北京市東直門中學(xué) 陳 朔 魯一洋

簡述一種基于高頻高壓放電裝置的城市靜電除霾系統(tǒng)的設(shè)計

北京市東直門中學(xué) 陳 朔 魯一洋

電除塵技術(shù)是利用高壓產(chǎn)生的強電場使氣體電離，即產(chǎn)生電暈放電，進(jìn)而使粉塵荷電，并在電場力的作用下，使氣體中的懸浮粒子分離出來的技術(shù)。本篇論文對該技術(shù)進(jìn)行研究，創(chuàng)新性的將該技術(shù)與高頻高壓放電裝置結(jié)合，應(yīng)用于城市戶外空間的除霾工作當(dāng)中。提出了一種基于高頻高壓放電裝置的城市靜電除霾系統(tǒng)的設(shè)想，并簡要分析了其工作原理及實用價值。

高壓電；靜電；霧霾；空氣凈化

一、前言

（一）霧霾現(xiàn)狀

2015年12月-2016年1月，我國多數(shù)省市長時間遭遇大面積霧霾天氣，其影響面積、持續(xù)時間、微粒密度和強度非常罕見。

全國范圍內(nèi)自1960年大規(guī)模發(fā)展工業(yè)進(jìn)程以來，平均霧霾日數(shù)逐年攀升，在北京、上海、廣州等發(fā)達(dá)城市，每年霧霾天數(shù)更是超過百日。

北京市最長連續(xù)4日被籠罩在霧霾天氣之下，“爆表”的pm2.5監(jiān)測值和接連發(fā)出的霾紅絲預(yù)警信號，使全市中小學(xué)在緊張的期末復(fù)習(xí)階段被迫停課。霧霾不僅導(dǎo)致大氣能見度和空氣質(zhì)量的下降，還會增加諸如呼吸道感染、哮喘等疾病的發(fā)病率，同時對公路運輸和民用、軍用航空、航海領(lǐng)域均構(gòu)成嚴(yán)重影響，給公民的生產(chǎn)生活和很體健康造成極大威脅。

（二）現(xiàn)有的解決措施

當(dāng)前，我國以可吸入顆粒物、細(xì)顆粒物及粉塵等霧霾的主要成分為主的大氣環(huán)境問題日益突出，對人民身體健康，甚至社會和諧穩(wěn)定造成了很大的影響。隨著我國城市化的發(fā)展以及工業(yè)進(jìn)程的推進(jìn)，以化石能源為能源主體的能源消耗持續(xù)增加，導(dǎo)致大氣污染防治壓力將會繼續(xù)加大。國家及各省市、地區(qū)相關(guān)部門十分重視治理霧霾天氣和防治大氣污染的相關(guān)工作，采取了一系列措施積極應(yīng)對。

其應(yīng)對方案主要包含但不限于限制工廠排放、限制公車出行、機動車限購、發(fā)展公共交通和軌道交通網(wǎng)絡(luò)、鼓勵綠色出行、加強霧霾天氣檢測預(yù)警等方面。然而在霧霾真正來臨時，除了減少污染排放，以達(dá)到不加重霧霾的效果，以及等待冷空氣過境吹散霧霾，并沒有可以在霧霾天氣來臨時快速有效清除或削弱霧霾的辦法。

（三）設(shè)計裝置目的

在霧霾天氣中，在室外局部地區(qū)凈化空氣，改善霧霾和空氣污染，使人們能夠呼吸干凈的空氣，使人們即使在霧霾天氣也可以在室外進(jìn)行活動。

二、對于霧霾中污染物成分的分析

我們常說的 “霧霾”，即由空氣中灰塵、氮氧化物、二氧化硫、有機碳?xì)浠衔锏葰怏w及顆粒物組成的氣溶膠系統(tǒng)。其主要化學(xué)成分包括有機化合物、硝酸鹽、銨鹽、硫酸鹽、重金屬等諸多化學(xué)元素。它們可以使大氣渾濁，能見度下降并導(dǎo)致人的視野模糊。

