靜電除塵原理與在通風(fēng)空調(diào)中應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上靜電除塵原理與在通風(fēng)空調(diào)中應(yīng)用作者：沈晉明 上海同濟(jì)大學(xué)教授、博導(dǎo)，中國(guó)潔凈技術(shù)委員會(huì)副主任一引言靜電吸附空氣中塵粒的原理古代就被人們所認(rèn)識(shí)，但利用靜電除塵的設(shè)想直到19世紀(jì)初才形成。第一臺(tái)用于實(shí)際工程的電除塵器是在1907年誕生，至今已有100年，靜電除塵技術(shù)在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域中排風(fēng)中除塵應(yīng)用是到從20世紀(jì)30年代才開(kāi)始，而在室內(nèi)除塵方面應(yīng)用則晚到20世紀(jì)60年代。對(duì)于暖通空調(diào)來(lái)說(shuō)進(jìn)風(fēng)技術(shù)與排風(fēng)技術(shù)的要求差異很大，不能混為一談。因此本文從這個(gè)層面上探討一下靜電除塵器的原理與應(yīng)用。二排風(fēng)用靜電除塵器靜電除塵器要在實(shí)際通風(fēng)除塵工程上應(yīng)用，必須制造出兩個(gè)電場(chǎng)，一個(gè)電場(chǎng)使空氣中

2、塵埃荷電，稱(chēng)為荷電電場(chǎng)；另一個(gè)電場(chǎng)使荷電塵粒分離收集，稱(chēng)為分離電場(chǎng)。一般荷電場(chǎng)的放電極（有金屬絲、桿、各種片狀）連接高壓直流電源的負(fù)極，分離電場(chǎng)的集塵極（有平板、圓柱或棱柱）接地為正極。兩極之間所形成的高壓電場(chǎng)。在電場(chǎng)作用下，空氣中的自由離子要向兩極移動(dòng)，電壓愈高、電場(chǎng)強(qiáng)度愈高。離子的運(yùn)動(dòng)速度愈快。由于離子的運(yùn)動(dòng)，在兩極間形成了電流。開(kāi)始時(shí)，空氣中的自由離子少，電流較少。電壓升高到一定數(shù)值后，放電極附近的離子獲得了較高的能量和速度，撞擊空氣中的中性原子。將中性原子會(huì)電離成正、負(fù)離子?？諝怆婋x后，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，兩極間移動(dòng)的離子數(shù)大大增加，使得極間的電流急劇增加，空氣導(dǎo)電。當(dāng)放電極周?chē)目諝馊侩?/p>

3、離后，在放電極周?chē)霈F(xiàn)淡藍(lán)色的光環(huán)，即產(chǎn)生了電暈。放電極（金屬桿）電暈范圍通常只是周?chē)鷰缀撩滋?。由于電暈區(qū)的范圍很小，只有正離子進(jìn)入電暈內(nèi)區(qū)，少量的塵粒在電暈內(nèi)區(qū)通過(guò)，獲得正電荷，沉積在電暈極上。而負(fù)離子進(jìn)入電暈外區(qū)，與大量在電暈外區(qū)通過(guò)的塵粒相碰，獲得負(fù)電荷，最后沉積在集塵極（陽(yáng)極板）上。由于負(fù)離子活躍，大大提高了塵粒的負(fù)電率，使得除塵率保持很高的水平。當(dāng)塵埃聚集到一定程度，需要清灰。電除塵器在運(yùn)行時(shí)，由于排風(fēng)（如煙氣）工況是隨時(shí)變化的，施加的電壓必須在電流隨排風(fēng)工況變化時(shí)進(jìn)行調(diào)整，否則不能保證電除塵器高效率穩(wěn)定運(yùn)行。因此要使電除塵器達(dá)到高效運(yùn)行，必須具有良好的高壓供電、自動(dòng)控制和完善的保護(hù)

4、措施：如交流輸入浪涌保護(hù)、交流過(guò)壓保護(hù)、交流短路保護(hù)、高壓電源過(guò)溫保護(hù)、電暈器電源過(guò)流/短路保護(hù)、集塵器電源短路保護(hù)、外殼接地保護(hù)等等。因此從靜電除塵原理上講，采用負(fù)電暈、電壓越高、電暈越穩(wěn)定、集塵極的長(zhǎng)度越大、控制越好、靜電除塵效率越高。靜電除塵器適用于除去煙塵中0.0150m塵粒，而且煙塵濃度越高、效率也越明顯。實(shí)踐表明，處理的煙塵量越大，使用靜電除塵器的投資和運(yùn)行費(fèi)用越經(jīng)濟(jì)。另外靜電對(duì)于處理對(duì)象溫度與壓力不敏感，因此非常適用處理工業(yè)塵的排風(fēng)。由于負(fù)電暈起暈電壓高，電壓一般高達(dá)幾萬(wàn)伏至幾十萬(wàn)伏。負(fù)電暈穩(wěn)定，分離效率高。因此用于排風(fēng)的靜電除塵器均采用負(fù)電暈。當(dāng)然如此高的電壓，所產(chǎn)生的臭氧和氮

