馬若白王凱全

（常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院　江蘇常州213164）

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可吸入性粉塵電凝并效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

馬若白王凱全

（常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院江蘇常州213164）

摘要可吸入性粉塵對環(huán)境、人體具有較大的危害，但由于粒徑小而難以被除塵器直接捕集。電凝并是通過電場的作用使粉塵粒子荷電而發(fā)生凝并，使之有效直徑增大從而便于捕集的簡單、易行方法。研發(fā)采用偶極荷電凝并器并利用重力沉降作用測試可吸入性粉塵電凝并效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，在測試段設(shè)置沉降板放置若干載玻片作為取樣點(diǎn)。采用粉煤灰為實(shí)驗(yàn)樣品，分別在未荷電、電壓18 kV，20 kV 3種狀態(tài)下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置可以有效測試粉塵在測試段的沉降效果，顯微鏡直接觀察和圖像粒度分析處理以及中位徑分析表明，荷電凝并后的粉塵粒徑明顯增大，大粒徑粉塵百分比明顯提高，平均粒徑亦有所增大，且電壓越高，效果越明顯。

關(guān)鍵詞偶極荷電電凝并可吸入性粉塵重力沉降沉降板

Experimental Study on Respirable Dust Electric Coagulation Effect

MA Ruobai WANG Kaiquan
（College of Environment and Safety Engineering，Changzhou University Changzhou，Jiangsu 213164）

Abstract Respirable dust has a greater harm to the environment and human，but it is difficult for duster to collect because of the small particle size．Electric coagulation is under the effect of the electric field，the effective diameter of the dust parti-cles is increased，so that it is simple and easy to be collected．The experimental device is developed by dipolar charging and coagulation device and by use of gravity test respirable dust and coagulation effect，and in the test section，the settlement plate is set to place several slides as sampling point．Fly ash is used as experimental samples．The fly ash is used as the sample and under the conditions，respectively the voltage of 18 kV，20 kV and no charged dust state，it is compared and studied．The experimental results show that the experimental device developed can effectively test the settlement of dust in the test section．The direct observation of microscope，image particle analyzed processing and median diameter analyses show that after charged，the microscopic dust particle size is increased significantly，large particle dust percentage increased and the average particle size is also increased，but the higher the voltage，the greater the effect．

Key Words dipolar charged electric coagulation respirable dust gravity settlement settlement plate

0　引言

可吸入性粉塵污染問題近些年來引起了全社會的高度關(guān)注。如果沒有有效的手段對可吸入性粉塵進(jìn)行收集處理會造成嚴(yán)重的大氣環(huán)境污染，給從業(yè)人員和其他接觸者的身體健康帶來危害。

現(xiàn)有的除塵技術(shù)對于可吸入性粉塵的捕集效率十分有限［1］?？晌胄苑蹓m難以高效捕集，主要原因是含大量微細(xì)顆粒物，微細(xì)顆粒物的粒徑?。?］。因此，改變粉塵本身的性質(zhì)，利用凝并技術(shù)，使微細(xì)顆粒物粒徑增大，以便除塵器捕集，提高除塵效率。

微細(xì)顆粒物的凝并方法有多種，如熱凝并、聲凝并、電凝并等。從凝并能耗比、凝并過程復(fù)雜性及難易程度、有無二次污染等方面綜合考慮，電凝并是較為可行的凝并方法［3］。電凝并是通過電場的作用達(dá)到粉塵粒子有效直徑增大的目的［4］。通過電凝并可以使除塵器不容易撲集的微細(xì)顆粒物“長大”，再利用除塵設(shè)備加以收集，可以有效地提高除塵器對可吸入性粉塵的除塵效率［5］。

1實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計與組成

1．1實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)采用的是陳旺生、向曉東等提出的偶極荷電靜電凝并裝置［6］，參考王曉臣［7］、楊加元［8］等確定電極，其特點(diǎn)是采用單極電源，結(jié)構(gòu)簡單，凝并效率較高。將電極作為凝并器觀察粉塵電凝并效應(yīng)。為了減少電極作為除塵裝置對粉塵的吸附作用，本實(shí)驗(yàn)適當(dāng)縮短了電極長度。

