靜電除塵器的集塵原理

靜電集塵技術(shù)是利用高壓靜電吸附的原理，高效去除空氣中的微粒污染物，如灰塵、煤煙、花粉、香煙味和廚房油煙等；同時還可有效吸附空氣中的氣態(tài)污染物及濾除空氣中的致病微生物，對TVOC沒有去除效果。該技術(shù)不需更換耗材，且流阻很小，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化器上。目前使用該技術(shù)的品牌有霍尼威爾、貝昂、富士通、凈美仕、Lightair等為經(jīng)典，國內(nèi)品牌遠(yuǎn)大在其高端產(chǎn)品上也使用到此技術(shù)。該技術(shù)也有一定的缺點，容易產(chǎn)生臭氧，因此在靜電集塵器后面都加裝有用于去除臭氧的催化裝置。

1 除塵原理

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，維持一個足以使氣體電離的靜電場。氣體電離后所生成的電子，陰離子和陽離子，吸附在通過電場的粉塵上，而使粉塵獲得荷電。荷電粉塵在電場力的作用下，便向電極性相反的電極運動而沉積在電極上，從而達到粉塵和氣體分離的目的。盡管電除塵的類型和結(jié)構(gòu)很多，但都是按照同樣的基本原理設(shè)計出來的，用電除塵的方法分離氣體中的懸浮塵粒，主要包括以下四個復(fù)雜而又相互有關(guān)的物理過程：

(1)氣體的電離。

(2)懸浮塵粒的荷電。

(3)荷電塵粒向電極運動。

(4)荷電塵粒沉積在電極上。

（1）氣體的電離

空氣在正常狀態(tài)下幾乎是不能導(dǎo)電的絕緣體，但是當(dāng)氣體分子獲得能量時就可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(dǎo)電的能力了。

使氣體具有導(dǎo)電能力的過程就稱之為氣體的電離。任何物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的。而原子又是由帶負(fù)電荷的電子，帶正電荷的質(zhì)子以及中性的中子三類亞原子粒子組成的。如果原子沒有受到干擾，沒有電子從原子核的周圍空間移出，則整個原子呈電中性，也就是原子核的正電荷與電子的負(fù)電荷相加為零。如果移去一個或多個電子，剩下來帶正電荷的結(jié)構(gòu)就稱為正離子，獲得一個或多個額外電子的原子稱為負(fù)離子，失去或得到電子的過程稱為電離。

氣體分子捕獲電子的概率，用電子附著成功所需要的碰撞次數(shù)（平均值）β 表示。實驗表明鹵族元素與分子結(jié)構(gòu)中有氧原子的氣體大多數(shù)都有良好的電子附著性。負(fù)電性氣體得到電子后就成為在工業(yè)電除塵器中起主要作用的荷電粒子——負(fù)離子，負(fù)電性氣體是粉塵荷電的中間媒介。

（2）氣體的電離和導(dǎo)電過程

在電場中，由于自由電子獲得能量而傳遞的電流是微不足道的。所以，它不能使粉塵荷電而沉積在收塵極上。當(dāng)電壓差再繼續(xù)增大時，氣體中通過的電流可以超過飽和值，從而發(fā)生輝光放電，電暈放電和火花放電現(xiàn)象，氣體導(dǎo)電過程用下圖來表示。

氣體導(dǎo)電過程的曲線

在圖中AB段，氣體導(dǎo)電僅借助于大氣中所存在的少量自由電子。在BC 段，電流已不再增加，而電壓自B’增加至C’，使部分電子獲得足夠的動能，足以使與之碰撞的氣體中性分子發(fā)生電離，結(jié)果在氣體中開始產(chǎn)生新的電子和離子，并開始由氣體離子傳遞電流，所以C’點電壓是氣體開始電離的電壓，通常稱為始發(fā)臨界電壓，或臨界電離電壓。

在CD段，電子與氣體中性分子碰撞，形成陽離子，結(jié)合形成陰離子，由于陰離子遷移率大于陽離子遷移率的102 倍。因此在CD 段使氣體發(fā)生碰撞電離的離子只是陰離子。所以將電子與中性分子碰撞而產(chǎn)生新離子的現(xiàn)象，稱為二次電離或碰撞電離。它的放電現(xiàn)象不產(chǎn)生聲響，也稱為無聲自發(fā)性放電。

在DE段，隨著電壓的升高，不僅遷移率大的陰離子與中性氣體碰撞產(chǎn)生電離，遷移率較小的陽離子也因獲得能量與中性分子碰撞使之電離，因此電場中連續(xù)不斷地生成大量的新離子和電子，這就是所謂氣體電離中“電子雪崩”現(xiàn)象。為滿足電除塵的需要，電場中1cm3的空間就要存在有上億個的離子。此時，在放電極周圍可以在黑暗中觀察到藍(lán)色的光點，同時還可以聽到較大的咝咝之聲和噼啪的爆裂聲。這些藍(lán)色的光點或光環(huán)稱為電暈，也將這一段的放電稱為電暈放電，亦稱為電暈電離過程。我們將開始發(fā)生電暈時電壓(即D’點的電壓)，稱為臨界電暈電壓。