5、氧化物量也大，但是高濃度的臭氧和氮氧化物隨排風(fēng)排入大氣，很快被稀釋了，不會(huì)產(chǎn)生任何危害。大型工業(yè)用電除塵器一般處理風(fēng)量大、電壓高、極距寬、電場(chǎng)長(zhǎng)度長(zhǎng)、通風(fēng)截面大、收塵效率高等特點(diǎn)。電暈極多為芒刺形、星形等，集塵極多為板式、管式等，電場(chǎng)長(zhǎng)度均在數(shù)米以上。為進(jìn)一步提高除塵效率，常將荷電電場(chǎng)和分離電場(chǎng)分設(shè)（稱(chēng)為雙區(qū)型），保證有足夠的時(shí)間使塵粒荷電。又加大橫截面積，限制了電場(chǎng)風(fēng)速，提高了集塵效率。再加上高可靠的供電與自控系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定。盡管排風(fēng)用靜電除塵器的體積都很龐大，但排風(fēng)氣流一次通過(guò)效率很高，均在99%以上。靜電除塵器的優(yōu)點(diǎn) 凈化效率高，能夠鋪集0.01微米以上的塵粒。 阻力損失小，耗電量也比較

6、小。 允許排風(fēng)溫度較高。 處理氣體范圍量大。 可以實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)控制。 靜電除塵器的缺點(diǎn): 設(shè)備比較復(fù)雜，對(duì)設(shè)備制作和安裝以及維護(hù)管理水平要求高。 對(duì)塵粒比電阻有一定要求。對(duì)處理塵粒有一定的選擇性，不可能對(duì)所有塵粒都有很高的凈化效率。 受氣溫、濕度等運(yùn)行條件影響，溫濕度會(huì)影響塵粒比電阻值，也會(huì)引起結(jié)露爬電高壓擊穿，破壞電場(chǎng)運(yùn)行。三進(jìn)風(fēng)用靜電除塵器用于進(jìn)風(fēng)的靜電除塵器直到1935年由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Penny博士才首次研制成功。主要是安全問(wèn)題難以解決。他很聰明利用了陽(yáng)極電暈（或稱(chēng)正電暈）放電原理，使得起暈電壓降低，所產(chǎn)生的臭氧和氮氧化物量大大減少，這對(duì)用于進(jìn)風(fēng)用的靜電凈化器十分重要，因?yàn)樗?wù)

7、對(duì)象是室內(nèi)的人和工藝，送風(fēng)的安全、穩(wěn)定和可靠是關(guān)鍵，故對(duì)于設(shè)置室內(nèi)常稱(chēng)為靜電式空氣凈化器。但是正電暈不穩(wěn)定，容易造成電場(chǎng)閉塞，須有一定技術(shù)才能解決。正電暈與上述負(fù)電暈相反，是正離子進(jìn)入電暈外區(qū)，與在電暈外區(qū)通過(guò)塵粒的相碰，使空氣中的塵粒帶正電荷，捕集到集塵極上，達(dá)到凈化空氣的目的。與負(fù)電暈相比，正電暈有許多缺點(diǎn)，如電暈不穩(wěn)、正離子使塵粒荷電率較低，除塵效率不高。如上所述，靜電凈化器對(duì)高濃度小微?？刂戚^適用，比如香煙煙塵等，但進(jìn)風(fēng)實(shí)際處理的對(duì)象是大氣塵，其濃度不可能那么高，運(yùn)行效果并不明顯。靜電凈化器的確具有抑菌效果，從原理上講電暈范圍很小，是空氣電離與塵粒荷電，而不是“觸電身亡”，抑菌效率不可

