荷电喷雾技术在除尘与空气净化调节中的应用.pdf

荷电喷雾技术在除尘与空气净化调节中的应用 * 王贞涛1， 2董庆铭1王军锋1顾利平2 1． 江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013; 2. 江苏太湖锅炉股份有限公司 博士后科研工作站， 江苏 无锡 214187 摘要 荷电喷雾技术是指液体在机械力或者气动力的作用下形成雾滴， 并经过电晕、 感应或者接触荷电后带上电荷， 从 而形成荷电喷雾或荷电气雾两相流的过程。荷电喷雾具有雾滴粒径尺度均匀、 空间弥散程度高以及在目标物上较好 的沉积特性 特别是目标物背面 ， 而广泛应用于农牧业病虫害防治、 喷雾喷涂以及废气颗粒物脱除等领域。从粉尘 脱除机理、 电场或者电荷对脱除吸收的增益机理、 空气净化与温湿度调节机理等方面入手阐述了荷电喷雾技术以及在 粉尘捕集、 废气脱除以及空气净化与温湿度调节等方面应用现状以及发展趋势， 认为荷电喷雾水雾除尘技术发展较 早、 技术成熟可靠， 并已经投入实际应用; 同时认为对荷电喷雾烟气脱硫和空气净化与温湿度调节的深入研究有助于 达到提高烟气处理效率、 降低液体消耗的目的， 为开发和推广新型烟气脱硫技术以及开发室外温湿度调节装置开辟新 途径， 并提出大力开展荷电雾滴输运特性与蒸发特性、 颗粒物聚并以及表面运动特性的研究是提高荷电喷雾技术水平 和装置开发能力的重要前提。 关键词 荷电喷雾; 除尘; 烟气脱硫; 空气净化;环境调节;进展 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201402017 APPLICATION INVESTIGATION ON DUST ＲEMOVAL AND AIＲ CONTＲOL WITH CHAＲGED SPＲAY Wang Zhentao1， 2Dong Qingming1Wang Junfeng1Gu Liping2 1． School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China; 2. Postdoctoral Scientific Ｒesearch Workstation，Jiangsu Taihu Boiler Co． ，Ltd，Wuxi 214187，China * 国家自然科学基金资助项目 51106064 ;中国博士后科学基金项目 2012M511214 ; 江苏省博士后基金项目 1101149C ; 江苏高校优势学科 建设工程项目。 收稿日期 2013 －04 －21 AbstractCharged spray is the process in which the droplets are ed by aerodynamic or mechanical forces，charged by the different charging s，such as corona，induction，and contact respectively and ed charged or air- droplets two- phase flow． The charged spray has been widely implemented in agricultural and livestock protection and prevention from pests and disease，spray painting，dust removal and gas treatment due to uniity of droplets，high spatial dispersion and perfect deposition efficiency on the targets especially on the back． The investigation situation and developing trend for charged spray， dust removal，flue gas desulfurization，and air cleaning，temperature and humidity