靜電除塵技術(shù)及其影響因素的發(fā)展現(xiàn)狀

翟美丹，米俊鋒，馬文鑫，杜勝男，楊爽

(1.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國(guó)昆侖工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110000；3.遼河油田分公司供水公司，遼寧 盤錦 124010)

2020年兩會(huì)指出，煤在我國(guó)整體的能源消耗比例中約占50%以上[1]，煤燃燒產(chǎn)生的顆粒物是我國(guó)大氣污染粉塵產(chǎn)生的主要來源，也是造成空氣霧霾的主要原因。近年來，隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化的不斷進(jìn)步發(fā)展，大氣環(huán)境污染愈來愈嚴(yán)重，氣體污染物的排放問題受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[2]。2014年5月我國(guó)為了改善空氣質(zhì)量問題，特實(shí)施了《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13271—2014)，提高了鍋爐煙氣中煙塵、二氧化硫和氮氧化物排放濃度的標(biāo)準(zhǔn)，見表1。隨著國(guó)家對(duì)顆粒物的產(chǎn)生、超低排放和近零排放的要求，探索更高效、更節(jié)能、更環(huán)保的除塵技術(shù)已成為社會(huì)熱議的話題。

表1 大氣污染物排放限值

目前，常見的除塵器技術(shù)主要包括機(jī)械式除塵技術(shù)、濕式除塵技術(shù)、袋式除塵技術(shù)以及靜電除塵技術(shù)[3]。相較于其他幾種除塵技術(shù)，靜電除塵技術(shù)具有高效的除塵效率，有較好的發(fā)展及應(yīng)用前景[4]，同時(shí)具有易操作、阻力小等的特點(diǎn)，是環(huán)境質(zhì)量保證的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有重要研究意義。

本文介紹了傳統(tǒng)靜電除塵技術(shù)、霧化靜電除塵技術(shù)方面的研究及其主要影響因素，表明了傳統(tǒng)靜電除塵技術(shù)在廣泛應(yīng)用前仍存在一些問題，突出了霧化電暈放電靜電技術(shù)是未來發(fā)展的重要方向。除此之外，本文將對(duì)傳統(tǒng)、霧化除塵技術(shù)及其主要影響因素進(jìn)行淺析，以期為探索更有效改善大氣環(huán)境污染，提高空氣質(zhì)量的技術(shù)研究提供參考。

1 靜電除塵器的技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)60年代以來，隨著對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求日益嚴(yán)格，各國(guó)都制定了粉塵的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，亟需高效的除塵技術(shù)來滿足排放要求。靜電除塵器是一種符合當(dāng)前社會(huì)環(huán)保需求的除塵設(shè)備。但在其廣泛應(yīng)用前仍存在一些不足的問題。

1.1 傳統(tǒng)靜電除塵技術(shù)的研究

靜電除塵技術(shù)的除塵原理是通過靜電場(chǎng)發(fā)生電極反應(yīng)，使電暈放電，釋放出自由電子和離子，從而使塵粒上帶有相應(yīng)的電子，最終被集塵板捕集通過振打清除。由于其除塵效果好，且易操作而受到各行業(yè)青睞。20世紀(jì)90年代以后，靜電除塵器在大煙氣量、鍋爐工廠、火力發(fā)電或工況較復(fù)雜的煙塵污染治理中廣泛應(yīng)用。

