静电除尘的原理及演示实验的改进

2022-03-06 08:35:16 | 浏览次数：

��zoޛ�)j馟��i�� 文章编号：1003-6148（2015）3-0058-3

1 问题的发现与提出

学习过3-1《电场》后，我们了解到静电除尘是静电原理最重要的应用之一，是应用物理学改善环境、保护环境的典型实例，在处理工业烟雾污染方面卓有成效。可惜我校实验室里没有配备相应的演示装置，在讲授“静电的利用和防止”后，为了让学生亲眼看到静电除尘的效果，笔者决定动手设计制作一台静电除尘演示器。

在教师用书的实验参考资料上，介绍了一个实验装置。其缺陷是：①铁筒遮挡视线，无法直观看到除烟尘的过程；②没有对器材规格加以说明，不能确定如何使实验效果显著；③中间金属线难以稳定。

笔者又查阅了文献中的一些改进实验[1]，寻找改进除尘演示器的方法。

2 对静电除尘器原理的研究

1907年，科特雷尔（Cottrell）首先将静电收尘技术用于净化工业烟气获得成功。如今，静电除尘器已经广泛应用于钢铁工业、有色冶金、建材工业、电力工业、化学工业、轻纺工业以及其他工业领域乃至民用领域。

工业电除尘中对静电除尘器原理的研究与技术进步，应当对制作静电除尘演示器有所帮助。

2.1 静电除尘器的基本原理

静电除尘器是在两个曲率半径相差很大的金属阳极和阴极上，通过高压直流电，在两极间维持一个足以使气体电离的静电场。气体电离后产生的电子、阴离子与阳离子附着在通过电场的粉尘上，使粉尘带电。荷电粉尘在电场力的作用下，便向极性相反的电极运动而沉降在电极上，从而使粉尘与气体分离。通过清灰过程把附着在电极上的粉尘振落，使其掉入灰斗中。图2是管式静电除尘器的工作原理示意图。在金属丝的一端施加负极性高压直流电，该金属丝位于接地的金属圆筒的轴线上。当外加电压达到一定值时，在金属丝的表面上就会出现青蓝色辉光点，并发出嘶嘶声，这种现象称为电晕放电。因此，常把放电极线称为电晕极。此时，若从金属圆筒极底部通入含尘气体，粉尘就会在电场中与负离子相碰撞而荷电，并在电场力作用下向圆筒极运动而沉降在圆筒的内壁上，于是粉尘被捕集。

2.2 气体的电离

在静电除尘器中，使尘粒带有足够大的电量是通过气体的电离实现的。空气通常状态下是不能导电的绝缘体。但是，当气体分子获得足够的能量时就能使气体分子中的电子脱离而成为自由电子，这些电子成为输送电流的媒介，气体就具有导电的本领了。使气体具有导电本领的过程称为气体的电离。

设在空气中有一对电极，其中一极的曲率半径远小于另一极的曲率半径。如一根极线对一个极板，如图3所示。由于空气（大气）受到X光、紫外线或其他背景辐射作用产生为数很少的自由电子，这些电子不足以形成电流，因而空气是不导电的。但当施加在极板上的电压升至一定值时，就可使原来空气中存在的少量自由电子获得足够的能量而加速到很高的速度。高速电子与中性的空气分子相碰撞时，可以将分子外层轨道上的电子撞击出来，形成正离子和自由电子。这些电子又被加速，再轰击空气分子又产生更多的新电子和正离子。这个连锁过程发展得极快，使气体得以电离。自由电子快速形成的过程称为电子雪崩。这个过程伴有发光、发热现象，即所谓的电晕放电现象。

出现电晕后，在电场内形成两个不同的区域（图3）。围绕放电极很小的范围内，约为1 mm，称之为电晕区。在这一区内，场强极高使气体电离，产生带电的自由电子和离子。若极线上施加负电压时，产生负电晕，这时所产生的电子向接地极运动。而正离子向电晕极运动。当极线上施加正电压时，为正电晕放电，这时正离子向接地极运动，而电子向电晕极运动。对正电晕放电情况：在正电晕区狭小的范围内，电子雪崩现象起始于电晕区边缘，电极线表面场强最大。电子向内运动时，没有机会被空气分子吸收，因而不产生负离子。对负电晕放电情况：在电晕区以外称为电晕外区，它占有电极间的大部分空间，此区场强急剧下降，电子的能量小到无法使空气分子电离，电子碰撞到中性空气分子并附着其上形成负离子。粒子的荷电主要在电晕外区进行。