control by charged spray have been described based on improvement mechanism of dust flue gas removal and controlling temperature and humidity． It is considered that dust removal by charged spray is early developed，mature and reliable technology，and has been applied into reality． Flue gas desulfurization and air cleaning and control should be further investigated，which could improve the flue gas efficiency， decrease consumption of liquid，and offer a new to develop new equipment for flue gas removal and air cleaning， temperature and humidity control． The further study of the charged droplets transport properties and evaporation，dust particles coalescence，and drops surface movement characteristics is also a important base to improve technical level of charged spray and device development． Keywordscharged spray;dust removal;flue gas desulfurization;air cleaning;environment control;development 27 环境工程 Environmental Engineering 0引言 静电是一种能量， 它是以静电荷聚积的方式被存 储起来的， 可以通过其所形成的电场直接做功 例如 吸引或排斥带电物体 ， 也可以通过放电等方式转化 为其他形式的能量。 静电技术在雾化中的应用主要包括基于液体的 静电雾化和静电力辅助的气动力或者机械力雾化 或称荷电喷雾技术 ［1- 2 ］。静电雾化是指静电力克 服液体表面张力， 导致液体破碎成细小液滴的过程。 静电雾化可有效减小雾滴粒径、 降低雾滴粒径谱分 布、 避免雾滴聚并以及提高雾滴分散性， 并且通过外 置电场可以实现对雾滴运动的控制。这些优点使得 静电雾化在理论和应用等领域得到广泛的研究。荷 电喷雾技术主要指液体经过雾化喷嘴喷出， 在机械 力、 流体力与静电力的综合作用下形成荷电喷雾两相 流场。荷电喷雾的初始雾化动力为机械力和流体力， 雾滴在静电力作用下产生二次破碎， 其研究内容主要 包括荷电方式、 荷电机理和沉积特性等， 并在荷电输运 理论、 多相流动理论与应用等方面取得了显著成果 ［ 1 ］。 本文主要结合荷电喷雾技术理论及其增强废气 以及细颗粒物吸收机理， 综述荷电喷雾技术在空气除 尘与净化调节中应用以及前景。 1荷电喷雾除尘 自 Penny G W 研制出第一台荷电水雾除尘器， 采 用荷电喷雾脱除粉尘粒子的技术引起了众多研究者 的广泛兴趣。Pilat M J 等采用两级荷电水雾， 将除尘 效率由 68. 8提高到93. 6， 同时将0. 3 μm 的气溶 胶粒子的脱除效率提高了 42［2 ］。Nielsen K A 等通 过耦合惯性力与库仑力、 电像力等作用， 计算了势流 与斯托克斯流中单个球形雾滴对细微粉尘的收集效 率 ［3 ］。Bertinat M P 将带电的亚微米级粉尘粒子气流 通过荷相反电荷的喷雾区， 计算了 100 μm 荷电水雾 雾滴对 0. 2 μm 粉尘粒子的吸收效率， 在其所设定的 试验条件下除尘效率高达 99. 9， 表明荷电水雾洗 涤器比传统的惯性洗涤器具有优越的性能［4 ］。