大气环境保护创新实验——静电除尘
学号：1130340114
姓名：陈嘉海
一、 实验目的
做这个实验的目的显然是需求驱动的。不久前，美国耶鲁大学发布了《2016年环境绩效指数报告》，对180个国家的空气质量做了一个排名，中国成为仅次于孟加拉国空气质量最差的国家。而雾霾则是造成中国大气污染的最重要因素之一。
细颗粒(PM2.5)是造成雾霾污染事件的主要污染物, 大量的流行病学研究已证实细颗粒物污染与居民死亡率和发病率之间的正相关关系。雾霾污染还进一步破坏了生态，包括物种的大面积死亡。同时雾霾事件造成了社会交通的损失，如航班延误，交通事故等。面对日益严重的雾霾，本实验的意义不言而喻，治理空气雾霾不仅关系到国民的生命健康，也为了子孙后代的可持续发展。而静电除尘技术作为治理大气雾霾的手段之一具有压力损失小，处理污染气体多，高效吸收空气中的粉尘，能耗相对较小，可在高温或强腐蚀环境下工作等优点。通过本次试验，我希望：
● 能对中国大气环境的现状有更深的认识，
● 初步了解静电除尘的工作方式和特点，
● 完成老师给定的实验任务。
二、 实验构想
静电除尘器主要是靠颗粒荷电、迁移、捕集、清灰从而达到脱除粉尘
的效果。静电除尘器有多种结构类型，但它们都是遵循同一个基本原理设计的。
静电除尘器基本示意图如图1所示：
图1静电除尘器结构
除尘器由本体和电源组成。电源包括变压器和整流器，提供高压直流电以形成电晕极（放电阴极）。本体包括连接电源的阴极和接地的阳极，阳极作为集尘极收集空气中的粉尘（阳极板可以做成板状也可以做成管状）。阴极一般放在阳极板的中心位置，当电流流经电晕极的时候可以产生不均匀的强电场。电晕极有多种形状，常见的有圆形、星形、芒刺形等。芒刺电晕极的放电效果好，不仅能产生较强的电晕电流，而且芒刺尖产生较强的离子风，能增强尘粒向集尘极的运动速度。
图2气体电离过程
除尘过程如图2，包含灰尘的污染气体从除尘入口进入除尘器，在除尘器中气体由于高压电极（阴极）发生电晕放电而被电离，进而转变成电子、正负离子。在电场力的作用下，带负电的气体离子向正极移动，在高速移动的过程中与粉尘颗粒发生摩擦碰撞，使得粉尘颗粒也带上负电。荷电的粉尘颗粒在电场力的作用下也向正极移动，最终沉积在正极板（集尘板）上，从而是粉尘与空气分离。
在连续运转的静电除尘器中，对电晕极和集尘极都必须清灰（有时电晕极也会吸附少量粉尘）。振动电极是使用最多的清灰方法，振动装置可以使用：锤击振打，用重锤敲击阳极板和电晕极吊杆；跌落振打，将电极升至一定高度然后骤然放下；电振动，使用电振动器让电晕极和集尘极板产生高频率振动。不过振动清灰的方式容易产生二次扬尘，降低除尘的效果。为了避免二次扬尘，可以使用淋洗的方式清灰，不过会消耗一定的水，并且有污水产生。图3、4、5为不同的清灰方式。
图3
图4
图5
简单概括静电除尘器工作的4个过程:(1)高压放电，气体电离;(2)
尘粒荷
电;(3)荷电尘粒从烟气中分离，沉积在集尘板;(4)清灰工作。
三、 文献依据
实验原理的可行性分析
通常，空气中会存在少量的自由电子和离子，但由于数量少，在低电压电场作用下产生的电流极其微弱，因此可以认为空气在通常状态下是不导电的。随着电压逐渐升高，原来空气中存在的少量自由电子获得能量而加速，电流随之增大。当电压加大到一定的数值时，离子和电子全部参加极间运动，电流不再虽电压增大而增大（如图6所示）。继续升高电压，电子获得足够的能量后与中性的气体分子发生碰撞，可以将分子外层轨道上的电子撞击出来，进而形成正离子和自由电子，这些自由电子又被加速，再撞击中性气体分子产生更多自由电子。这个连锁反应极快，使气体发生电离。由于这一过程伴随着发光发声现象，因此称之为电晕放电现象。