由上述讨论可知，只有在曲率半径很小的电极产生非均匀电场的情况下，才会产生电晕放电现象，均匀电场不发生电晕。在离电晕极较远的地方，电场强度小，离子的运动速度也较小，那里的空气还没有被电离。如果进一步提高电压，空气电离（电晕）的范围逐渐扩大，最后极间空气全部电离，这种现象称为电场击穿。电场击穿时，发生火花放电，电路短路，电除尘器停止工作。为了保证电除尘器的正常运动，电晕的范围不宜过大，一般应局限于电晕极附近。其理论上的进一步研究可查阅参考文献[2]—[4]。

结论1：起晕电压可以通过调整放电极的几何尺寸来实现。电晕线越细，起晕电压越低。

电除尘器达到火花击穿的电压称为击穿电压。击穿电压除与放电极的形式有关外，还取决于正、负电极间的距离和放电极的极性。对放电极的基本要求为放电性能好，即起晕电压低、击穿电压高、电晕电流强。

结论2：在相同电压下通常负电晕电极产生较高的电晕电流，且击穿电压也高得多。因此，我们采用稳定性强，操作电压和电流高的负电晕极。

2.3 尘粒的荷电

电晕区内的空气电离后，正离子很快向负（电晕）极移动，只有负离子才会进入电晕外区，向阳极移动。含尘空气通过电除尘器时，由于电晕区的范围很小，只有少量的尘粒在电晕区通过，获得正电荷，沉积在电晕极上。大多数尘粒在电晕外区通过，获得负电荷，最后沉积在阳极板上，这就是阳极板称为集尘极的原因。

尘粒荷电是电除尘过程的重要一步。在电除尘器内存在两种不同的荷电机理。一种是离子在静电力作用下做定向运动，与尘粒碰撞，使其荷电，称为电场荷电。另一种是离子的扩散现象导致尘粒荷电，称为扩散荷电。对dc>0.5 μm的尘粒，以电场荷电为主；对dc<0.2 μm的尘粒，则以扩散荷电为主；dc介于0.2～0.5 μm的尘粒则两者兼而有之。在工业电除尘器中，通常以电场荷电为主。

结论3：采用宽间距两极，有利于粉尘的荷电及捕集。

2.4 粉尘的比电阻

静电除尘器的性能，很大程度上取决于粉尘的比电阻。与正常除尘效率相对应的比电阻范围大致在104～5×1010 Ω·cm。沉积在集尘极表面的高比电阻粒子导致在低电压下发生火花放电或在集尘极发生反电晕现象，通常当高比电阻高于2×1010 Ω.cm时，较易发生火花放电或反电晕，破坏正常电晕过程。

高比电阻粉尘到达集尘极后，电荷释放很慢，这样集尘极表面逐渐积聚了一层荷负电的粉尘层。由于同性相斥，使随后尘粒的驱进速度减慢。另外，随粉尘层厚度的增加，在粉尘层和极板之间形成了很大的电压降ΔU。

在粉尘层内部包含着许多松散的空隙，形成了许多微电场。随ΔU的增大，局部地点微电场击穿，空隙中的空气被电离，产生正、负离子。ΔU继续增高，这种现象会从粉尘层内部空隙发展到粉尘层表面，大量正离子被排斥，穿透粉尘层流向电晕极。在电场内它们与负离子或荷负电的尘粒接触，产生电生中和。大量中性尘粒由气流带出除尘器，使除尘器效果急剧恶化，这种现象称为反电晕。是静电除尘技术中所面临的重大研究课题[3]。

结论4：增湿可以降低比电阻，提高除尘效率。所以喷烟雾不仅烟雾大演示效果好，而且能够生动地向学生宣传吸烟有害健康，更重要的是烟气中含有的水蒸气，对静电除尘器的运行是有利的。

2.5 高压电源

高压供电设备提供粒子荷电和捕集所需要的高场强和电晕电流。

感应起电机无法确定其极性，高压发生器和高压感应圈可以确定极性，又因为脉冲供电可提高电压和电晕电流，从而可改善电除尘器的性能。所以，选用高压感应圈（高压输出：10 KV～80 KV连续无级可调）。

结论5：选用高压感应圈，可提高电压和电晕电流，从而可改善电除尘器的性能。

3 对静电除尘演示器的技术改进

针对以上五点结论，笔者对静电除尘演示器进行技术了改进。

器材：0.31 mm漆包线16 cm（改进1：细电晕极），0.59 mm漆包线约80 cm，量水筒一只（改进2：宽间距两极），高压感应圈一个（改进3：提供脉冲高电压），导线两根。制作如图4所示。

演示时将烟喷入量水筒（改进4：对烟雾调质，降低比电阻），电晕线接高压感应圈负极（改进5：控制为负电晕极），外绕线圈接正极，通电后，烟雾迅速消失，演示效果明显改善。

参考文献：

[1]季永青. 自制静电除尘演示器[J].实验教学与仪器，2006，（9）：41.

[2]杨金艳.浅谈静电除尘原理[J].天津冶金.1997，（3）：45.