三、基于高頻高壓放電裝置的城市靜電除霾系統(tǒng)分析

（一）系統(tǒng)簡介

1.系統(tǒng)設(shè)想

由于近階段頻發(fā)的霧霾天氣為城市居民造成了諸多不便，同時越來越多的城市居民開始重視環(huán)境污染及空氣質(zhì)量問題。設(shè)想有這樣一個城市霧霾清潔系統(tǒng)的裝置，將其安放于戶外，在霧霾天氣里運行，利用靜電原理吸附霧霾，使局部低空區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生相對污染物更少的清潔空氣。方便市民進(jìn)行正常的室外活動。

2.系統(tǒng)特點

該基于高頻高壓放電裝置的城市靜電除霾系統(tǒng)與一般靜電除塵裝置相比，具有如下特點：

（1）可在室外應(yīng)用，吸附多種類型空氣污染物；

（2）除塵效率高，可吸附0.1μm～0.001μm級的直徑較小的塵粒；

（3）可應(yīng)用區(qū)域廣泛；

（4）除塵范圍大；

（5）整體高度自動化，維修簡單。

3.系統(tǒng)應(yīng)用

應(yīng)用于城市公園、運動場館，等需清潔空氣且無較多電磁干擾的室外區(qū)域。

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

此系統(tǒng)分為三個模塊，分別為，放電模塊，集塵模塊和除塵模塊。放電模塊主要由高頻高壓放電裝置（即特斯拉線圈）組成。它的作用是使普通電壓變成高頻高壓，在其周圍產(chǎn)生高壓電場，并放電，從而使其周圍自由電子產(chǎn)生加速度。集塵模塊由陽極集塵板組成，使空氣中塵埃顆粒捕獲電子帶上負(fù)電，聚集到集塵板上，達(dá)成了集塵作用。除塵模塊是基于錘擊振打原理，以一定速率周期性振打極板，使之產(chǎn)生一定的加速度，使粉塵層落下，再收集起來，防止粉塵堆積在極板表面，能方便收集粉塵。三個模塊相互配合共同工作，缺一不可。

（三）高壓靜電除霾原理分析

在本系統(tǒng)中高頻高壓放電裝置將220V電壓升至50～60kV，在電場作用下，空氣中的自由離子要向兩極移動，電場場強及離子的運動速度隨電壓的升高而加大。由于離子的運動，極間形成了電流。裝置運行初始階段時，由于空氣中的移動的自由離子較少，電流值較低。當(dāng)放電電壓升高到一臨街?jǐn)?shù)值后，放電電極附近的離子因而獲得了較高的速度和能量，與空氣中的中性原子發(fā)生碰撞，此時，中性原子會分解成正、負(fù)離子，使空氣產(chǎn)生電離?？諝怆婋x后，由于聯(lián)鎖反應(yīng)，在極間運動的離子數(shù)大大增加，宏觀表現(xiàn)為電暈電流的急劇增加，使局部范圍內(nèi)的空氣成了導(dǎo)體。當(dāng)放電極周圍的空氣均被電離后，在放電極周圍出現(xiàn)電暈?？諝庠陔姇灧秶鷥?nèi)電離后，其中的正離子向陰極移動，負(fù)離子進(jìn)入電暈外區(qū)，向陽極移動。由于電暈區(qū)的面積很小，在含有霧霾的空氣中只有極少量的塵粒在電暈區(qū)通過，獲得正電荷，沉積在陰極上。而大多數(shù)的塵粒在電暈外區(qū)通過，帶上負(fù)電荷，受電場力作用向集塵極運動，最后沉積在陽極集塵板上逐漸形成粉塵薄層。（除塵過程如圖1所示）當(dāng)集塵極板上的粉塵達(dá)到一定的厚度后，用機械振打方法將粉塵脫離。