8、能100%。靜電凈化器適合于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的場(chǎng)所，因?yàn)椴恍枰芨叱龎m效率。但不要用于有較高無(wú)菌要求的場(chǎng)合。萬(wàn)一運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題，菌、塵可以毫無(wú)阻攔地進(jìn)入無(wú)菌室，失去了保障體系的意義。從這層意義上講，采用靜電空氣凈化裝置對(duì)無(wú)菌室不是減少微生物污染的風(fēng)險(xiǎn)，而是增加了一個(gè)隱患。為此GB50333醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范明確規(guī)定靜電空氣凈化裝置不得作為潔凈手術(shù)室的末級(jí)凈化設(shè)施。如要使用，在其末端必須要設(shè)置高效空氣過(guò)濾器。對(duì)于高度無(wú)菌（如無(wú)菌病房、器官移植手術(shù)室等）和生物安全（如SARS病房、生物安全實(shí)驗(yàn)室等）唯一被國(guó)內(nèi)外認(rèn)可的除菌裝置就是高效過(guò)濾器。另外，用于進(jìn)風(fēng)或設(shè)置在室內(nèi)的靜電凈化器受安裝空間制

9、約，體積較小。小型靜電凈化器的設(shè)計(jì)理論、結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣流參數(shù)、電氣參數(shù)和性能參數(shù)的選取、計(jì)算，與傳統(tǒng)大型工業(yè)靜電除塵器不同。為了縮小體積，常將荷電電場(chǎng)和分離電場(chǎng)合二為一，稱(chēng)為單區(qū)型，電場(chǎng)長(zhǎng)度縮短。電暈極一般采用細(xì)圓管或合金絲。集塵極常采用蜂窩式、方形、圓管等，其中蜂窩式集塵表面積最大，使用最為廣泛。為了安全使用，必須降低電壓，常采用低高壓，小極距。在靜電凈化器中，作為產(chǎn)生電暈放電和集塵極的主體，直接關(guān)系到電除塵器能否持續(xù)高效、安全運(yùn)行。但為了降低成本，選材、零部件制造工藝與裝配精度要求不高，加上高壓供電與自控裝置也較為簡(jiǎn)陋，其可靠性當(dāng)然無(wú)法與排風(fēng)用靜電除塵器相比。對(duì)于靜電空氣凈化裝置的性能更要強(qiáng)

10、調(diào)不在于初期的測(cè)試，而在于日常運(yùn)行。運(yùn)行中常出現(xiàn)打火花、電暈閉塞、電場(chǎng)擊穿、返混現(xiàn)象、二次揚(yáng)塵等現(xiàn)象，穩(wěn)定性較差，造成瞬時(shí)濃度劇升。因此常常在其前后設(shè)置空氣過(guò)濾器。至于在運(yùn)行中頻出火花引起臭氧和氮氧化物劇升，那是毫無(wú)辦法。有的不得不后置活性碳吸附器，增加這么多的附件，往往將靜電凈化器的優(yōu)點(diǎn)蕩然無(wú)存。鑒于用于進(jìn)風(fēng)或設(shè)置在室內(nèi)的靜電凈化器效率偏低、不穩(wěn)定，不得不采用“室內(nèi)自循環(huán)效率”來(lái)替代通風(fēng)空調(diào)規(guī)范中規(guī)定的“一次通過(guò)效率”?？傊瑥囊陨戏治隹芍?，進(jìn)風(fēng)用的靜電凈化器由于采用正電暈、體積小、價(jià)格低等自身原因，要將凈化效率提高、運(yùn)行穩(wěn)定實(shí)是不易，或者說(shuō)先天不足。自二十世紀(jì)三十年代發(fā)明以來(lái)，不斷推廣使用

11、，又不斷被拋棄淘汰，周而復(fù)始，已歷經(jīng)幾個(gè)周期。當(dāng)然每一個(gè)周期總伴隨著一些技術(shù)進(jìn)步，又發(fā)現(xiàn)新的不足。相對(duì)來(lái)說(shuō)排風(fēng)用靜電除塵器幾十年來(lái)一直被市場(chǎng)所認(rèn)可，而用于進(jìn)風(fēng)或設(shè)置在室內(nèi)的靜電凈化器幾乎沒(méi)有一臺(tái)長(zhǎng)期使用至今。兩者的差異見(jiàn)表1。表1 進(jìn)風(fēng)用和排風(fēng)用的靜電除塵器比較用途進(jìn)風(fēng)用靜電除塵器排風(fēng)用靜電除塵器服務(wù)對(duì)象室內(nèi)人員、或生產(chǎn)工藝室外大氣環(huán)境處理對(duì)象大氣塵工業(yè)塵要求保障室內(nèi)人員健康，滿足工藝要求，強(qiáng)調(diào)安全、可靠滿足環(huán)境排放要求，強(qiáng)調(diào)除塵效率塵粒濃度控制保證穩(wěn)定的低濃度送風(fēng)，滿足室內(nèi)含塵濃度控制要求。排放總量控制，允許“一次最高容許排放濃度”有害氣體控制嚴(yán)格控制臭氧和氮氧化物有要求，但不強(qiáng)調(diào)電暈采用正