在實(shí)驗(yàn)粉塵通過凝并裝置產(chǎn)生電凝并后，多次調(diào)整系統(tǒng)風(fēng)速、發(fā)塵量、電極長度、電極位置等參數(shù)，使沉降段達(dá)到層流狀態(tài)，以便粉塵均勻沉降。

粉塵的沉降規(guī)律取決于粒度分布、密度、風(fēng)速及裝置的幾何尺寸等參數(shù)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下通過對荷電凝并裝置分別在不同電場強(qiáng)度下與未荷電狀態(tài)下凝并效果的對比測試，可以得到粉塵凝并前后的質(zhì)量分布和粒度分布，對比分析凝并效果，為可吸入性粉塵的凝并研究提供一種有效的手段。

本文介紹的重力沉降系統(tǒng)裝置，可以通過改變電極等實(shí)驗(yàn)條件，對多種粉塵凝并裝置進(jìn)行測試。

通常情況下，在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要充分考慮建筑工程使用壽命，因此需重視建筑工程結(jié)構(gòu)的耐久性。為了充分展現(xiàn)建筑工程的設(shè)計價值，建筑工程在正常使用與維護(hù)下，結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足使用年限的需求，在保證使用安全與穩(wěn)定性的前提條件下，最大程度的延長使用壽命。

1．2實(shí)驗(yàn)裝置的組成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由發(fā)塵裝置、高壓電源、沉降室、沉降板、風(fēng)速儀、高效濾紙、真空泵構(gòu)成。發(fā)塵裝置在實(shí)驗(yàn)開始后，在一定時間內(nèi)發(fā)出一定質(zhì)量的粉塵；高壓電源用來使粉塵荷電并產(chǎn)生電凝并；沉降板用來收集電凝并后的粉塵，濾紙用來捕集沒有降落在沉降板上的其他微細(xì)粉塵；風(fēng)速儀用來測定測試段風(fēng)速，對沉降段截面的風(fēng)速進(jìn)行多點(diǎn)測試、標(biāo)定后，測試風(fēng)速儀測試點(diǎn)的風(fēng)速即可得出沉降段的平均風(fēng)速。粉塵沉降板上共設(shè)置10個取樣點(diǎn)，利用放置其上的載玻片對粉塵進(jìn)行取樣，通過電子天平和光學(xué)生物顯微鏡進(jìn)行稱重和粒度分析。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中測試段沉降室尺寸為2 m×0．4 m×0．3 m。

1．3實(shí)驗(yàn)粉塵的選擇

粉煤灰是我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加處理，會產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣；若排入水系會造成河流淤塞，且其中的有毒化學(xué)物質(zhì)還會對人體和生物造成危害。

1－發(fā)塵裝置；2－高壓電源；3－沉降室；4－沉降板；5－風(fēng)速儀；6－高效濾紙；7－真空泵圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意

粉煤灰樣品導(dǎo)電性良好，易于荷電，含微細(xì)顆粒較多，故選擇粉煤灰為樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

粉煤灰樣品經(jīng)過烘干，過濾，去除大顆粒，使樣品顆粒物的粒徑小于15μm，滿足實(shí)驗(yàn)條件。所用樣品均為同一批量，保存在一定條件下，以便隨時取用。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1粉塵未荷電實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，首先對系統(tǒng)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)速過快，粉塵無法沉降；風(fēng)速過慢，粉塵集中落在前面的幾個取樣點(diǎn)，未能在沉降板上均勻沉降，無法觀察到客觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)多次調(diào)節(jié)后，確定風(fēng)速為0．05 m／s。實(shí)驗(yàn)中，還需調(diào)整發(fā)塵量、電極長度、電極位置等相關(guān)參數(shù)。