電暈性能是影響靜電除塵器除塵效率的關(guān)鍵因素。Watanabe等[5]設(shè)計(jì)了一種新式靜電除塵器，結(jié)構(gòu)劃分為荷電區(qū)-凝并區(qū)-收塵區(qū)的三區(qū)式除塵器并在交變電場(chǎng)中對(duì)顆粒進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒物(直徑<1 μm)的濃度下降了20%，改變了靜電除塵器結(jié)構(gòu)影響粉塵荷電達(dá)到提高除塵效率的目的。Huang[6]發(fā)現(xiàn)了靜電除塵器在煙塵顆粒物捕集方面還存在一定的局限性。Lu等[7]在只考慮擴(kuò)散荷電小粒徑粒子情況下(0.1～5 μm)，通過數(shù)值模擬分析對(duì)粉塵荷電問題以及被捕集情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了粒徑0.2～1 μm的粒子的捕集效率相對(duì)較低。1993年Kanazawa[8]研究雙極荷電作用后的粉塵在靜電場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生凝并效果，使微納米顆粒物的去除效率達(dá)到80%。2016年Feng等[9]設(shè)計(jì)了一種混合除塵器，通過在靜電除塵器上添增纖維過濾器，從而增加了對(duì)粉塵的捕集效率。2017年，依成武等[10]通過對(duì)改良型的雙渦旋極板電除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬分析(圖1)。結(jié)果表明，這種除塵器可以形成良好的渦旋氣流，降低板間距對(duì)于除塵效率的影響，從而提高設(shè)備的性能。

圖1 幾何模型FRONTF方向視圖

2020年，劉海弟等[11]研究了在靜電場(chǎng)后設(shè)置兩個(gè)電性相反的大孔隙金屬絲網(wǎng)收塵極的除塵新方法，見圖2，研究發(fā)現(xiàn)該方法可以獲得較好的除塵效果，改進(jìn)后的設(shè)備除塵效率均可達(dá)到95%左右，對(duì)于油性粘性粉塵有一定的去除效果，但金屬絲網(wǎng)的清潔效率還需要進(jìn)一步研究探討。

圖2 新型除塵裝置圖

綜上所述，傳統(tǒng)靜電除塵器對(duì)于顆粒物的脫除往往具有局限性，目前仍存在粘性及含油顆粒物的脫除困難的問題[12]，靜電除塵技術(shù)受電場(chǎng)力影響較大，對(duì)于粘性顆粒物具有選擇性，無法達(dá)到高效清潔定期更換。因此對(duì)高效率并且經(jīng)濟(jì)實(shí)用便捷的靜電除塵器的研究就變得迫在眉睫[13]。

1.2 霧化靜電除塵技術(shù)的研究

18世紀(jì)Rose最早提出了靜電霧化現(xiàn)象。19世紀(jì)末，Rayleigh通過對(duì)霧化靜電機(jī)理進(jìn)行深入的研究，提出了Rayleigh極限，即理論上荷電霧滴能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的最大荷量的臨界條件。

霧化是在電場(chǎng)力的作用下，帶電水面受到的靜電作用力垂直于水面向外，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，靜電力逐漸增大，水面穩(wěn)定性逐漸降低，從而形成泰勒錐。由于霧化電暈放電技術(shù)可以增強(qiáng)相應(yīng)的電場(chǎng)力，因此增加了水面的電荷密度，提高了水分子的極化程度，進(jìn)而削弱了水面的表面張力。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)某種強(qiáng)度時(shí)，細(xì)水絲逐漸增多，從而產(chǎn)生了霧化現(xiàn)象[14]，并且極易與顆粒物產(chǎn)生碰撞吸附，凝結(jié)沉降，最終實(shí)現(xiàn)降塵除塵[15](見圖3)。

在Xu[16]的實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)中發(fā)現(xiàn)，靜電除塵器對(duì)于不同特性的粉塵去除效率大有不同，普遍對(duì)于粘性粉塵的去除效率較低。在Xu[17]研究中表明了霧化電暈放電形成等離子體技術(shù)在去除粘性粉塵方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不僅可以提升除塵效率，而且免清洗，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

霧化靜電除塵技術(shù)可以提高粉塵的捕集效率，對(duì)于粘性粉塵的去除也有較好的促進(jìn)作用；還可以隨時(shí)保持電極和集塵板的清潔，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高效的靜電除塵。

2 靜電除塵技術(shù)的影響因素

影響靜電除塵性能的因素有很多，除了自然影響的粉塵特性及屬性，還包括流量、流速[18]、靜電除塵器的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)。而現(xiàn)如今放電極的形式、溫度和陰極的材料對(duì)于除塵效率的影響也被研究人員逐漸重視，正在進(jìn)一步的探索，以求提高除塵效率。