图6放电过程示意图
出现电晕后，电场内出现两个不同的区域（如图7所示），围绕在放电极附近很小的区域为电晕区，在这一区域内产生大量的正离子和自由电子。气体电离产生的正离子被负极吸引，会加速飞向负极，撞击负极表面，释放二次电子，使电离过程能继续维持。离负极稍远处，为电晕外区，该区域电场强度急剧下降，电子的能量小到无法使空气分子电离，因此电子在运动时碰到中性气体分子会附着其上形成负离子，这一现象称为电子吸附。空气中的O2、水蒸气等负电性气体是与电子形成负离子的主要气体分子。
图7气体电离
负离子在往正极运动的过程中，遇到尘粒并与之相撞，会附在尘粒上，从而使尘粒荷电，荷电的尘粒在电场力作用下也会往正极移动，从而沉积在正极板上。
电晕放电现象是在不均匀的电场中才会出现，而不均匀的电场是通过很细小的电极产生的，这样在靠近电极附近电场力强，远离电极的电场力就会弱些，均匀的电场并不会产生电晕放电现象，但要防止场强过高出现电压击穿现象。在电晕放电过程中，如果电子不断地产生却又不能吸附在空气分子上形成负离子，这些电子将会在库仑力的作用下向正极吸附，这样会造成火花击穿现象，电晕也不能保持稳定。如像氮等惰性气体就不会吸收自由电子，不宜于电晕的正常运转，而硫的氧化物及二氧化碳之类的气体都与自由电子有很好地亲和力，而在工业现场大量存在此类气体，可很好地维持负电晕的运转。
以阳极作为放电极也能形成电晕，成为正电晕。但是与负电晕相反，是正离子向阴极板运动，由于正离子质量较大，运动速度低，
不能使气体
分子发生碰撞分离，只能通过电晕辐射出的光子使气体电离，维持电晕放电。因此，一般情况下静电除尘器都是采用阴极放电。
荷电粉尘在电场中的驱进速度
粉尘在高压静电除尘器中发生荷电时，由于周围的自由电子和离子不断地碰撞粉尘，在粉尘的表面会不断累积电荷，荷电的粉尘自身会产生与板件电场相反的电场，导致自由电子无法再吸附到粉尘周围，这种现象叫做粉尘电荷炮和现象。根据理论推导，粉尘所带的荷电量为:
上式中ε0为真空介电常数，dc为粒径大小，Ef为电晕级附近的电场强度，εp为粉尘的介电常数。
荷电后的粉尘是成负电性的，它会在高压电场内受到向集尘极方向的库仑力并开始移动，荷电粉尘在电场中的库仑力为:
F =q Ej
其中Ej 为集尘极周围的电场强度。
粉尘颗粒在电场内垂直于气流方向移动时，气流对粉尘的阻力按照如下公式计算:
其中ω为粉尘颗粒与气流同向运动的分量速度。
当库仑力与气流阻力同样大时，荷电粉尘受到的合为为0，在不受任何力的影响下开始匀速运动，此时粉尘颗粒的运动速度就是驱进速度：
静电除尘器的除尘效率
电除尘器除尘效率通常按多依奇(Deutch)捕集效率方程计算。该方程在推导时作了一些假定：除尘器中为的气流为湍流状态；在垂直于集尘表面的任一横断面上的气流和尘粒浓度均匀分布；尘粒进入除尘器后立即完成荷电过程；集尘极附近所有尘粒的驱进速度相同，与气流速度相比是很小的；忽略电风，气流分布不均，尘粒重返气流的影响。若集尘极面积为A （m2），气体总流量为Q （m3/s），多依奇捕集效率方程为
式中，vp 称为有效驱进速度，而非之前计算的驱进速度，两者关系可大概表达为ω＝（2～10）vp 。因为多依奇理论推导和驱进速度计算式中没有考虑各种实际因素的影响，实际值低于理论计算的捕集效率。vp 是实际中对一定结构和运行条件的电除尘器实测η、A 和Q 的值后，反算出相应的驱进速度，用作设计新除尘器的基础。