Wang H C 等研究了荷电水雾对亲水性和疏水性粉尘的捕 集效率， 结果表明在静电力和库仑力为粉尘捕集的吸 收机理时， 润湿对荷电水雾捕集粉尘影响不明显［5 ］。 Sumiyoshitani S 等研究认为荷电水雾与带电粉尘之间 的作用包括吸收、 碰撞、 粘附、 渗透 刺入 、 反弹、 表 面累积以及再次穿入表面等过程， 并定性地讨论了粉 尘在荷电水雾雾滴上的沉积机理［6 ］。Dhariwal V 等 测量了荷电雾滴在气流中吸收和捕集粉尘的效率， 实 验结果与依据静电力捕集机理所建立的模型预测结 果基本一致 ［7 ］。Byrne M A 等测量了荷电雾滴捕集 0. 35 ～0. 88 μm 的气溶胶粉尘的效率， 结果表明收集 效率随着气溶胶粒子半径、 雾滴半径以及雾滴电荷的 增加而增加 ［8 ］。Pranesha T S 等研究了电场力对毫米 级水雾雾滴吸收微米级气溶胶颗粒效率的影响， 研究 表明 3. 6 ～4. 8 mm 的雾滴具有较好的吸收效果， 并 证实雾滴荷电或存在于电场中时雾滴收集效率较高， 研究同时表明任何极性的雾滴电荷在 10 －12 ～10 －11C 时， 雾滴的收集效率和冲刷系数将具有最大值 ［9 ］。 Xiang X D 等采用荷电雾滴作为离子源来提高烟雾的 脱除率， 结果表明， 采用荷电雾滴烟雾数密度在 5 min 内下降 50， 而非荷电雾滴在相同的时间内仅仅下 降 10。Metzler P 等研究了荷电水雾雾滴的脱除效 率， 证实了荷电喷雾沉积模块能取得最好的沉积效 果 ［10 ］。Jaworek A 等在考虑空气拽力、 静电力和重力 的情况下， 计算了几种空气流动模型， 并根据圆形荷 电收集器 雾滴 定义了粉尘粒子的收集效率 ［11 ］。 Kojevnikova S 等研究了带电粉尘被极性相反的荷电 水雾吸收捕集的机理， 计算了气溶胶粒子的运动轨 迹 ［12 ］。Adamiak K 等在考虑惯性力、 空气阻力、 重力 和静电力的条件下， 假定雾滴周围气流为层流， 采用 有限体积法， 计算了不同斯托克斯数， 库仑数和雷诺 数下粉尘沉积效率 ［13 ］。Jaworek A 等假定水雾雾滴 带有瑞利极限所限定的电荷， 在考虑库仑力、 电像力、 斯托克斯力、 惯性力和重力的条件下， 分别计算了自 由下落雾滴吸收同极性或异极性粉尘的效率， 并考虑 了粉尘粒径与雾滴直径对吸收效率的影响［14 ］。 Krupa A 等研究了多喷嘴系统产生的荷电雾滴吸收 亚微米粒子的效率， 研究表明对于直流电晕充电的平 均粒径为 0. 5 μm 粉尘粒子， 在耗水量小于 0. 08 L/ m3时， 脱除效率高达 90［15 ］。Gaunt L F 等采用自 然荷电的水雾脱除空气中的粉尘和过敏源， 在 90 s 的喷雾时间内， 粉尘及过敏源脱除效率提高 16， 对 2. 0 μm 以下的粉尘， 在等量的喷雾下荷电水雾的脱 除效率提高了 14［16 ］。Balachandran W 等对荷电水 雾清除烟雾粒子进行了实验研究， 研究表明荷电后水 雾清除烟雾的效率提高了 4 倍 ［17 ］。Jaworek A 等研 究表明， 采用电晕放电对烟雾粒子的脱除效率与水雾 感应荷电后粉尘的脱除效率相同， 但采用多喷嘴后耗 水量减少为原来的 30 左右; 当粉尘与水雾荷相反 37 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 极性的电荷时， 其脱除效率更高［18 ］。Almuhanna E 等 研究了荷电水雾降低粉尘粒子浓度的潜能。测量结 果表明荷电水雾脱除灰尘效率优于非荷电水雾， 较长 喷雾时间的脱除效率优于短时间喷雾［19 ］。Maghirang Ｒ G 研究表明负极性荷电水雾对提高封闭空间内的 可见度最有效， 比未做任何处理的烟雾消除时间快 15 倍， 比采用金属氧化物纳米结构的材料粒子消除 封闭空间内烟雾时间快 3 倍 ～12 倍 ［20 ］。Kim J H 等 采用荷电水雾增强静电除尘器对单分散性的纳米级 粉尘粒子的捕集效率， 粉尘脱除效率可以提高 21 ～ 36， 并且荷电喷雾可以有效降低除尘器的能耗 ［ 21 ］。 国内荷电水雾除尘的研究起步较晚， 但在机理研 究、 设备开发等方面也取得了较大进步 ［22 ］。