静电除尘原理与在通风空调中应用

1静电除尘原理与在通风空调中应用作者：沈晋明上海同济大学教授、博导，中国洁净技术委员会副主任一．引言静电吸附空气中尘粒的原理古代就被人们所认识，但利用静电除尘的设想直到19世纪初才形成。第一台用于实际工程的电除尘器是在1907年诞生，至今已有100年，静电除尘技术在我国工业领域中排风中除尘应用是到从20世纪30年代才开始，而在室内除尘方面应用则晚到20世纪60年代。对于暖通空调来说进风技术与排风技术的要求差异很大，不能混为一谈。因此本文从这个层面上探讨一下静电除尘器的原理与应用。二．排风用静电除尘器静电除尘器要在实际通风除尘工程上应用，必须制造出两个电场，一个电场使空气中尘埃荷电，称为荷电电场；另一个电场使荷电尘粒分离收集，称为分离电场。一般荷电场的放电极（有金属丝、杆、各种片状）连接高压直流电源的负极，分离电场的集尘极（有平板、圆柱或棱柱）接地为正极。两极之间所形成的高压电场。在电场作用下，空气中的自由离子要向两极移动，电压愈高、电场强度愈高。离子的运动速度愈快。由于离子的运动，在两极间形成了电流。开始时，空气中的自由离子少，电流较少。电压升高到一定数值后，放电极附近的离子获得了较高的能量和速度，撞击空气中的中性原子。将中性原子会电离成正、负离子。空气电离后，产生连锁反应，两极间移动的离子数大大增加，使得极间的电流急剧增加，空气导电。当放电极周围的空气全部电离后，在放电极周围出现淡蓝色的光环，即产生了电晕。放电极（金属杆）电晕范围通常只是周围几毫米处。由于电晕区的范围很小，只有正离子进入电晕内区，少量的尘粒在电晕内区通过，获得正电荷，沉积在电晕极上。而负离子进入电晕外区，与大量在电晕外区通过的尘粒相碰，获得负电荷，最后沉积在集尘极（阳极板）上。由于负离子活跃，大大提高了尘粒的负电率，使得除尘率保持很高的水平。当尘埃聚集到一定程度，需要清灰。电除尘器在运行时，由于排风（如烟气）工况是随时变化的，施加的电压必须在电流随排风工况变化时进行调整，否则不能保证电除尘器高效率稳定运行。因此要使电除尘器达到高效运行，必须具有良好的高压供电、自动控制和完善的保护措施：如交流输入浪涌保护、交流过压保护、交流短路保护、高压电源过温保护、电晕器电源过流/短路保护、集尘器电源短路保护、外壳接地保护等等。因此从静电除尘原理上讲，采用负电晕、电压越高、电晕越稳定、集尘极的长度越大、控制越好、静电除尘效率越高。静电除尘器适用于除去烟尘中0.01—50µm尘粒，而且烟尘浓度越高、效率也越明显。实践表明，处理的烟尘量越大，使用静电除尘器的投资和运行费用越经济。另外静电对于处理对象温度与压力不敏感，因此非常适用处理工业尘的排风。由于负电晕起晕电压高，电压一般高达几万伏至几十万伏。负电晕稳定，分离效率高。因此用于排风的静电除尘器均采用负电晕。当然如此高的电压，所产生的臭氧和氮氧化物量也大，但是高浓度的臭氧和氮氧化物随排风排入大气，很快被稀释了，不会产生任何危害。大型工业用电除尘器一般处理风量大、电压高、极距宽、电场长度长、通风截面大、收尘效率高等特点。电晕极多为芒刺形、星形等，集尘极多为板式、管式等，电场长度均在数米以上。为进一步提高除尘效率，常将荷电电场和分离电场分设（称为双区型），保证有足够的时间使尘粒荷电。又加大横截面积，限制了电场风速，提高了集尘效率。再加上高可靠的供电与自控系统，运行稳定。尽管排风用静电除尘器的体积都很庞大，但排风气流一次通过效率很高，均在99%以上。静电除尘器的优点⑴净化效率高，能够铺集0.01微米以上的尘粒。⑵阻力损失小，耗电量也比较小。⑶允许排风温度较高。⑷处理气体范围量大。⑸可以实现操作自动控制。静电除尘器的缺点:⑴设备比较复杂，对设备制作和安装以及维护管理水平要求高。⑵对尘粒比电阻有一定要求。对处理尘粒有一定的选择性，不可能对所有尘粒都有很高的净化效率。