電極間的電壓升到E’點，由于電暈區(qū)擴大致使電極間可能產(chǎn)生火花，甚至產(chǎn)生電孤。此時，電極間的氣體介質(zhì)全部產(chǎn)生電擊穿現(xiàn)象。E’點的電壓稱為火花放電電壓?；鸹ǚ烹姷奶匦允鞘闺妷杭眲∠陆担瑫r在極短暫的時間內(nèi)通過大量的電流。

氣體的電離和導(dǎo)電過程具有臨界電離，二次電離、電暈電離、火花放電，它隨著電壓的變化，其特性也隨著變化，電除塵器就是利用兩極間的電暈電離這段面工作的，而火花放電是應(yīng)限制的。電暈電離主要是電子雪崩的結(jié)果。

當(dāng)一個電子從放電極(陰極)向收塵極(陽極)運動時，若電場強度足夠大，則電子被加速，在運動路經(jīng)上碰撞氣體原子會發(fā)生碰撞電離。和氣體原子次碰撞引起電離后，就多了一個自由電子，這兩個自由電子向收塵極運動時，又與氣體原子碰撞使之電離，每一原子又多產(chǎn)生一個自由電子，于是第二次碰撞后，就變成四個自由電子，這四個自由原子又與氣體原子碰撞使之電離，產(chǎn)生更多的自由原子。所以一個電子從放電極到除塵極，由于碰撞電離、電子數(shù)將雪崩似的增加，這種現(xiàn)象稱為電子雪崩。

（3）灰塵荷電

塵粒荷電是電除塵過程中基本的過程。雖然有許多與物理和化學(xué)現(xiàn)象有關(guān)的荷電方式可以使塵粒荷電，但是大多數(shù)方式產(chǎn)生的電荷量不大，不能滿足電除塵凈化大量含塵氣體的要求。因為在電除塵中使塵粒分離的力主要是庫倫力，而庫倫力與塵粒所帶的電荷量和除塵區(qū)電場強度的乘積成比例。所以，要盡量使塵粒多荷電，如果荷電量加倍，則庫倫力會加倍。若其它因素相同，這意味著電除塵器的尺寸可以縮小一半。根據(jù)理論和實踐證明單極性高壓電暈放電使塵粒荷電效果更好，能使塵粒荷電達到很高的程度，所以，電除塵都是采用單極性荷電。就本質(zhì)而言，陽性電荷與陰性電荷并無區(qū)別，都能達到同樣的荷電程度。而實踐中對電性的選擇，是由其它標(biāo)準(zhǔn)所決定的。工業(yè)氣體凈化的電除塵器，選擇陰性是由于它具有較高的穩(wěn)定性，并且能獲得較高的操作電壓和較大的電流。

在電除塵器的電場中，塵粒的荷電量與塵粒的粒徑、電場強度和停留時間等因素有關(guān)。塵粒的荷電機理基本有兩種，一種是電場中離子的依附荷電，這種荷電機理通常稱為電場荷電或碰撞荷電。另一種則是由于離子擴散現(xiàn)象產(chǎn)生的荷電過程，通常這種荷電過程為擴散荷電。哪種荷電機理是主要的，這要取決塵粒的粒經(jīng)。對于塵粒大于0.5微米的塵粒，電場荷電是主要的。對于粒徑小于0.2微米的塵粒，擴散荷電是主要的。而粒徑在0.2～0.5微米之間的塵粒，二者均起作用。

電場荷電：將一球形塵粒置于電場中，這一塵粒與其它塵粒的距離，比塵粒的半徑要大得多，并且塵粒附近各點的離子密度和電場強度均相等。因為塵粒的相對介電常數(shù)εr大于1，所以，塵粒周圍的電力線發(fā)生變化，與球體表面相交。

沿電力線運動的離子與塵粒碰撞將電荷傳給塵粒，塵粒荷電后，就會對后來的離子產(chǎn)生斥力，因此，塵粒的荷電率逐漸下降，終荷電塵粒本身產(chǎn)生的電場與外加電場平衡時，荷電便停止。這時塵粒的荷電達到飽和狀態(tài)，這種荷電過程就是電場荷電。

擴散荷電：塵粒的擴散荷電是由于離子無規(guī)則的熱運動造成的。離子的熱運動使得離子通過氣體而擴散。擴散時與氣體中所含的塵粒相碰撞，這樣離子一般都能吸附在塵粒上，這是由于離子接近塵粒時，有吸引的電磁力在起作用。粒子的擴散荷電取決于離子的熱能、塵粒的大小和塵粒在電場中停留的時間等。在擴散荷電過程中，離子的運動并不是沿著電力線而是任意的。