谭天祐 等研究认为荷电水滴与粉尘之间的静电力提高了荷 电水滴的捕集能力。周文俊等指出荷电水雾增强细 颗粒物的凝并机理来自于雾滴与粉尘之间的库仑力 与极化力作用， 同时雾滴表面张力的降低有利于粉尘 润湿表现为亲水性， 5 μm 以下的除尘效率提高约 16， 适当加大喷雾量后可以提高近 40。刘景良 证实了荷电水雾增强雾滴捕集效率的作用， 并提出以 通过率降低指数 n 作为参数评价水雾荷电在不同试 验条件下的除尘效果。王静英探讨了感应式荷电水 雾除尘机理及影响除尘效率的主要因素。李德文研 究发现荷电水雾可以有效捕集 0. 1 ～0. 2 μm 的呼吸 尘， 脱除率与雾滴荷电量有较大关系。叶红卫等认为 粉尘与水雾之间产生的库仑力、 电像力是雾滴增强吸 收粉尘效果的重要原因， 并理论研究了荷电量、 粒径、 电场力等对粉尘的捕集效果。王银生等分析了荷电 液滴与荷电、 非荷电粉尘之间受力之比， 理论上解释 了荷电喷雾除尘适于微细粉尘的机理。刘保垣等提 出电场对粉尘的极化、 吸收作用缩短了粉尘与雾滴的 距离， 增加了水滴捕集粉尘的有效半径， 提高了除尘 效率。亢燕铭等采用感应荷电方法对雾滴荷电规律 和水雾除尘效果进行了研究， 分析了操作参数对雾滴 荷电的影响， 并进行了相关数值计算［23 ］。余战桥等 采用荷电水雾净化矿山井下含尘气流， 发现荷电水雾 能有效捕集气流中的粉尘， 其捕集效率随着荷电量和 喷雾量呈线性增加。吴琨等研究了荷电水雾捕尘和 湿式振弦栅除尘技术的机理， 得出影响振弦栅除尘效 率的主要因素有振弦栅的材料、 振动频率、 过流风速 及层数等。袁颖等研究了电水雾振弦珊除尘效果， 获 得了风速、 喷雾量以及雾滴荷质比对除尘效率的贡献 及最佳操作参数。李惟康等综合考虑了雾滴粒径、 粉 尘粒径、 雾滴荷质比等对除尘效率的影响， 建立了荷 电水雾除尘系统的数学模型， 并进行了除尘系统的优 化设计。赵海波等研究结果表明， 典型的传统湿式重 力喷淋除尘器对 PM 的分级除尘效率在 5 以上， 液 滴荷电、 颗粒荷电以及液滴颗粒同时荷上极性相反的 电荷， 可以使得静电增强湿式除尘器中 PM 的分级除 尘效率分别达到 70、 25和 100［24 ］。 国内外荷电喷雾除尘技术通过实验和数值计算 在除尘机理、 粉尘荷电机理与雾滴捕集粉尘过程等方 面均取得了大量的研究成果， 但在雾滴输运特性与传 质特性耦合、 蒸发过程以及聚并沉降等方面略显不 足。随着粉尘控制标准 特别是 PM ＜2. 5 的日益严 格， 作为一项较为发展较早、 成熟度较高的技术需要 大力发展并尽快推进该技术在环保中的应用。 2荷电喷雾烟气脱硫 有关荷电喷雾技术应用于烟气脱硫的研究报道 较少。近十几年来国内外发表的有关荷电喷雾烟气 脱硫技术方面的文献只有 10 余篇。 渡边彰进行了荷电水雾捕集大气中硫化物的试 验， 在 5 ～8 kV 电压下将含有 3 异丙醇的双氧水进 行雾化， 在流量为 1. 0 L/min 及浓度为 1. 8 10 －9时， 脱硫效率为90［22 ］。Mattenson M J 等人对荷电雾滴 形成过程中雾滴表面 SO2传质特性进行了探讨， 研究 表明若雾滴表面荷电密度为 2 10 －5 C/m2， 则荷电 后可使雾滴传质系数增加 60［25 ］。Carkeson T E 等 研究了电场对纯水吸收 SO2效率的影响 ［ 26 ］。Chang J S 等采用中空针状喷嘴作为电极实验研究了石灰石浆 液的高压直流静电雾化 ［27 ］。Wang S H 等观测了不 同实施电压下石灰水静电雾化模式和雾滴粒径、 速 度、 荷质比以及雾化角的变化 ［28 ］。美国开发的 CCS Cloud Chamber Scrubber 采用荷电雾化系统处理感 应炉中产生的硼酸雾， 当采用碱性吸收液时可以除去 SO2、 HCl 等其他有害气体， 处理 HCl 时脱除效率达 90以上。亢燕铭研究表明清水水雾和石灰液雾滴 荷电前后的脱硫效率增加 8 左右， 认为 Ｒayleigh 极 限和荷电改善雾化效果是荷电喷雾烟气脱硫技术的 主要增益效应 ［23 ］。王贞涛指出荷电喷雾提高脱硫效 率约 8左右， 结合静电学知识探讨了雾滴吸收废气 的微观增益机理， 并依据双膜理论提出了一个预测荷 电喷雾脱硫效率的模型。