12、電暈、起暈電壓低采用負(fù)電暈、起暈電壓高集塵極采用負(fù)極，長(zhǎng)度短采用正極，長(zhǎng)度長(zhǎng)電場(chǎng)常采用單區(qū)型，塵粒荷電時(shí)間短常采用雙區(qū)型，塵粒荷電時(shí)間短效率荷電率與除塵效率較低荷電率與除塵效率較高裝置體積小、價(jià)格低體積大、價(jià)格高高壓供電、自控、保護(hù)措施較低較高通風(fēng)末端要求末端要求設(shè)置空氣過(guò)濾器無(wú)要求四結(jié)語(yǔ)總的來(lái)說(shuō)，對(duì)氣溶膠微粒荷電原理認(rèn)識(shí)不夠，離子和粒子等在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律還未被充分認(rèn)識(shí)，尤其是靜電除塵非穩(wěn)態(tài)過(guò)程的研究，對(duì)不同性質(zhì)的氣溶膠凈化除塵措施有待改進(jìn)。靜電除塵器的抑菌和分解VOC機(jī)理更是了解甚少，靜電除塵理論仍然落后于實(shí)踐。盡管市面上眾說(shuō)紛紜，如從進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)技術(shù)的要求，以及靜電除塵的原理，不難可以看出

13、進(jìn)風(fēng)用和排風(fēng)用的靜電除塵器的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)所，使我們保持清醒的頭腦。特別是對(duì)于進(jìn)風(fēng)或設(shè)置在室內(nèi)的靜電凈化器來(lái)說(shuō)，室內(nèi)人員安全、可靠是最大前提。要在正電暈、小體積、低價(jià)格的條件下提高靜電凈化器性能實(shí)屬不易。從使用歷史看，靜電凈化器不斷推廣使用，又不斷被拋棄淘汰，每經(jīng)一個(gè)周期總伴隨著一些技術(shù)進(jìn)步，也發(fā)現(xiàn)靜電凈化技術(shù)不足。當(dāng)然靜電除塵也在受到各種新技術(shù)的挑戰(zhàn)，低阻、高效、安全的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。尤其是進(jìn)風(fēng)用靜電凈化器，因?yàn)橐话銏?chǎng)所對(duì)除塵效率要求不高，對(duì)消除VOC等低濃度污染不斷提出要求，對(duì)其安全性、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)易、低價(jià)等要求又卻較高，而高度無(wú)塵無(wú)菌場(chǎng)所又有力所不及，無(wú)法替代高效過(guò)濾除菌。隨著我國(guó)環(huán)保意識(shí)

14、增強(qiáng)，排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，過(guò)濾型的布袋除塵器已逐步替代了靜電除塵器，這對(duì)排風(fēng)用靜電除塵器也是一個(gè)挑戰(zhàn)。靜電除塵是集多門(mén)學(xué)科之大成的一門(mén)綜合技術(shù)，每一方面研究的成果、技術(shù)進(jìn)步，都能對(duì)其發(fā)展產(chǎn)生推動(dòng)作用。但愿近年靜電除塵技術(shù)有所突破、應(yīng)對(duì)各種新的挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)：1. D.Pnueli，C.Gutfinger，L.Moldavsky，K.Shuster and M.Fichman. “Electrostatic porous filter with a blocking electrode”. J.Aerosol Sci. vol.31,No.11, pp.1371-1379,20002. C.Gutf

15、inger, L.Moldavsky，K.Shuster M.Fichman and D.Pnueli，”Enhancing the efficiencity of the electrostatic filter”. J. Aerosol Sci. vol.31,Suppl, pp.S608-S609,20003. Dexuan Xu, Zhendong Pan, Yinghap Sun, Zhiming Guo and Haijun Wang. “Capturing fine particle using magnetically enhanced corona pre-charger in front of an electrostatic enhancement filter”. IEEE,20054. Rich Gebert, Craig Rinschler, Chris Polizzi, Ulf Harig, Gernot Pranghofer, GmbH Stanley J. Miller, “A New Filter System, Combining A Fabric Filter And Electrostatic Precipitator For Effective Pollution C