2⑶受气温、湿度等运行条件影响，温湿度会影响尘粒比电阻值，也会引起结露爬电高压击穿，破坏电场运行。三．进风用静电除尘器用于进风的静电除尘器直到1935年由美国加利福尼亚大学的Penny博士才首次研制成功。主要是安全问题难以解决。他很聪明利用了阳极电晕（或称正电晕）放电原理，使得起晕电压降低，所产生的臭氧和氮氧化物量大大减少，这对用于进风用的静电净化器十分重要，因为它服务对象是室内的人和工艺，送风的安全、稳定和可靠是关键，故对于设置室内常称为静电式空气净化器。但是正电晕不稳定，容易造成电场闭塞，须有一定技术才能解决。正电晕与上述负电晕相反，是正离子进入电晕外区，与在电晕外区通过尘粒的相碰，使空气中的尘粒带正电荷，捕集到集尘极上，达到净化空气的目的。与负电晕相比，正电晕有许多缺点，如电晕不稳、正离子使尘粒荷电率较低，除尘效率不高。如上所述，静电净化器对高浓度小微粒控制较适用，比如香烟烟尘等，但进风实际处理的对象是大气尘，其浓度不可能那么高，运行效果并不明显。静电净化器的确具有抑菌效果，从原理上讲电晕范围很小，是空气电离与尘粒荷电，而不是“触电身亡”，抑菌效率不可能100%。静电净化器适合于改善室内空气品质的场所，因为不需要很高除尘效率。但不要用于有较高无菌要求的场合。万一运行中出现问题，菌、尘可以毫无阻拦地进入无菌室，失去了保障体系的意义。从这层意义上讲，采用静电空气净化装置对无菌室不是减少微生物污染的风险，而是增加了一个隐患。为此GB50333《医院洁净手术部建筑技术规范》明确规定静电空气净化装置不得作为洁净手术室的末级净化设施。如要使用，在其末端必须要设置高效空气过滤器。对于高度无菌（如无菌病房、器官移植手术室等）和生物安全（如SARS病房、生物安全实验室等）唯一被国内外认可的除菌装置就是高效过滤器。另外，用于进风或设置在室内的静电净化器受安装空间制约，体积较小。小型静电净化器的设计理论、结构参数、气流参数、电气参数和性能参数的选取、计算，与传统大型工业静电除尘器不同。为了缩小体积，常将荷电电场和分离电场合二为一，称为单区型，电场长度缩短。电晕极一般采用细圆管或合金丝。集尘极常采用蜂窝式、方形、圆管等，其中蜂窝式集尘表面积最大，使用最为广泛。为了安全使用，必须降低电压，常采用低高压，小极距。在静电净化器中，作为产生电晕放电和集尘极的主体，直接关系到电除尘器能否持续高效、安全运行。但为了降低成本，选材、零部件制造工艺与装配精度要求不高，加上高压供电与自控装置也较为简陋，其可靠性当然无法与排风用静电除尘器相比。对于静电空气净化装置的性能更要强调不在于初期的测试，而在于日常运行。运行中常出现打火花、电晕闭塞、电场击穿、返混现象、二次扬尘等现象，稳定性较差，造成瞬时浓度剧升。因此常常在其前后设置空气过滤器。至于在运行中频出火花引起臭氧和氮氧化物剧升，那是毫无办法。有的不得不后置活性碳吸附器，增加这么多的附件，往往将静电净化器的优点荡然无存。鉴于用于进风或设置在室内的静电净化器效率偏低、不稳定，不得不采用“室内自循环效率”来替代通风空调规范中规定的“一次通过效率”。总之，从以上分析可知，进风用的静电净化器由于采用正电晕、体积小、价格低等自身原因，要将净化效率提高、运行稳定实是不易，或者说先天不足。自二十世纪三十年代发明以来，不断推广使用，又不断被抛弃淘汰，周而复始，已历经几个周期。当然每一个周期总伴随着一些技术进步，又发现新的不足。相对来说排风用静电除尘器几十年来一直被市场所认可，而用于进风或设置在室内的静电净化器几乎没有一台长期使用至今。两者的差异见表1。表1进风用和排风用的静电除尘器比较用途进风用静电除尘器排风用静电除尘器服务对象室内人员、或生产工艺室外大气环境处理对象大气尘工业尘要求保障室内人员健康，满足工艺要求，强调安全、可靠满足环境排放要求，强调除尘效率3尘粒浓度控制保证稳定的低浓度送风，满足室内含尘浓度控制要求。