錢 幺,錢曉明,鄧 輝,徐志偉

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387)

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靜電增強纖維過濾技術(shù)的研究進展

錢 幺,錢曉明,鄧 輝,徐志偉

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387)

綜述了靜電增強纖維過濾技術(shù)的發(fā)展歷史以及國內(nèi)外研究進展；介紹了Apitron靜電袋式過濾器、TRI棒帷電極電場增強袋濾器、中心電場袋式除塵器、混合式電袋除塵器、靜電增強空氣過濾器的結(jié)構(gòu)、特點及其應(yīng)用；指出靜電增強纖維過濾技術(shù)是一種高效低阻的過濾除塵方式，但在處理高濃度的工業(yè)煙塵時，粉塵的積聚使靜電作用產(chǎn)生負效應(yīng)，限制了該技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。建議通過提高靜電增強作用，提高過濾材料的靜電性能和過濾性能，保持過濾材料高效的駐極狀態(tài)，應(yīng)用高效清灰方式，來進一步拓展靜電增強纖維過濾技術(shù)的應(yīng)用。

靜電增強 纖維 過濾 預(yù)荷電 靜電場

靜電增強纖維過濾(ESFF)技術(shù)綜合了靜電除塵和纖維過濾除塵的特點[1]，主要利用粉塵預(yù)荷電或外加靜電場的方式來增強纖維層的過濾效果[2]。這種除塵技術(shù)對細微粉塵具有很高的過濾效率，同時過濾阻力較低，20世紀曾引起了國內(nèi)外許多學(xué)者的廣泛興趣與大量研究。在高濃度的工業(yè)煙塵過濾中，纖維濾料表面很快被粉塵層所覆蓋，形成粉塵初層，并起主要過濾作用，雖然靜電作用在前期過濾中發(fā)揮重要的作用，但隨著粉塵的不斷積聚，靜電作用將產(chǎn)生負效應(yīng)，輕者改變?yōu)V袋電學(xué)性能，引起“反電暈”現(xiàn)象，影響過濾效率，重者造成粉塵中易燃成分的爆炸，損傷濾袋，這在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍，阻礙了其研究與發(fā)展。因此，在當前嚴峻的大氣污染形勢下，研究符合現(xiàn)有環(huán)保要求的過濾材料以及除塵方式具有重要的意義。靜電作用是過濾機理中對微細顆粒過濾最有效的途徑，也是優(yōu)化過濾性能的重要方式之一。充分利用靜電吸附作用，以及避免粉塵荷載引起的靜電負效應(yīng)是靜電增強纖維過濾技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

1 靜電增強纖維過濾技術(shù)研究進展

1.1 國外進展

靜電增強纖維過濾技術(shù)最早由美國人開始研究，1930年，美國的Hansen首次使用靜電來提高纖維過濾器的過濾性能；1948年，美國一個名為American Air Filter的組織開始在實驗室展開此類研究[3]。1954年，美國的Silverman在一次實驗中，將一種玻璃纖維濾料放置在高壓電極與接地極之間，產(chǎn)生了一種新的裝置，該裝置既可以使粒子荷電，又能在纖維濾料間加上電場，過濾效率明顯提高[2]。20世紀60年代初，美國的E.R.Frederick首次提出了“靜電增強纖維除塵技術(shù)”[4]。20世紀70年代以后，靜電增強纖維過濾的理論與試驗研究有了較快發(fā)展[5]。1970年，Apitron靜電增強袋濾器投入半工業(yè)試驗，這是最早的電袋結(jié)合除塵裝置，在沒加高電壓時，該裝置與傳統(tǒng)袋濾器相同，當加上電壓形成電暈時，使粉塵荷電，過濾阻力急劇下降，并隨著電壓的升高，顆粒荷電更加充分，阻力持續(xù)降低，可以達到99.99%的除塵效率，D.J.Helfritch預(yù)言靜電增強纖維過濾技術(shù)將會具有廣闊的前景[6]。隨后，J.D.McCain等[7]通過大量的實驗進一步評價了Apitron除塵裝置對0.001～0.5 μm顆粒的捕集效率。到20世紀80年代，也只有Apitron靜電增強袋濾器在一些工業(yè)領(lǐng)域投入使用，如燒結(jié)、高爐、電弧廠和循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)等，但使用十分有限[5,8]。