2.1 放電極形式

放電極形式一般包括圓線、鋸齒線、螺旋線等，表2總結(jié)了幾種不同放電形式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況[19]。

表2 不同形式的放電極性能比較[20-23]

良好的放電極形式應(yīng)當(dāng)具有起暈電壓低、放電電流大及其機(jī)械性能良好等特點(diǎn)。高溫下，放電電流增大，擊穿電壓減小，相較于可以承受更高工作電壓的圓線，鋸齒線、芒刺線則較易擊穿，所以高溫情況下圓線能擁有更好的除塵效果。

Xu等[21]研究了在300～900 K的溫度下，不同形式的放電極對(duì)電暈放電以及顆粒捕集的影響。研究發(fā)現(xiàn)使用鋸齒狀陰極時(shí)，放電電流較大，并且能夠提高除塵效率，特別是對(duì)于微小顆粒(直徑<0.1 μm)的除塵效果更好，在溫度為300 K時(shí)，鋸齒陰極可達(dá)到99.8%的除塵效率，此時(shí)放電極應(yīng)選取鋸齒線；但在溫度達(dá)到700 K時(shí)，采用圓線電極除塵效果更好。

劉萬波等[19]在實(shí)驗(yàn)中采用高壓電源系統(tǒng)、線-筒式電暈放電反應(yīng)器，通過對(duì)COS轉(zhuǎn)化效率對(duì)圓線、鋸齒線和管狀芒刺線進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)表明，鋸齒線、管狀芒刺線起暈電壓和擊穿電壓相對(duì)較低，在相同SIE條件下，使用鋸齒形極線對(duì)COS的轉(zhuǎn)換率略高于管狀芒刺線極線，但其差異不大，而圓線對(duì)于COS的轉(zhuǎn)換率則要遠(yuǎn)大于二者。

Reguig等[22]通過改變電極形式來提高粉塵的去除效率，表明了芒刺極線的電極結(jié)構(gòu)收塵效率高、顆粒分離度好。Jido[23]在錐形和環(huán)形組合電極下進(jìn)行靜電霧化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，組合情況下改變電極適當(dāng)參數(shù)可以促進(jìn)霧化，有利于顆粒物的捕集。

放電極形式對(duì)于除塵效率有重要影響，應(yīng)結(jié)合優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)條件，從粉塵特性、放電特性、機(jī)械強(qiáng)度等方面考慮，選取最佳放電極形式，以達(dá)到最佳的除塵效果。

2.2 溫度

2.2.1 對(duì)放電伏安特性的影響 劉萬波等[19]實(shí)驗(yàn)研究了50～250 ℃的不同溫度條件下的伏安特定曲線，起暈電壓和擊穿電壓會(huì)隨溫度的升高而降低，在電壓相同的情況下，溫度越高電流越大；實(shí)驗(yàn)中顯示擊穿電壓下降的比起暈電壓快，導(dǎo)致操作電壓范圍降低，靜電除塵器的放電性能會(huì)造成影響。Bologa[24]在實(shí)驗(yàn)中也證明了上述觀點(diǎn)。

許希等[25]實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著溫度的升高，相同電壓下的電流密度增大，但不同溫度下的電流密度浮動(dòng)不大，在500 ℃時(shí)，電流密度最大值為 2.32 mA/m2；400 ℃時(shí)，其最小值為1.82 mA/m2。而除塵器最大操作電壓隨溫度的上升明顯降低，在400 ℃時(shí)，電壓的最大值可達(dá)21.9 kV；在700 ℃時(shí)，電壓的最小值僅為14.3 kV。

綜上所述，溫度升高會(huì)導(dǎo)致氣體分子劇烈運(yùn)動(dòng)，與高能電子的碰撞機(jī)率升高，使得相對(duì)自由電子數(shù)目增加，所以電流增大；溫度升高會(huì)使其放電電流增大，而相對(duì)應(yīng)的可操作電壓范圍會(huì)受到限制從而影響除塵器的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.2 對(duì)粉塵比電阻的影響 粉塵的比電阻會(huì)隨溫度的升高先增大后減小，最適合靜電除塵器運(yùn)行的比電阻為104～1010Ω·cm[26]。