排放总量控制，允许“一次最高容许排放浓度”有害气体控制严格控制臭氧和氮氧化物有要求，但不强调电晕采用正电晕、起晕电压低采用负电晕、起晕电压高集尘极采用负极，长度短采用正极，长度长电场常采用单区型，尘粒荷电时间短常采用双区型，尘粒荷电时间短效率荷电率与除尘效率较低荷电率与除尘效率较高装置体积小、价格低体积大、价格高高压供电、自控、保护措施较低较高通风末端要求末端要求设置空气过滤器无要求四．结语总的来说，对气溶胶微粒荷电原理认识不够，离子和粒子等在电场中的运动规律还未被充分认识，尤其是静电除尘非稳态过程的研究，对不同性质的气溶胶净化除尘措施有待改进。静电除尘器的抑菌和分解VOC机理更是了解甚少，静电除尘理论仍然落后于实践。尽管市面上众说纷纭，如从进风和排风技术的要求，以及静电除尘的原理，不难可以看出进风用和排风用的静电除尘器的优缺点和适用场所，使我们保持清醒的头脑。特别是对于进风或设置在室内的静电净化器来说，室内人员安全、可靠是最大前提。要在正电晕、小体积、低价格的条件下提高静电净化器性能实属不易。从使用历史看，静电净化器不断推广使用，又不断被抛弃淘汰，每经一个周期总伴随着一些技术进步，也发现静电净化技术不足。当然静电除尘也在受到各种新技术的挑战，低阻、高效、安全的新技术不断涌现。尤其是进风用静电净化器，因为一般场所对除尘效率要求不高，对消除VOC等低浓度污染不断提出要求，对其安全性、运行维护简易、低价等要求又却较高，而高度无尘无菌场所又有力所不及，无法替代高效过滤除菌。随着我国环保意识增强，排放标准的提高，过滤型的布袋除尘器已逐步替代了静电除尘器，这对排风用静电除尘器也是一个挑战。静电除尘是集多门学科之大成的一门综合技术，每一方面研究的成果、技术进步，都能对其发展产生推动作用。但愿近年静电除尘技术有所突破、应对各种新的挑战。参考文献：1.D.Pnueli，C.Gutfinger，L.Moldavsky，K.ShusterandM.Fichman.“Electrostaticporousfilterwithablockingelectrode”.J.AerosolSci.vol.31,No.11,pp.1371-1379,20002.C.Gutfinger,L.Moldavsky，K.ShusterM.FichmanandD.Pnueli，”Enhancingtheefficiencityoftheelectrostaticfilter”.J.AerosolSci.vol.31,Suppl,pp.S608-S609,20003.DexuanXu,ZhendongPan,YinghapSun,ZhimingGuoandHaijunWang.“Capturingfineparticleusingmagneticallyenhancedcoronapre-chargerinfrontofanelectrostaticenhancementfilter”.IEEE,20054.RichGebert,CraigRinschler,ChrisPolizzi,UlfHarig,GernotPranghofer,GmbHStanleyJ.Miller,“ANewFilterSystem,CombiningAFabricFilterAndElectrostaticPrecipitatorForEffectivePollutionControlBehindCementKilns”.IEEE,20035.“Hybridsystemimprovesparticleremoval”.ChemicalEngineeringProgress,Oct,20006.向晓东,现代除尘理论与技术,冶金工业出版社.7．中国环保产业协会电除尘委员会．我国电除尘产业市场现状与发展．中国水泥，2003,98．张晓朝等．电除尘技术研究和发展方向探讨．第10届全国电除尘会议/第2届全国脱硫学术会议论文集，2003,9