未荷電粉塵的重力沉降實(shí)驗(yàn)得到的粉塵質(zhì)量分布如表1所示。

粒徑／μm測點(diǎn)位置1?！?＃　3?！?＃　5?！?＃　7?！??！?＃　10＃1 0　 3E－05　 5E－05　 1E－04　 0　0　0　0　0　 5E－05 3　0．015　 0．049　 0．035　 0．045　 0．093　 0．062　 0．064　 0．051　 0．06　 0．107 8 5　0．264　 0．561　 0．504　 0．54　 1．17　 0．834　 0．691　 0．724　 0．95　 1．756 6 10　8．191　 12．24　 9．342　 12．21　 16．65　 16．99　 13．63　 14．28　 15．3　 23．155 15　20．81　 27．51　 22．35　 21．93　 22．69　 37．77　 18．87　 27．05　 20．3　 30．9 25　70．73　 59．63　 67．77　 65．27　 59．4　 44．34　 66．74　 57．89　 63．4　 44．081 50　0000000000 100　0　0　0　0　0　0　0　0　0　0 150　0　0　0　0　0　0　0　0　0　0

從表中可以看出，未荷電狀態(tài)下，由于重力沉降的作用，質(zhì)量分布在10個采樣點(diǎn)上略有起伏，呈現(xiàn)幅度不大的變化，作為荷電凝并狀態(tài)下的參照，可以進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)。

2．2粉塵荷電實(shí)驗(yàn)

荷電實(shí)驗(yàn)的偶極荷電靜電凝并裝置采用單極直流高壓電源，實(shí)驗(yàn)電壓分別為18 kV和20 kV。

通過各取樣點(diǎn)粉塵顆粒的顯微鏡觀察可以看出，荷電后微細(xì)顆粒物形成了較大顆粒的凝聚核心，凝并團(tuán)塊占有很大的面積比重，與未荷電的粉塵顆粒對比，有效粒徑有了明顯的增大，說明凝并效應(yīng)顯著。電壓越高，粉塵凝并越明顯。

算術(shù)平均徑D為粉塵直徑的總和除以粉塵的顆粒數(shù)。平均徑是反映粉塵電凝并效果的重要參數(shù)。

根據(jù)粒度分析儀的原理，本實(shí)驗(yàn)采用平均徑來衡量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所反映的是一個樣品的累計粒度分布數(shù)所對應(yīng)的粒徑。

D100：一個樣品的累計粒度分布數(shù)達(dá)到100%時所對應(yīng)的粒徑，其物理意義是粒徑小于它的顆粒占100%。

D90：一個樣品的累計粒度分布數(shù)達(dá)到90%時所對應(yīng)的粒徑，其物理意義是粒徑小于它的顆粒占90%。

D75：一個樣品的累計粒度分布數(shù)達(dá)到75%時所對應(yīng)的粒徑，其物理意義是粒徑小于它的顆粒占75%。

采用平均徑D作為衡量粉塵荷電后凝并效果的依據(jù)［9］進(jìn)行定量分析，得到D100粉塵顆粒百分比對比，如圖2所示。

圖2 D100粉塵顆粒百分比對比

通過與未荷電粉塵的數(shù)據(jù)對比可以看出：未荷電時，數(shù)據(jù)基本是無明顯變化的；荷電后，曲線出現(xiàn)了明顯的傾斜，且電壓越高，斜率越大，傾斜程度越大，說明荷電后大粒粉塵明顯增加，且電壓越高，電場強(qiáng)度越強(qiáng)，凝并效果越好。通過數(shù)據(jù)對比可以看出，荷電后，大粒徑粉塵百分比提高，明顯高于荷電前，且粉塵平均粒徑亦有所增大。電壓越高，大粒徑粉塵的百分比越高，說明凝并效果越明顯。

