距兩極），高壓感應圈一個（改進3：提供脈沖高電壓），導線兩根。制作如圖4所示。

演示時將煙噴入量水筒（改進4：對煙霧調質，降低比電阻），電暈線接高壓感應圈負極（改進5：控制為負電暈極），外繞線圈接正極，通電后，煙霧迅速消失，演示效果明顯改善。

參考文獻：

[1]季永青. 自制靜電除塵演示器[J].實驗教學與儀器，2006，（9）：41.

[2]楊金艷.淺談靜電除塵原理[J].天津冶金.1997，（3）：45.

[3]楊勇.靜電除塵技術在高壓火電廠中的應用分析[J].中國科技博覽，2010，（15）：292.

[4]陳鵬，胡紹偉，王永，徐偉.淺談靜電除塵技術的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].China Academic Journal Electronic Publishing House.2011.

[5]陸險峰，馬媛媛. 《劃時代的發(fā)現(xiàn)》聽課札記[J].物理教學探討，2014，（7）：73.

（欄目編輯 王柏廬）