當(dāng)電子與負(fù)電性氣體分子相碰撞后，電子被捕獲并附著在分子上而形成負(fù)離子，因此在電暈區(qū)邊界到集塵極之間的區(qū)域內(nèi)含有大量負(fù)離子和少量的自由電子。塵粒主要在此區(qū)域荷電。哪種荷電機理是主要的，這要取決塵粒的粒經(jīng)。

(4)塵粒向電極運動

粉塵荷電后，在電場的作用下，帶有不同極性電荷的塵粒則分別向極性相反的電極運動，并沉積在電極上，工業(yè)電除塵多采用負(fù)電暈，在電暈區(qū)內(nèi)少量帶正電荷的塵粒沉積到電暈極上，而電暈外區(qū)的大量塵粒帶負(fù)電荷，因而向收塵極運動。

驅(qū)進速度：荷電懸浮塵粒在電場力作用下向收塵極板表面運動的速度。在電除塵器中作用在懸浮塵粒上的力只剩下電力，慣性力和介質(zhì)阻力。在正常情況下，塵粒到達其終速度所需時間與塵粒在收塵器中停留的時間相比是很小的，也就意味著荷電粒在電場力作用下向收塵極運動時，電場力和介質(zhì)阻力很快就達到平衡，并向集塵極作等速運動，塵粒驅(qū)進速度與集塵區(qū)的電場強度和粒徑成正比，而與氣體的粘滯系數(shù)成反比。

（5）荷電塵粉的捕集

在電除塵器中，荷電極性不同的塵粉在電場力的作用下，分別向不同極性的電極運動。在電暈區(qū)和靠近電暈區(qū)很近的一部分荷電塵粒與電暈極的極性相反，于是就沉積在電暈極上。但因為電暈區(qū)的范圍小，所以數(shù)量也小。而電暈外區(qū)的塵粒，絕大部分帶有電暈極極性相同的電荷，所以，當(dāng)這些荷電塵粒接近收塵極表面時，使沉積在極板上而被捕集。塵粒的捕集與許多因素有關(guān)。如塵粒的比電阻、介電常數(shù)和密度，

氣體的流速、溫度和濕度，電場的伏—安特性，以及收塵極的表面狀態(tài)等。要從理論上對每一個因素的影響是表達出來是不可能的，因此塵粒在電除塵器的捕集過程中，需要根據(jù)試驗或?qū)嵺`經(jīng)驗來確定各因素的影響。

塵粒在電場中的運動軌跡，主要取決于氣流狀態(tài)和電場的綜合影響，氣流的狀態(tài)和性質(zhì)是確定塵粒被捕集的基礎(chǔ)。氣流的狀態(tài)原則上可以是層流或紊流。層流的模式只能在實驗室實現(xiàn)。而工業(yè)上用的電除塵，都是以不同程度的紊流進行的。層流條件下的塵粒運行軌跡可視為氣流速度與驅(qū)進速度的矢量和，紊流條件下電場中塵粒運動的途徑幾乎完全受紊流的支配，只有當(dāng)塵粒偶然進入庫侖力能夠起作用的層流邊界區(qū)內(nèi)，塵粒才有可能被捕集。這時通過電除塵的塵粒既不可能選擇它的運動途徑，也不可能選擇它進入邊界區(qū)的地點，很有可能直接通過電除塵器而未進入邊界層。在這種情況下，顯然塵粒不能被收塵極捕集。因此，塵粒能否被捕集應(yīng)該說是一個概率問題。

在計算和選擇電除塵器時，我們經(jīng)常使用多依奇（Deutsch）公式作為估算除塵效率的公式，推導(dǎo)此式作了如下假設(shè)：

a 氣流的紊流和擴散使粉塵得以完全混合，因而在任何斷面上的粉塵濃度都是均勻的。

b 通過除塵器的氣流速度除除塵器壁邊界層外都是均勻的，同時不影響塵粒的驅(qū)進速度。

c 粉塵一進入除塵器內(nèi)就認(rèn)為已經(jīng)完全荷電。

d 除塵極表面附近塵粒的驅(qū)進速度，對于所有粉塵都為一常數(shù)，與氣流速度相比是很小的。

e 不考慮沖刷二次揚塵，反電暈和粉塵凝聚等因素影響。

經(jīng)推導(dǎo)的除塵效率公式是：

從式中可以看出，當(dāng)收塵效率一定時，除塵器的大小和塵粒驅(qū)進速度ω成反比，和處理煙氣量Q成正比。由于多依奇在推導(dǎo)公式中作了與實際運行條件出入較大的假設(shè)，因此公式不能完全作為實際設(shè)計使用的公式，但它是分析、評價和比較電除塵器的理論基礎(chǔ)。