四、 可能的困难分析
实验设计问题
● 气流速度过高或分布不均
● 集尘极面积不够大或者长高比过小
● 振打装置的振打频率，速度，力度的控制不佳
● 电源方面，整流装置的性能不稳定
实验装置运行问题
● 实验中存在受潮或者零件脱落等因素可能会导致绝缘不好甚至
短路
● 放电极可能由于振打频率太高或力度太大等原因发生断裂，或
者有效电晕过小
● 集尘极由于接触有害粉尘或者使用淋洗方式导致出现腐蚀
● 粉尘浓度会影响到除尘装置的工作，粉尘浓度过低可能发生极
板被击穿，浓度过高则可能造成电晕阻塞或者除尘效率降低。 静电除尘器对细颗粒吸收效率不高
虽然现有的静电除尘器对空气中粗颗粒的收集效率可高达99.9%乃至更高，但其对以亚微米为主要成分的细颗粒物PM2.5的捕集效率却在95%~99%之间，捕集效率不够显著。其中，对于粒径在0.1~1.0um范围内的细颗粒，由于其难以荷电，电迁移速率处于低谷，从而电除尘器对此粒径范围内细颗粒的捕获率较低。该区域也被称为穿透窗口。
为了提高对细颗粒的吸收效率，可以：改进结构如使用款兼具电除尘器或者双区电除尘器等；增加辅助电极；采用大直径放电极；采用蜂窝状集尘极等。
对于这方面不足，也可以尝试使用声波团聚技术来弥补。声波团聚是一种气溶胶预处理技术，在烟气进入除尘器之前，运用高强声场进行辐射处理，在数秒的时间内，烟气中的颗粒之间发生团聚，特别是细颗粒的团聚，从而使烟气中的颗粒数目减少，平均粒径增大，有利于提高静电除尘器的除尘效果。
自身不足
首先，理论知识有所欠缺。由于本人所学专业为计算机，确切的说是
生物信息学，因此相关的电学，力学等物理方面的理论并没有作为主修课程来学习，只具备大学物理涉及的基础理论，对于更深层次的物理知识，例如在本实验中需要考虑影响静电除尘器效率的因素，以探究如何提高除尘效率，对于这些则需要进一步学习。而对于机械方面的知识更是不甚了解，包括机械设计，工程制图等。
另外本次实验较为复杂，时间安排上可能需要下一番功夫，而且可能
需要与选修同一个课程的同学相互探讨合作，而自身对于合作的经验并不十分丰富，因此也产生了一些未知可能性。对于理论的理解不深以及对于实验设备的不熟悉，可能会导致一些人为造成的隐患，比如实验的电压控制，如果电压过高可能会导致击穿进而损坏设备。
参考文献：
1.2013年1月中国大面积雾霾事件直接社会经济损失评估穆泉, 张世秋《中国环境科学》
2. 浅谈静电除尘原理王灵甫, 马书毫《科技前沿》
3. 电除尘性能优化和节能改造 张玉林 华南理工大学硕士论文
4. 《空气污染控制工程》季学李，羌宁主编化学工业出版社
5. 《除尘理论与技术》向晓东主编冶金工业出版社
6. 《PM2.5颗粒声波团聚控制技术》张学光，张丽丽，刘建忠著科学工业出
版社
7. 京津冀区域大气霾污染研究意义、现状及展望王跃思，张军科等《地球科学进展》
8. 静电除尘器除尘效率影响因素的研究陈鹏《工程科技I 辑》2011年第S1期
9. 高压静电除尘控制系统的硏究陈楠西安工业大学硕士学位论文
10. 增强PM2.5脱除的新型电除尘技术的发展熊桂龙，李水清等《中国电机工程学报》
11. 浅谈静电除尘技术的发展现状及前景马俊 《新疆有色金属》第五期
12. 电除尘电气控制系统设计与实施 沈学锋 华东理工大学硕士论文
