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(shí)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(duì)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(guó)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(diǎn)，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(gè)曲率半徑相差很大的金屬陽(yáng)極和陰極上，通過高壓直流電，維持一個(gè)足以使氣體電離的靜電場(chǎng)。氣體電離后所生成的電子，陰離子和陽(yáng)離子，吸附在通過電場(chǎng)的粉塵上，而使粉塵獲得荷電。荷電粉塵在電場(chǎng)力的作用下，便向電極性相反的電極運(yùn)動(dòng)而沉積在電極上，從而達(dá)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(jì)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(gè)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(yùn)動(dòng)。

(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(shí)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(gè)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(gè)或多個(gè)電子，剩下來帶正電荷的結(jié)構(gòu)就稱為正離子，獲得一個(gè)或多個(gè)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(shí)，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(dòng)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(diǎn)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(yáng)離子，結(jié)合形成陰離子，由于陰離子遷移率大于陽(yáng)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(yáng)離子也因獲得能量與中性分子碰撞使之電離，因此電場(chǎng)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(chǎng)中1cm3的空間就要存在有上億個(gè)的離子。此時(shí)，在放電極周圍可以在黑暗中觀察到藍(lán)色的光點(diǎn)，同時(shí)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(diǎn)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(shí)電壓(即D’點(diǎn)的電壓)，稱為臨界電暈電壓。

電極間的電壓升到E’點(diǎn)，由于電暈區(qū)擴(kuò)大致使電極間可能產(chǎn)生火花，甚至產(chǎn)生電孤。此時(shí)，電極間的氣體介質(zhì)全部產(chǎn)生電擊穿現(xiàn)象。E’點(diǎn)的電壓稱為火花放電電壓?；鸹ǚ烹姷奶匦允鞘闺妷杭眲∠陆?，同時(shí)在極短暫的時(shí)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(gè)電子從放電極(陰極)向收塵極(陽(yáng)極)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，則電子被加速，在運(yùn)動(dòng)路經(jīng)上碰撞氣體原子會(huì)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(gè)自由電子，這兩個(gè)自由電子向收塵極運(yùn)動(dòng)時(shí)，又與氣體原子碰撞使之電離，每一原子又多產(chǎn)生一個(gè)自由電子，于是第二次碰撞后，就變成四個(gè)自由電子，這四個(gè)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(gè)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?yàn)樵陔姵龎m中使塵粒分離的力主要是庫(kù)倫力，而庫(kù)倫力與塵粒所帶的電荷量和除塵區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)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(kù)倫力會(huì)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(shí)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(dá)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(yáng)性電荷與陰性電荷并無區(qū)別，都能達(dá)到同樣的荷電程度。而實(shí)踐中對(duì)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(chǎng)中，塵粒的荷電量與塵粒的粒徑、電場(chǎng)強(qiáng)度和停留時(shí)間等因素有關(guān)。塵粒的荷電機(jī)理基本有兩種，一種是電場(chǎng)中離子的依附荷電，這種荷電機(jī)理通常稱為電場(chǎng)荷電或碰撞荷電。另一種則是由于離子擴(kuò)散現(xiàn)象產(chǎn)生的荷電過程，通常這種荷電過程為擴(kuò)散荷電。哪種荷電機(jī)理是主要的，這要取決塵粒的粒經(jīng)。對(duì)于塵粒大于0.5微米的塵粒，電場(chǎng)荷電是主要的。對(duì)于粒徑小于0.2微米的塵粒，擴(kuò)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(chǎng)荷電：將一球形塵粒置于電場(chǎng)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(diǎn)的離子密度和電場(chǎng)強(qiáng)度均相等。因?yàn)閴m粒的相對(duì)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(yùn)動(dòng)的離子與塵粒碰撞將電荷傳給塵粒，塵粒荷電后，就會(huì)對(duì)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(chǎng)與外加電場(chǎng)平衡時(shí)，荷電便停止。這時(shí)塵粒的荷電達(dá)到飽和狀態(tài)，這種荷電過程就是電場(chǎng)荷電。

擴(kuò)散荷電：塵粒的擴(kuò)散荷電是由于離子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的。離子的熱運(yùn)動(dòng)使得離子通過氣體而擴(kuò)散。擴(kuò)散時(shí)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(shí)，有吸引的電磁力在起作用。粒子的擴(kuò)散荷電取決于離子的熱能、塵粒的大小和塵粒在電場(chǎng)中停留的時(shí)間等。在擴(kuò)散荷電過程中，離子的運(yùn)動(dòng)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(jī)理是主要的，這要取決塵粒的粒經(jīng)。

(4)塵粒向電極運(yùn)動(dòng)

粉塵荷電后，在電場(chǎng)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)。

驅(qū)進(jìn)速度：荷電懸浮塵粒在電場(chǎng)力作用下向收塵極板表面運(yùn)動(dòng)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(dá)其終速度所需時(shí)間與塵粒在收塵器中停留的時(shí)間相比是很小的，也就意味著荷電粒在電場(chǎng)力作用下向收塵極運(yùn)動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力和介質(zhì)阻力很快就達(dá)到平衡，并向集塵極作等速運(yùn)動(dòng)，塵粒驅(qū)進(jìn)速度與集塵區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)力的作用下，分別向不同極性的電極運(yùn)動(dòng)。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?yàn)殡姇瀰^(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(shí)，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(chǎng)的伏—安特性，以及收塵極的表面狀態(tài)等。要從理論上對(duì)每一個(gè)因素的影響是表達(dá)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(yàn)或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)來確定各因素的影響。

塵粒在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，主要取決于氣流狀態(tài)和電場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。而工業(yè)上用的電除塵，都是以不同程度的紊流進(jìn)行的。層流條件下的塵粒運(yùn)行軌跡可視為氣流速度與驅(qū)進(jìn)速度的矢量和，紊流條件下電場(chǎng)中塵粒運(yùn)動(dòng)的途徑幾乎完全受紊流的支配，只有當(dāng)塵粒偶然進(jìn)入庫(kù)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(shí)通過電除塵的塵粒既不可能選擇它的運(yùn)動(dòng)途徑，也不可能選擇它進(jìn)入邊界區(qū)的地點(diǎn)，很有可能直接通過電除塵器而未進(jìn)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(gè)概率問題。

在計(jì)算和選擇電除塵器時(shí)，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(kuò)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(shí)不影響塵粒的驅(qū)進(jìn)速度。

c 粉塵一進(jìn)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(jìn)速度，對(duì)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(yáng)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(shí)，除塵器的大小和塵粒驅(qū)進(jìn)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(shí)際運(yùn)行條件出入較大的假設(shè)，因此公式不能完全作為實(shí)際設(shè)計(jì)使用的公式，但它是分析、評(píng)價(jià)和比較電除塵器的理論基礎(chǔ)。