圖1 除塵過程示意圖

（四）高頻高壓放電裝置分析

高頻高壓放電裝置即特斯拉線圈是一種分布參數(shù)高頻串聯(lián)諧振變壓器，可以獲得上百萬伏的高頻電壓。該部分裝置由感應(yīng)圈、變壓器、打火器、電容器和初級線圈組成。本裝置使用變壓器將交流電壓升壓至2kV以上，使其足夠可以擊穿空氣。然后經(jīng)過由四組高壓二極管組成的全波整流橋給初級LC回路諧振電容充電，當(dāng)電容兩個極板之間的電勢差達(dá)到放電閥值時，會擊穿打火器處的空氣，利用火花間隙放電導(dǎo)通電路，和初級線圈構(gòu)成一個LC振蕩回路。這時，電磁振蕩會產(chǎn)生通常在100kHz到1.5MHz之間的高頻電磁波。放電頂端是一個有一定表面積且導(dǎo)電的光滑物體，它和地面形成一個對地等效電容，同時，該對地等效電容和鏈接放電頂端的次級線圈也會形成一個LC振蕩回路。當(dāng)初級回路和次級回路的LC振蕩頻率相等時，初級線圈發(fā)出的電磁波的大部分會被次級的LC振蕩回路吸收。放電頂端和地面的電勢差此時無限大，因此在次級線圈的回路里面會產(chǎn)生與LC振蕩頻率一致高壓小電流的高頻交流電，此時放電頂端會和附近接地的物體放出電弧電離空氣。在本系統(tǒng)中，將此裝置放在地面之上，與集塵裝置和除塵裝置相配合工作（如圖2所示）。

（五）集塵裝置分析

本系統(tǒng)所應(yīng)用的集塵裝置主要由集塵極板組成，帶有負(fù)電荷的塵埃顆粒在電場力的作用下做向極運動，吸附于陽極集塵板上。該陽極集塵板鋪設(shè)在所應(yīng)用區(qū)域的無人經(jīng)過的地面上，使帶電塵埃吸附在集塵板表面。對于集塵板的選用需要滿足如下要求：

（1）集塵板厚度及粗糙程度分布均勻，極板場強分布均勻；（2）集塵板強度高，耐受高溫及腐蝕；（3）集塵板面積較大，容塵能力強；（4）振打性能好，可均勻地受到擊振錘的擊打。

（六）除塵裝置分析

當(dāng)集塵極板吸附了一定的灰塵后，會影響裝置工作，因此需要及時的清理灰塵，通過振打極板來進(jìn)行清灰。在震打過程中應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)整振打頻率和振打強度。若振打頻率高、強度大，則會導(dǎo)致積聚在極板上的粉塵層較薄，使振打后粉塵會以粉末狀下落，容易產(chǎn)生二次空氣污染。而振打頻率低、強度弱，則極板上積聚的粉塵層較厚，大塊粉塵會因自重高速下落也會造成二次空氣污染。因此與當(dāng)時空氣中各污染物含量實施監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，選擇合適振打頻率和強度。

四、系統(tǒng)的實際應(yīng)用分析

本裝置能捕集極小的細(xì)微粉塵，處理氣體范圍量大，并且適用于高溫、高壓和高濕的場合，能連續(xù)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動化。

但本系統(tǒng)也有一些缺點，例如設(shè)備龐大，耗鋼多，需高壓變電和整流設(shè)備，投資高。除塵效率受污染物比電阻影響大，若不采取一定措施，除塵效率將受到影響。本設(shè)備由于裸露與室外工作，其產(chǎn)生的電磁場可能對周圍的電子通訊設(shè)備和無線電設(shè)備產(chǎn)生。由于高壓放電，空氣中的氧氣會經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成對人體健康有害的臭氧，并且在設(shè)備運行中會產(chǎn)生較大的噪音。由于本系統(tǒng)中高頻高壓放電裝置產(chǎn)生的高頻高壓電流具有趨膚效應(yīng)，功率過大會引起皮膚燒傷。若是投入在城市中應(yīng)用，雖理論上可達(dá)到除霾效果，但裝置本身則會對人們正常生活產(chǎn)生部分影響。故后期仍需對本系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。諸如更改高頻高壓放電裝置放電類型、設(shè)計安全電路觸電應(yīng)答系統(tǒng)、行人保護(hù)裝置等。

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陳朔，北京市東直門中學(xué)學(xué)生，愛好物理學(xué)。

魯一洋，北京市東直門中學(xué)學(xué)生，愛好物理學(xué)。

Electrostatic precipitation is a technology which can ionize gas by high voltage electric field.It can generate corona discharge and charge the dust.The floating particle in the air is separated by the electric field.This thesis researches on the electrostatic precipitation technology and designs a urban air purification system which innovatively combines this technology with Spark Gap Tesla Coil to clean the air in urban outdoor space.Here include the brief instruction about its operating principle and practical value.

high voltage electric；static electricity；haze；air purification

注：該論文曾獲全國中小學(xué)生數(shù)理化學(xué)科能力展示競賽（論文項目）一等獎。