大气环境保护创新实验——静电除尘
学号：1130340114
姓名：陈嘉海
一、 实验目的
做这个实验的目的显然是需求驱动的。不久前，美国耶鲁大学发布了《2016年环境绩效指数报告》，对180个国家的空气质量做了一个排名，中国成为仅次于孟加拉国空气质量最差的国家。而雾霾则是造成中国大气污染的最重要因素之一。
细颗粒(PM2.5)是造成雾霾污染事件的主要污染物, 大量的流行病学研究已证实细颗粒物污染与居民死亡率和发病率之间的正相关关系。雾霾污染还进一步破坏了生态，包括物种的大面积死亡。同时雾霾事件造成了社会交通的损失，如航班延误，交通事故等。面对日益严重的雾霾，本实验的意义不言而喻，治理空气雾霾不仅关系到国民的生命健康，也为了子孙后代的可持续发展。而静电除尘技术作为治理大气雾霾的手段之一具有压力损失小，处理污染气体多，高效吸收空气中的粉尘，能耗相对较小，可在高温或强腐蚀环境下工作等优点。通过本次试验，我希望：
● 能对中国大气环境的现状有更深的认识，
● 初步了解静电除尘的工作方式和特点，
● 完成老师给定的实验任务。
二、 实验构想
静电除尘器主要是靠颗粒荷电、迁移、捕集、清灰从而达到脱除粉尘
的效果。静电除尘器有多种结构类型，但它们都是遵循同一个基本原理设计的。
静电除尘器基本示意图如图1所示：
图1静电除尘器结构
除尘器由本体和电源组成。电源包括变压器和整流器，提供高压直流电以形成电晕极（放电阴极）。本体包括连接电源的阴极和接地的阳极，阳极作为集尘极收集空气中的粉尘（阳极板可以做成板状也可以做成管状）。阴极一般放在阳极板的中心位置，当电流流经电晕极的时候可以产生不均匀的强电场。电晕极有多种形状，常见的有圆形、星形、芒刺形等。芒刺电晕极的放电效果好，不仅能产生较强的电晕电流，而且芒刺尖产生较强的离子风，能增强尘粒向集尘极的运动速度。
图2气体电离过程
除尘过程如图2，包含灰尘的污染气体从除尘入口进入除尘器，在除尘器中气体由于高压电极（阴极）发生电晕放电而被电离，进而转变成电子、正负离子。在电场力的作用下，带负电的气体离子向正极移动，在高速移动的过程中与粉尘颗粒发生摩擦碰撞，使得粉尘颗粒也带上负电。荷电的粉尘颗粒在电场力的作用下也向正极移动，最终沉积在正极板（集尘板）上，从而是粉尘与空气分离。
在连续运转的静电除尘器中，对电晕极和集尘极都必须清灰（有时电晕极也会吸附少量粉尘）。振动电极是使用最多的清灰方法，振动装置可以使用：锤击振打，用重锤敲击阳极板和电晕极吊杆；跌落振打，将电极升至一定高度然后骤然放下；电振动，使用电振动器让电晕极和集尘极板产生高频率振动。不过振动清灰的方式容易产生二次扬尘，降低除尘的效果。为了避免二次扬尘，可以使用淋洗的方式清灰，不过会消耗一定的水，并且有污水产生。图3、4、5为不同的清灰方式。
图3
图4
图5
简单概括静电除尘器工作的4个过程:(1)高压放电，气体电离;(2)
尘粒荷
电;(3)荷电尘粒从烟气中分离，沉积在集尘板;(4)清灰工作。
三、 文献依据
实验原理的可行性分析
通常，空气中会存在少量的自由电子和离子，但由于数量少，在低电压电场作用下产生的电流极其微弱，因此可以认为空气在通常状态下是不导电的。随着电压逐渐升高，原来空气中存在的少量自由电子获得能量而加速，电流随之增大。当电压加大到一定的数值时，离子和电子全部参加极间运动，电流不再虽电压增大而增大（如图6所示）。继续升高电压，电子获得足够的能量后与中性的气体分子发生碰撞，可以将分子外层轨道上的电子撞击出来，进而形成正离子和自由电子，这些自由电子又被加速，再撞击中性气体分子产生更多自由电子。这个连锁反应极快，使气体发生电离。由于这一过程伴随着发光发声现象，因此称之为电晕放电现象。