實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，偶極荷電靜電凝并裝置作為凝并器在實(shí)驗(yàn)過程中，電極上積灰較為嚴(yán)重，凝并后的大顆粒粉塵一部分聚集在電極板上，會一定程度上影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)采取的克服電極積灰的方法是縮小電極的橫截面積，以適當(dāng)加大風(fēng)速，減少粉塵荷電被極板捕集的幾率，適當(dāng)延長凝并裝置出口之后的凝并區(qū)。此方法收到了一定的效果，電極上的積灰有了較為明顯的減少，從而減少了對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3　結(jié)論

（1）研發(fā)了可以形成穩(wěn)定的層流狀態(tài)、滿足對比實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)裝置。在該裝置上以粒徑小于15 μm的粉煤灰為實(shí)驗(yàn)樣品，開展了未荷電、電壓18 kV，20 kV 3種狀態(tài)的對比實(shí)驗(yàn)。

（2）利用重力沉降測試粉塵粒度分布是一種直觀有效的方法。由于電場力的作用，在凝并區(qū)，微細(xì)顆粒物的凝并現(xiàn)象十分顯著，顯微鏡下可觀察到作為取樣點(diǎn)的載玻片上存在粒徑較大的顆粒團(tuán)，與未荷電的粉塵顆粒進(jìn)行對比，直觀地反映了電場對粉塵凝并的作用，這對提高微細(xì)粉塵的除塵效率是十分有益的。

（3）荷電后，大粒粉塵明顯增加，且電壓越高，電場強(qiáng)度越強(qiáng)，凝并效果越好。通過數(shù)據(jù)對比可以看出，荷電后，大粒徑粉塵百分比提高，明顯高于荷電前，且粉塵平均粒徑亦有所增大。電壓影響粉塵電凝并，高電壓電場強(qiáng)度高，更有利于粉塵電凝并。

由于實(shí)驗(yàn)條件所限，未能采用雙極電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如可采用雙極電源進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，則按照靜電學(xué)理論［10］，電極上的積灰應(yīng)少于偶極荷電靜電凝并裝置，且凝并效果更好。實(shí)驗(yàn)粉塵只采用粉煤灰，未考慮粉塵荷電性對裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，可以更換不同的粉塵進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)，探索不同荷電性粉塵的電凝并效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

［1］M Mohr．Submicron fly ash penetration through electrostatic pre-cipitators at two coal power plants［J］．J Aerosol Sci，1996，24：191－204．

［2］王瑋，湯大鋼，劉紅杰，等．中國PM2．5污染狀況和污染特征的研究［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2000，13（1）：1－6．

［3］向曉東．電凝并理論及在除塵應(yīng)用中的新進(jìn)展［J］．通風(fēng)除塵，1994，13（4）：1－7．

［4］魏鳳，張軍營，土春梅，等．煤燃燒超細(xì)顆粒物團(tuán)聚促進(jìn)技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．煤炭轉(zhuǎn)化，2003，26（3）：27－31．

［5］Ruobai Ma，Kaiquan Wang，Haipu Bi．Research progress on the electric coagulation of fine dust［J］．AMR，2014（3）：2594－2599．

［6］陳旺生，向曉東，陸繼東．偶極荷電靜電凝并除塵器收塵機(jī)理及性能研究［J］．環(huán)境工程學(xué)報，2008（7）：973－976．

［7］王曉臣，朱益民．多針對板式負(fù)電暈放電電極間距確定［J］．高電壓技術(shù)，2003（7）：40－42．

［8］楊加元，陳海豐，朱益民．多針電極雙極電暈放電電極間距優(yōu)化［J］．高電壓技術(shù)，2008（1）：95－98．

［9］張國權(quán)．氣溶膠力學(xué)——除塵凈化理論基礎(chǔ)［M］．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1987．

［10］王連澤，賀美陸，孟亞力．雙極荷電粉塵顆粒凝聚的初步研究［J］．環(huán)境工程，2002（3）：31－33．

環(huán)境工程

收稿日期：（2014－12－23）

作者簡介馬若白，1988年生，2012年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院安全工程專業(yè)，2012年以后在常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院安全工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位，師從王凱全教授。