Mohanty等[27]實(shí)驗(yàn)研究了不用溫度下對(duì)于粉塵比電阻的影響，結(jié)果分為三類。第一類：當(dāng)溫度 <150 ℃ 時(shí)，粉塵比電阻受其成分及濕度的影響，此時(shí)粉塵比電阻隨溫度的升高而升高；第二類：當(dāng)溫度為150～225 ℃時(shí)，傳導(dǎo)機(jī)制和體積傳導(dǎo)機(jī)制共同起作用，此時(shí)比電阻浮動(dòng)不大；第三類：當(dāng)溫度 >225 ℃ 時(shí)，粉塵比電阻沒有其他影響會(huì)隨溫度的升高而降低。

當(dāng)粉塵比電阻較低時(shí)，其難以吸附在集塵板上，易再次回到電場(chǎng)，影響除塵器的除塵效率；當(dāng)粉塵比電阻過高時(shí)，粉塵吸附在集塵板上從而形成粉塵層，進(jìn)而影響設(shè)備運(yùn)行[28]。為克服此類問題，一種方式是使用高頻脈沖電源技術(shù)，主要以窄脈沖(120 μm 及以下)電壓輸出為基本工作方式，具有節(jié)能、防止反電暈、除塵效率高等特點(diǎn)；另一種為了防止除塵效率受到影響而采用將高比電阻粉塵與低比電阻粉塵進(jìn)行混合的方式。

2.2.3 對(duì)除塵效率的影響 沈之旸等[29]將實(shí)驗(yàn)分為冷態(tài)實(shí)驗(yàn)和熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，即分別測(cè)試常溫、高溫下除塵器顆粒物的捕集性能。在563，768，903，1 020 K的不同溫度下，相對(duì)應(yīng)的除塵效率分別為93.3%，85.4%，78.7%，73.2%。研究表明，隨著溫度的升高，靜電除塵器的除塵效率和驅(qū)進(jìn)速度都有較為明顯的降低。

米俊鋒等[14]實(shí)驗(yàn)中表明霧化電暈放電電流將會(huì)大于傳統(tǒng)靜電除塵器的電流，其原因是在電場(chǎng)力的作用下，在放電極表面由于荷電形成多錐射流，改變了兩極間距，從而增大了放電電流，影響了設(shè)備的除塵效率。

綜上所述，隨著溫度的升高，放電伏安特性的變化對(duì)顆粒的靜電捕集有重要影響。煙氣的粘性會(huì)隨溫度的升高而逐漸增加，從而使得顆粒所受粘性增加，顆粒物的捕集效率逐漸降低。除此之外，高溫對(duì)于靜電除塵器的機(jī)械性能、強(qiáng)度及其穩(wěn)定性都有一定的影響。靜電除塵器如何在高溫中穩(wěn)定運(yùn)行還需進(jìn)一步研究。

2.3 放電極材料

放電極材料(陰極電極)應(yīng)選取電導(dǎo)率大的材料。原因是由于電暈電流會(huì)隨電導(dǎo)率的增加而變大，從而正負(fù)離子的產(chǎn)生量增多，顆粒物之間的碰撞率增強(qiáng)，顆粒的荷質(zhì)比也就越大。呂俊翔實(shí)驗(yàn)表明在相同流量、溫度、直徑的情況下，不銹鋼的顆粒荷質(zhì)比不及紫銅的顆粒荷質(zhì)，所以紫銅的性能要優(yōu)于不銹鋼，其相對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率更大[30]。段曉勇等[31]采用了一種制備石墨烯和鐵氧化物復(fù)合材料的方法，在靜電場(chǎng)利用石墨烯表面的含氧官能團(tuán)將Fe3+吸附到石墨烯上，同時(shí)探究不同的干燥處理方式(冷凍干燥和鼓風(fēng)干燥)對(duì)石墨烯的影響，發(fā)現(xiàn)冷凍干燥使復(fù)合材料可以增強(qiáng)電化學(xué)性能。