图6放电过程示意图
出现电晕后，电场内出现两个不同的区域（如图7所示），围绕在放电极附近很小的区域为电晕区，在这一区域内产生大量的正离子和自由电子。气体电离产生的正离子被负极吸引，会加速飞向负极，撞击负极表面，释放二次电子，使电离过程能继续维持。离负极稍远处，为电晕外区，该区域电场强度急剧下降，电子的能量小到无法使空气分子电离，因此电子在运动时碰到中性气体分子会附着其上形成负离子，这一现象称为电子吸附。空气中的O2、水蒸气等负电性气体是与电子形成负离子的主要气体分子。
图7气体电离
负离子在往正极运动的过程中，遇到尘粒并与之相撞，会附在尘粒上，从而使尘粒荷电，荷电的尘粒在电场力作用下也会往正极移动，从而沉积在正极板上。
电晕放电现象是在不均匀的电场中才会出现，而不均匀的电场是通过很细小的电极产生的，这样在靠近电极附近电场力强，远离电极的电场力就会弱些，均匀的电场并不会产生电晕放电现象，但要防止场强过高出现电压击穿现象。在电晕放电过程中，如果电子不断地产生却又不能吸附在空气分子上形成负离子，这些电子将会在库仑力的作用下向正极吸附，这样会造成火花击穿现象，电晕也不能保持稳定。如像氮等惰性气体就不会吸收自由电子，不宜于电晕的正常运转，而硫的氧化物及二氧化碳之类的气体都与自由电子有很好地亲和力，而在工业现场大量存在此类气体，可很好地维持负电晕的运转。
以阳极作为放电极也能形成电晕，成为正电晕。但是与负电晕相反，是正离子向阴极板运动，由于正离子质量较大，运动速度低，
不能使气体
分子发生碰撞分离，只能通过电晕辐射出的光子使气体电离，维持电晕放电。因此，一般情况下静电除尘器都是采用阴极放电。
荷电粉尘在电场中的驱进速度
粉尘在高压静电除尘器中发生荷电时，由于周围的自由电子和离子不断地碰撞粉尘，在粉尘的表面会不断累积电荷，荷电的粉尘自身会产生与板件电场相反的电场，导致自由电子无法再吸附到粉尘周围，这种现象叫做粉尘电荷炮和现象。根据理论推导，粉尘所带的荷电量为:
上式中ε0为真空介电常数，dc为粒径大小，Ef为电晕级附近的电场强度，εp为粉尘的介电常数。
荷电后的粉尘是成负电性的，它会在高压电场内受到向集尘极方向的库仑力并开始移动，荷电粉尘在电场中的库仑力为:
F =q Ej
其中Ej 为集尘极周围的电场强度。
粉尘颗粒在电场内垂直于气流方向移动时，气流对粉尘的阻力按照如下公式计算:
其中ω为粉尘颗粒与气流同向运动的分量速度。
当库仑力与气流阻力同样大时，荷电粉尘受到的合为为0，在不受任何力的影响下开始匀速运动，此时粉尘颗粒的运动速度就是驱进速度：
静电除尘器的除尘效率
电除尘器除尘效率通常按多依奇(Deutch)捕集效率方程计算。该方程在推导时作了一些假定：除尘器中为的气流为湍流状态；在垂直于集尘表面的任一横断面上的气流和尘粒浓度均匀分布；尘粒进入除尘器后立即完成荷电过程；集尘极附近所有尘粒的驱进速度相同，与气流速度相比是很小的；忽略电风，气流分布不均，尘粒重返气流的影响。若集尘极面积为A （m2），气体总流量为Q （m3/s），多依奇捕集效率方程为
式中，vp 称为有效驱进速度，而非之前计算的驱进速度，两者关系可大概表达为ω＝（2～10）vp 。因为多依奇理论推导和驱进速度计算式中没有考虑各种实际因素的影响，实际值低于理论计算的捕集效率。vp 是实际中对一定结构和运行条件的电除尘器实测η、A 和Q 的值后，反算出相应的驱进速度，用作设计新除尘器的基础。