1974年，E.R.Frederick[9]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過靜電增強的纖維過濾器比同類未靜電增強的纖維過濾器的壓力降大大降低，他認為這是形成的濾餅結(jié)構(gòu)蓬松導(dǎo)致的，美國紡織研究所的G.E.R.Lamb等[10]也證實了這一點。L.S.Hovis利用不同濾料與電極相結(jié)合進行實驗，結(jié)果表明，在各種情況下，加入電場后的壓力損失都下降，高溫過濾也同樣能達到這種效果[11]。1979年，美國著名的Lawrence Livermor實驗室開始全面研究ESFF技術(shù)，目的在于使之應(yīng)用于原子工業(yè)中，減少高效除塵器的負荷[9]?？紤]到外加電場會有更好的靜電增強效果，20世紀80年代初，美國紡織研究所(TRI)提出了棒帷電極結(jié)構(gòu)的靜電增強袋式過濾器[12]。1986年，日本日立公司的K.Ohtsuka等[13]研究靜電增強過濾機理的實驗表明，靜電增強袋濾器對3 μm以下的微細粉塵的過濾效率大大高于常規(guī)袋式除塵器。1988年，美國北卡大學(xué)的A.S.Viner等[14]研究了先進靜電增強織物過濾(AESFF)，濾袋中心的電暈極使塵粒荷電，電暈極與接地的濾袋表面之間形成電場。N.Plaks[15]也進行了相同實驗研究，結(jié)果表明，這種除塵器不僅降低了壓力降，還比之前報道的所有此類除塵裝置的除塵效率高。據(jù)美國空氣污染控制協(xié)會1987年會介紹，這種靜電增強袋式除塵器的投資可比傳統(tǒng)的袋式除塵器降低25%～48%[14]。此后，韓國J.K.Lee等[16]將預(yù)荷電與電場增強裝置分開，在靜電過濾器之前設(shè)置正極預(yù)荷電器，靜電過濾器的金屬網(wǎng)之間形成電場。結(jié)果表明，其對細微顆粒的過濾效率遠高于傳統(tǒng)過濾器。S.Kim和J.Mermelstin等[17-18]利用不銹鋼纖維濾料作為接地極制成“點-板式”靜電過濾器，在電場的作用下，該過濾器的過濾效率大大提高；并且過濾效率隨著附著于纖維素上的顆粒的負荷量增加而提高。但是，當顆粒的負荷量超過2～3 g/m2時，纖維過濾器的性能將迅速降低，因為顆粒物過多地積累，很容易產(chǎn)生“反電暈”，以致顆粒物再次懸浮。通常該過濾器需要通過機械振打方式去除積累的粉塵顆粒，即便出現(xiàn)“二次揚塵”，顆粒也會再次被纖維捕集。

1.2 國內(nèi)進展

我國對靜電增強纖維過濾技術(shù)的相關(guān)研究起步較晚，1981年譚天佑教授首次向國內(nèi)學(xué)者引進國外的研究信息及成果[19]。此后幾年，我國眾多學(xué)者圍繞3種靜電增強方式展開了對此項技術(shù)研究，即：(1)粉塵預(yù)荷電，纖維層無外加電場；(2)粉塵無預(yù)荷電，纖維層有外加電場；(3)粉塵預(yù)荷電，纖維層有外加電場。

最早進行的是粉塵預(yù)荷電技術(shù)對過濾性能影響的研究[2]。1986年，王永利等[20]針對電焊煙塵凈化機組研制出了預(yù)荷電-過濾器復(fù)合式除塵裝置，明顯提高了凈化效果，且過濾阻力比原除塵裝置降低約50%。曾慕成、郭紀興等[21-22]從理論上分析了預(yù)荷電機理，研究了塵粒預(yù)荷電對袋式除塵器濾效、粉塵層壓力降、清灰效率的影響。1988年，陳學(xué)武等[23-24]將研制的JDD-Ⅰ型靜電袋濾器進行了半工業(yè)試驗。結(jié)果表明，預(yù)荷電對粉塵層結(jié)構(gòu)以及濾布阻力的影響與粉塵荷電量有關(guān)，粉塵荷電量越多，在低粉塵負荷時的過濾效率也顯著提高。1990年，馬廣大[25]研制出了靜電增強脈沖袋式除塵器，在脈沖布袋中加入平行電極結(jié)構(gòu)，正負電極相間平行布置，與普通袋式除塵器相比，阻力降低1/2，清灰周期延長2倍左右，有利于處理高比電阻的粉塵。趙鐘鳴等[26]研制出深床型靜電增強纖維除塵器，用2個篩網(wǎng)作為電極，中間填充纖維層，當電極之間產(chǎn)生的電場方向與氣流方向一致時，含塵氣流中的粉塵能滲透到纖維層深處，且均勻沉積在各纖維表面，而在纖維層表面無粉塵層形成。他們還研究了靜電增強纖維除塵機理，得出螺旋氣流中孤立纖維慣性碰撞效率的擴展公式以及孤立纖維靜電吸引效率的計算公式，并通過實驗數(shù)據(jù)檢驗了理論計算式的正確性[27]。之后，他們又詳細分析了靜電增強纖維層在荷電狀態(tài)下的性能特征[28]。