陈汇龙等研究了不同荷电 电压下浆液雾滴的传质增强因子， 并将浆滴吸收 SO2 47 环境工程 Environmental Engineering 的过程分为 Ca2 积聚区和 OH － 积聚区， 简化了 SO2 的吸收过程， 初步建立了石灰浆雾滴吸收 SO2的传质 模型， 分析了 SO2吸收特性。并通过 Fluent6． 实现了 感应静电场与两相流场的耦合计算， 分析了浆液荷电 条件下的两相流场特性及其对脱硫效果的影响 ［29 ］。 杨静探讨了荷电喷雾技术及其脱硫机理， 探讨了荷电 电压、 液气比、 进口 SO2浓度、 雾滴距喷嘴的距离对脱 硫效率的影响 ［30 ］。Dou B L 等采用正高压和负高压 荷电方式对吸收液进行雾化并测量了其脱硫效率， 采 用双膜理论建立的脱硫模型对静电喷雾脱除效率进 行了预测 ［31 ］。Wang Z T 等通过将雾滴吸收过程分为 强电场区、 雾滴诱导电场区及塔壁膜反应区， 明确了 静电场中带电与极化雾滴吸收 SO2传质阶段， 结合反 应面在静电场中的移动特性， 利用双膜理论建立了高 压静电场中荷电浆滴传质的初步化学反应动力学 模型。 以上主要探讨了静电场以及雾滴荷电对脱除机 理的增益作用， 对于荷电多相流动特性、 雾滴表面荷 电特性与内流特性与雾滴传热传质耦合机理的研究 尚显不足， 并且在装置的开发、 整体模型优化等方面 尚处于起步阶段。 3荷电喷雾技术的其他应用 荷电喷雾技术亦广泛应用于空气温湿度调节、 氮 化物脱除以及杀灭靠空气传播的病毒或者过敏源等 领域。Gaunt L F 等采用荷电水雾脱除空气中的可能 诱发哮喘疾病的室内粉尘和过敏源， 研究表明， 通过 自然荷电形成的雾滴其荷质比可达140 μC/kg， 在90 s 内脱除标准气溶胶粒子可达 78， 并且在其平均粒 径大于非荷电雾滴时， 其脱除效果仍比非荷电喷雾有 效 ［32 ］。王军锋等发明了一种高压静电喷洒消毒机， 采用静电喷雾与流体输运相结合的新技术， 能有效提 高传统雾化的杀灭效果。李飞等对高压静电水雾净 化空气中飘尘与细菌进行了研究， 实验表明实验装置 的一次性除尘效率高于 80、 除菌效率达到 88 以 上 ［33 ］。王贞涛等采用荷电双氧水喷雾消除空气中细 菌， 研究表明在低量喷洒时， 灭菌效率可以提高5 ～ 20。在灭菌效率不降低的情况下， 荷电喷雾技术大 大减轻了药剂对环境的污染。王军锋等提出了一种 荷电细水雾室外环境降温净化方法与装置， 实现了净 化室外局部环境的目的［34 ］， 并能有效适用于炎热干 燥天气在城市车流量、 道路积尘量大的铺装道路上和 大气污染物较多的露天场所， 并已经成功应用于 2008 年北京奥运会和 2010 年上海世博会。 4结论与展望 采用荷电喷雾技术控制空气传播的粉尘、 过敏 源、 废气及细颗粒物以及进行室内外温湿度调节的研 究都取得了不少研究成果。荷电喷雾除尘技术应用 较早， 在粉尘吸收脱除机理以及设备开发等方面都较 为成熟; 荷电喷雾烟气脱硫技术以及荷电喷雾净化空 气与温湿度调节等尚处于起步阶段， 对其机理研究与 装置开发等方面的研究有助于达到提高处理效率、 降 低液体消耗的目的， 同时也为开发和推广新型烟气脱 硫技术以及开发室外温湿度调节装置开辟新途径。 伴随着控制 PM2. 5标准的日益提高， 荷电喷雾技术在 颗粒捕捉与凝并、 过敏源与细菌控制以及空气温湿度 调节等方面将会发挥更加积极的作用， 因此需要在荷 电雾滴蒸发作用下的吸收粉尘增益机理、 空间输运特 性、 雾滴凝并特性， 空气温湿度控制与荷电蒸发特性、 输运耦合以及超低量喷雾过敏源控制与防疫消毒等 方面的研究将进一步深化; 同时对于荷电雾滴的荷电 机理、 雾滴极化与雾滴表面特性、 内部流动特性等方 面的研究也是推进荷电喷雾技术在除尘、 空气净化以 及消毒防疫等方面的应用奠定了理论基础。 参考文献 ［1］王贞涛， 闻建龙， 王晓英， 等． 高压静电液体雾化技术［J］． 高 电压技术， 2008， 34 5 1067- 1072． ［2］Pilat M J． 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