除了選擇電導(dǎo)率更大的紫銅、銀或石墨烯作負(fù)極，一些研究學(xué)者將電極表面涂稀土金屬，研究其特性以及除塵效率，結(jié)果表明這樣也可以增加電導(dǎo)率，進(jìn)而提高除塵效率[32]。現(xiàn)如今，石墨烯是強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最優(yōu)異、最薄的一種新型納米材料，在光、電、熱和力領(lǐng)域均具有突出的應(yīng)用效果，在環(huán)保方面的應(yīng)用是為了研究進(jìn)步的新方向[33]；聚四氟乙烯(PTFE)膜具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤(rùn)滑不粘性、化學(xué)惰性和疏水性等特性(結(jié)構(gòu)見圖4)，被廣泛用于紡織、化工、環(huán)保等領(lǐng)域。降低含油顆粒吸附在放電極板上，方便清潔的同時(shí)可以避免影響靜電場(chǎng)力，從而保障高效穩(wěn)定的除塵效率[34]。

圖4 PDFE結(jié)構(gòu)示意圖

面對(duì)日益嚴(yán)格的塵煙排放濃度要求和各國(guó)家對(duì)于除塵設(shè)備的需求程度。除了供電方式、除塵設(shè)備的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)等實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于陰極材料的探索更新，尋求新的科學(xué)技術(shù)手段，將是未來靜電除塵設(shè)備發(fā)展的重要方向。

3 討論

目前，我國(guó)靜電除塵技術(shù)處于發(fā)展階段，在保留其較高效率、阻力小、較低能耗的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，靜電除塵技術(shù)聯(lián)合霧化電暈放電手段顯著增強(qiáng)粘性或含油顆粒物的脫除效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)粘性、含油粉塵的高效脫除。除此之外，放電極形式、溫度、放電極材料等都將影響顆粒物的除塵效率。

(1)在高溫高壓的條件下更適用于圓線；而芒刺線對(duì)于高濃度的粉塵，收塵效率較高。

(2)隨溫度的升高，分子運(yùn)動(dòng)變得更劇烈，引起電流、電壓的變化，其中起暈電壓、擊穿電壓均降低，電流密度升高；粉塵比電阻隨溫度升高先升高后降低，為了保證除塵效果穩(wěn)定，采用高頻脈沖電源技術(shù)或高、低比電阻混合方案，提高除塵效率。

(3)對(duì)于陰極電極材料，電導(dǎo)率越大，電暈電流越大，相應(yīng)的正負(fù)離子越多，與顆粒的碰撞效果越強(qiáng)，則除塵效率更佳。

隨著政策相關(guān)規(guī)定的陸續(xù)實(shí)施，我國(guó)的環(huán)境治理及其污染防治的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)逐步升級(jí)，靜電除塵技術(shù)亟需改進(jìn)更新。不管對(duì)于傳統(tǒng)靜電除塵器還是霧化靜電除塵器，溫度、放電極形式及材料等因素都對(duì)其除塵效率、設(shè)備使用性能產(chǎn)生影響。單一的影響因素在實(shí)驗(yàn)中較易找到其最佳的除塵效率，將各個(gè)影響因素協(xié)同作用，找到最佳組合方式，從而使其除塵效率最大化，將被寄予更大的期望。

4 結(jié)論

靜電除塵器的高效除塵效率是保障環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵，具有重要的研究意義。靜電除塵器技術(shù)的相關(guān)研究雖取得了相應(yīng)的進(jìn)展，但對(duì)于煙氣的選擇性、除塵效率仍存在一些問題。霧化電暈放電技術(shù)可以在靜電除塵技術(shù)的基礎(chǔ)上有效提高含油性或含水性粉塵、細(xì)小微粒的捕集除塵效率。并深入研究除塵技術(shù)相關(guān)機(jī)理，創(chuàng)新除塵設(shè)備的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用分析改進(jìn)其可行性，霧化靜電除塵技術(shù)未來應(yīng)用前景十分廣闊。此外，除塵技術(shù)的影響因素具有一定的耦合性，還需要進(jìn)一步研究，以達(dá)到更好的社會(huì)和環(huán)境效益。