榮偉東等[1]對3種靜電增強方式進行了較系統(tǒng)的研究，采用高效、中效、低效3種DV系列濾料進行實驗，分別測試3種濾料在靜電增強前后的過濾性能。結(jié)果表明：預(yù)荷電強化后的纖維過濾效率均有提高，但由于高效濾料中纖維分布密實，荷電粉塵接近纖維時，誘導(dǎo)纖維感應(yīng)帶電，產(chǎn)生較強的電場，使捕集能力增加，因此，高效濾料的效果最顯著；在0～2 m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)過濾風(fēng)速，過濾效率隨著風(fēng)速的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在靜電增強下，風(fēng)速為1.0～1.2 m/s時的濾效最高，并且通過分級效率可以看出，靜電增強對小粒徑粉塵的效果最明顯。此外，對外加電場方式的研究表明：外加電場能大大提高過濾效率，且不會出現(xiàn)預(yù)荷電時的二次粉塵飛揚現(xiàn)象；采用垂直外加電場的效果要略好于平行外加電場，原因是在垂直電場作用下，纖維的迎風(fēng)面和背風(fēng)面均可充當捕集面，而平行電場下只有迎風(fēng)面用于捕集粉塵。他們還分析了靜電-纖維過濾的影響因素，主要包括纖維比電阻、粉塵比電阻、相對濕度、過濾風(fēng)速、荷電電壓、粉塵粒徑、荷電器設(shè)計參數(shù)(荷電器長度)。結(jié)果表明：纖維、粉塵比電阻低，相對濕度高均有利于靜電過濾的改善；過濾風(fēng)速、荷電電壓存在一段最佳數(shù)值；小粒徑粉塵的靜電增強效果較好[29]。近年來，臺灣大學(xué)Yang Shinhao[30]用非離子型表面活性劑對纖維過濾器進行預(yù)處理，提高靜電吸附作用，并分析了氣溶膠的性質(zhì)對過濾效率的影響。結(jié)果表明，表面活性劑處理不僅不會影響纖維過濾材料的結(jié)構(gòu)，還明顯提高了過濾效率，但這種處理過的纖維過濾材料對固體氣溶膠的過濾效果比液體氣溶膠要好，因為液體氣溶膠不會堵住濾料孔洞，而是直接粘附在帶電纖維的表面，降低纖維表面的電荷量，從而降低了纖維過濾效率。

2 靜電增強纖維過濾器

2.1 Apitron靜電袋式過濾器

Apitron靜電袋式過濾器是一種預(yù)荷電增強袋濾器[31]，由傳統(tǒng)脈沖濾袋與管線式靜電除塵器連接而成[32]。含塵氣體從管底進入，粉塵經(jīng)過電暈放電區(qū)荷電后被收集，未被收集的粉塵通過上面的濾袋過濾。電暈放電區(qū)的收集主要是因為金屬圓筒(正極)與電暈線(負極)的極性相反，帶正電的顆粒被吸附到筒的內(nèi)表面而沉積。這種靜電增強袋濾器的特點是粉塵在過濾器內(nèi)部荷電，噴吹管設(shè)在濾袋中心與放電極相連，脈沖噴吹位于濾袋下側(cè)，而不是從濾袋頂部吹出，在清除管壁與電暈線上沉積的粉塵時，由高速射流誘導(dǎo)產(chǎn)生的二次氣流使得濾袋得到清灰。此外，放電極位于下部，電暈及反電暈的火花不會破壞濾袋。