四、 可能的困难分析
实验设计问题
● 气流速度过高或分布不均
● 集尘极面积不够大或者长高比过小
● 振打装置的振打频率，速度，力度的控制不佳
● 电源方面，整流装置的性能不稳定
实验装置运行问题
● 实验中存在受潮或者零件脱落等因素可能会导致绝缘不好甚至
短路
● 放电极可能由于振打频率太高或力度太大等原因发生断裂，或
者有效电晕过小
● 集尘极由于接触有害粉尘或者使用淋洗方式导致出现腐蚀
● 粉尘浓度会影响到除尘装置的工作，粉尘浓度过低可能发生极
板被击穿，浓度过高则可能造成电晕阻塞或者除尘效率降低。 静电除尘器对细颗粒吸收效率不高
虽然现有的静电除尘器对空气中粗颗粒的收集效率可高达99.9%乃至更高，但其对以亚微米为主要成分的细颗粒物PM2.5的捕集效率却在95%~99%之间，捕集效率不够显著。其中，对于粒径在0.1~1.0um范围内的细颗粒，由于其难以荷电，电迁移速率处于低谷，从而电除尘器对此粒径范围内细颗粒的捕获率较低。该区域也被称为穿透窗口。
为了提高对细颗粒的吸收效率，可以：改进结构如使用款兼具电除尘器或者双区电除尘器等；增加辅助电极；采用大直径放电极；采用蜂窝状集尘极等。
对于这方面不足，也可以尝试使用声波团聚技术来弥补。声波团聚是一种气溶胶预处理技术，在烟气进入除尘器之前，运用高强声场进行辐射处理，在数秒的时间内，烟气中的颗粒之间发生团聚，特别是细颗粒的团聚，从而使烟气中的颗粒数目减少，平均粒径增大，有利于提高静电除尘器的除尘效果。
自身不足
首先，理论知识有所欠缺。由于本人所学专业为计算机，确切的说是
生物信息学，因此相关的电学，力学等物理方面的理论并没有作为主修课程来学习，只具备大学物理涉及的基础理论，对于更深层次的物理知识，例如在本实验中需要考虑影响静电除尘器效率的因素，以探究如何提高除尘效率，对于这些则需要进一步学习。而对于机械方面的知识更是不甚了解，包括机械设计，工程制图等。
另外本次实验较为复杂，时间安排上可能需要下一番功夫，而且可能
需要与选修同一个课程的同学相互探讨合作，而自身对于合作的经验并不十分丰富，因此也产生了一些未知可能性。对于理论的理解不深以及对于实验设备的不熟悉，可能会导致一些人为造成的隐患，比如实验的电压控制，如果电压过高可能会导致击穿进而损坏设备。
参考文献：
1.2013年1月中国大面积雾霾事件直接社会经济损失评估穆泉, 张世秋《中国环境科学》
2. 浅谈静电除尘原理王灵甫, 马书毫《科技前沿》
3. 电除尘性能优化和节能改造 张玉林 华南理工大学硕士论文
4. 《空气污染控制工程》季学李，羌宁主编化学工业出版社
5. 《除尘理论与技术》向晓东主编冶金工业出版社
6. 《PM2.5颗粒声波团聚控制技术》张学光，张丽丽，刘建忠著科学工业出
版社
7. 京津冀区域大气霾污染研究意义、现状及展望王跃思，张军科等《地球科学进展》
8. 静电除尘器除尘效率影响因素的研究陈鹏《工程科技I 辑》2011年第S1期
9. 高压静电除尘控制系统的硏究陈楠西安工业大学硕士学位论文
10. 增强PM2.5脱除的新型电除尘技术的发展熊桂龙，李水清等《中国电机工程学报》
11. 浅谈静电除尘技术的发展现状及前景马俊 《新疆有色金属》第五期
12. 电除尘电气控制系统设计与实施 沈学锋 华东理工大学硕士论文