2.2 TRI棒帷電極電場增強袋濾器

20世紀80年代初，美國紡織研究所(TRI)的G.E.R.Lamb等[12]開發(fā)了一種靜電增強結(jié)合織物過濾的棒帷電極結(jié)構(gòu)的過濾器，亦稱為表面電場袋式除塵器。該過濾器是由一系列沿著布袋長度方向布置的不銹鋼絲(直徑為0.58 mm)作為正、負極交錯排布，在濾袋外表面形成電場，相鄰電極之間相距1.5 cm(或2 cm)，場強在2～8 kV/cm之間[33]。相鄰電極的極性相反且彼此絕緣，可以用絕緣環(huán)、陶瓷絕緣子或涂有耐高溫粘合劑的玻纖紗作為橫向扎箍將其固定[12,33]。實驗研究表明：當電場方向平行于織物表面而垂直于氣流方向時，能獲得較好的過濾效果；且電極必須位于濾袋表面的粉塵側(cè)，不用縫紉在濾袋上。通常，該袋濾器在常溫下，濾袋在低阻力(約250 Pa)下運行，脈沖清灰周期為15 min，與傳統(tǒng)過濾器相比，提高了過濾效率，可以做到很疏松以致降低過濾阻力及阻力增長速率[34]。

2.3 中心電場袋式除塵器

中心電場袋式除塵器(AESFF)[14]是在脈沖袋式除塵器的濾袋中心同軸地放置高壓電極線，與接地的導(dǎo)電濾袋表面形成中心電場；或在脈沖袋式除塵器中，將電暈極布置在導(dǎo)電濾料之間[35]。這種電極布置形式非常類似于靜電除塵器，其工作原理[31]是：濾袋中心的電暈極使得粉塵荷電，帶電粉塵在電場力作用下沉積在濾袋上，同時，濾料層也會帶上與粉塵極性相同的電荷，多數(shù)可以通過接地線流走，還有部分會留在纖維層和粉塵層上，如果累積的電荷過多，可能會形成反電暈，燒壞濾袋，因此必須及時清灰。另外，在這種靜電增強過濾器中，可以用導(dǎo)電濾料作為接地電極[15]，還可以在普通濾袋的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)安裝接地金屬網(wǎng)作為電極。結(jié)果表明[1]：AESFF改變了粉塵在濾袋上的沉積方式，其運行的壓力損失率為70%，低于常規(guī)濾袋；在較高氣布比下，可以產(chǎn)生和傳統(tǒng)濾袋相同的壓力降性能；由于電場存在，AESFF濾袋的老化特性低于傳統(tǒng)濾袋。

2.4 混合式電袋除塵器

混合式電袋除塵器(AHPC)是20世紀90年代末美國能源與環(huán)境中心開發(fā)的一種微?？刂菩录夹g(shù)，于1999年獲得專利。在除塵器內(nèi)部，電極與濾袋交替排列鑲嵌一體，含塵煙氣首先通過靜電除塵器區(qū)，大部分顆粒在到達濾袋之前被去除，減輕了濾袋負荷，延長了濾袋清灰周期。并且，在濾袋進行脈沖清灰時，飛揚的塵粒再次有效地被收塵板捕集。該設(shè)備長期運行性能穩(wěn)定，除塵效率達99.99%以上，壓力降為1 600～2 000 Pa，但目前尚屬實驗室研究階段。我國第1臺AHPC型混合式除塵器[36-37]于2009年7月在1臺75 t/h的鍋爐上投運，測試結(jié)果表明，該除塵器可處理煙氣量高，對1 μm微塵的分級效率達到99.8%，對1 μm微塵的排放濃度為10 μg/m3，但目前尚未在大機組上工業(yè)試驗。

2.5 靜電增強空氣過濾器

靜電增強空氣過濾器(EAA)是韓國J.K.Lee等人[16]在2001年設(shè)計的，它由預(yù)荷電器和靜電場過濾器兩部分組成，靜電場過濾器之前設(shè)置正極預(yù)荷電器，預(yù)荷電場強為4.7 kV/cm，使顆粒物帶電；靜電場過濾器上下游之間由金屬網(wǎng)構(gòu)成兩極，其中一極接入直流電壓為1 kV，另一極接地(形成場強為1.4 kV/cm)，中間填充纖維濾料。結(jié)果表明，在標準的2.5 m/s風(fēng)速下，對1.96 μm顆粒的過濾效率達92.9%，高于傳統(tǒng)過濾器70.0%的過濾效率。靜電效應(yīng)不僅提高了過濾效率，而且降低了阻力。此外，靜電增強空氣過濾器能大大提高對室內(nèi)香煙煙霧的去除，通過對顆粒物濃度的檢測表明，運行10 min后對香煙顆粒物的去除效率為90%，運行30 min的去除效率為96%。

3 結(jié)語

從靜電增強纖維過濾技術(shù)的提出到現(xiàn)在已經(jīng)有半個世紀，關(guān)于這項技術(shù)的除塵機理及應(yīng)用研究還在進行。雖然靜電增強除塵技術(shù)的優(yōu)點明顯，但仍然存在許多不足，其應(yīng)用主要局限于室內(nèi)低濃度的氣體污染物的凈化，而對于高濃度的工業(yè)煙塵凈化的應(yīng)用卻很少，原因是工業(yè)煙塵過濾的工況十分復(fù)雜，受粉塵性質(zhì)影響較大，粉塵中可能含有的易燃成分遇靜電產(chǎn)生爆炸，造成濾袋燒傷；此外，高濃度粉塵很容易堵塞濾料，會改變?yōu)V袋的電學(xué)性能，從而影響靜電場的控制，限制了其發(fā)展及應(yīng)用。根據(jù)過濾機理可知，靜電作用仍然是優(yōu)化過濾性能的重要技術(shù)途徑。靜電增強纖維過濾技術(shù)是過濾微細顆粒物的有效方法，具有以下發(fā)展方向：(1)靈活變動電極材質(zhì)、形狀及布置方式可以使得靜電增強作用更高效；(2)改變?yōu)V料材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、介電性能，提高過濾材料的靜電性能及過濾性能；(3)借鑒駐極體過濾材料機理[38]，利用靜電增強技術(shù)使得過濾材料長期保持高效的駐極狀態(tài)，既能克服傳統(tǒng)駐極體材料靜電衰減的缺點，又能實現(xiàn)高效、低阻的過濾效果；(4)將導(dǎo)電過濾材料接入直流電源的一極，使帶相同電荷的顆粒物無法靠近過濾材料表面，帶相反電荷的顆粒物被吸附在過濾材料的纖維表面。需要清洗時，變換反向電極，并結(jié)合反向空氣噴吹，實現(xiàn)過濾材料的高效清灰[39]。

隨著人們逐漸對這種技術(shù)的認識與了解，其優(yōu)越性日益明顯，靜電增強纖維過濾是一種經(jīng)濟、安全、可靠、簡易、實用的除塵方式，將會更多地應(yīng)用到實際的過濾除塵中。

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?國內(nèi)外動態(tài)?

泰國IVL收購西班牙Cepsa的聚酯工廠

據(jù)日本化纖協(xié)會《行業(yè)新聞》報道，泰國大型聚酯制造廠家Indorama Ventures Limited(IVL)收購了西班牙綜合石油公司Cepsa(Compaía Espaola de Petróleos, S.A.U.)的 San Roque工廠。

San Roque工廠的精間苯二甲酸(PIA)、精對苯二甲酸(PTA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)生產(chǎn)能力分別為220,325,175 kt/a，其原料從鄰近的煉油廠采購。

(通訊員 王德誠)

Research progress in electrical stimulation of fabric filtration technology

Qian Yao, Qian Xiaoming, Deng Hui, Xu Zhiwei

(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387)

The historical development and research progress in the electrical stimulation of fabric filtration technology were reviewed in China and abroad. The structure, characteristics and application of Apitron electrostatically augmented fabric filter, TRI electrode field curtain augmented fabric filter, advanced electrostatic stimulation of fabric filtration, advanced hybrid particulate collector and electrostatically augmented air filter were introduced. It was pointed out that the development and application of electrical stimulation of fabric filtration technology would be limited as a high-efficiency low-resistance filtration technology because of the negative effect of electrostatic interaction resulting from dust accumulation while treating high-concentration industrial flue dust. It was suggested that the application of electrical stimulation of fabric filtration technology should be further developed by enhancing the electrical stimulation, improving the electrostatic and filtration properties of filter material, ensuring the high-efficiency electrets state of filter material and applying high-efficiency purge mode.

electrostatic enhancement; fiber; filtration; pre-charge; electrostatic field

2015- 09-14； 修改稿收到日期：2015-11-16。

錢幺(1990—)，男，研究生，從事非織造過濾材料研究。E-mail：hbqy0905@163.com。

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計劃(12JCZDJC26700)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計劃(15JCZDJC38500)；國家科技支撐計劃課題(2014BAE09B00)。

TQ342.89

A

1001- 0041(2016)01- 0048- 05