关于静电过滤器性能的研究

简介： 本文通过采用我国一般通风用过滤器的测试方法——大气尘计数法和日本标准JIS9908中的DOP法，对不同形式的静电过滤器的性能进行了分析。对民用进气静电过滤器的性能进行了实验分析，得出静电过滤器的过滤性能。研究表明，在一定的条件下，被研究的静电过滤器的过滤级别可以达到纤维过滤器中的中效及高中效过滤器，过滤阻力明显低于纤维型过滤器，而且线状电极的静电过滤器效率高于据齿状电极的静电过滤器的结果。通过技术经济评价，认为静电过滤器在民用空调中是有一定的经济优势的。
关键字：静电过滤器 大气尘计数法 建筑能耗

过滤器是获得良好的室内空气品质的有效的设备。现在的过滤器种类多样，过滤能力也分为许多级别。现在用的较多的是纤维型过滤器。这种过滤器有其自身的优点，同时它也存在一些缺陷。比如如果想提高过滤效率，可以增加纤维的厚度，也可以减小纤维直径，增加纤维填充率，但是这样会增加阻力。阻力的增加导致系统能耗增加。我国是发展中国家，能源的利用率本来就很低，加之我国是能耗大国，能耗越大，污染越严重，而污染越严重，需要的过滤器过滤效率就越高，其阻力也就越大，能量消耗也就越多。这要就会形成一个恶性循环。有没有更好的空器过滤方法呢？人们通过多年的研究找到了一种新的方法——静电过滤器。静电过滤器是借助静电力从气流中分离悬浮粒子的一种装置^[1]。它与其他类用机械方法分离粒子的装置的根本不同在于，分离力直接作用于各粒子上，而不是通过作用于整个气流上的力间接作用在粒子上。静电力直接而高效的利用，决定了静电过滤器具有捕集效率高和能耗低两个重要的特点。静电过滤的工作原理是使含尘气流中的粉尘微粒荷电，在电场力的作用下驱使带电尘粒沉降在收尘极板的表面上。我们通过对静电过滤器的测试，为静电过滤器的可用性提供了依据。

1. 静电过滤器标准分析

静电过滤器一般都用于工业除尘，在民用空调上基本不使用。为了将静电过滤器应用于民用建筑的空调通风系统，我们对某公司研制的新型空调用静电过滤器的性能进行了实验研究,由于我国关于电除尘器的国家标准[40]（GB/T 13931-2002）中规定使用烟气测量静电过滤器的性能，这对于工业除尘是合适的，而民用静电过滤器一般是用来过滤大气尘的，烟气中尘粒的成分和粒径分布和大气尘完全不同，见表6-1，所以烟气作为气溶胶用在民用静电过滤器测试中是不合适的。对于其它国家的静电过滤器的测试标准所使用的方法和我国电除尘器的测试方法是不相同的。我参照了日本工业标准（JIS B 9908）和美国ASHRAE标准（ASHRAE52.2），发现这两个国家的电除尘器测试标准与一般通风用过滤器（通常指纤维过滤器）测试标准是同一个标准，仅是测试的方法有所区别。

对于日本工业标准JIS B 9908种规定采用DOP法测试静电过滤器的效率（初始值）、阻力以及臭氧浓度的值。对于容尘量以及测试停止条件没有规定。

美国ASHRAE标准52.2规定采用人工尘——ASHRAE尘测试静电过滤器的效率（初始值、加权值）、阻力、容尘量、多次清洗后的效率、臭氧浓度、耗电量、收尘极板的面积等参数。美国标准ASHRAE52.2对静电过滤器的测试是比较全面的。其中对容尘量的测试是其它标准中未规定的。而且采用阻力作为静电过滤器清洗更换（容尘量达到规定）的标志。采用阻力作为标志对于纤维过滤器是适合的，但是对于静电过滤器就不十分适合了，因为静电过滤器的阻力随容尘量的变化很小，采用阻力监测误差较大。现在有些人提出了采用其它的参数进行监控，比如：电压降、单位时间放电次数、固定容尘量等。这些好的想法都在进一步的研究中。美国标准ASHRAE52.2中仍然使用ASHRAE尘测试静电过滤器。由于ASHRAE尘中使用碳黑，而碳黑的电特性：比电阻值范围大约是0.22Ω.cm至0.26Ω.cm。静电过滤器对于比电阻在104Ω.cm至5×1010Ω.cm之间的粒子过滤效果较好（粒子比电阻较小容易重返气流，比电阻过大易形成反电晕），附着在极板上的碳黑的静电过滤器大大减少对其他颗粒的静电吸引力，造成过滤效率偏低。所以碳黑不适于静电过滤器的测试。今后还要加强静电过滤器用人工尘的研究。

我国没有专门的静电过滤器的标准，只有电除尘器的标准。在我国电除尘器标准中规定测试电除尘器进出口的烟气含尘浓度和电除尘器本体漏风率及本体压力降，经过计算得到除尘效率（计重效率）。这种方法对于使用静电除尘器过滤锅炉等的烟气是适用的，但是对于民用空调系统中使用的静电过滤器就不合适了。因为一般民用空调系统中使用的静电过滤器的效率都达到中效的水平，要求对较小的颗粒有较好的过滤效果，所以中效过滤器一般采用计数效率。而且民用静电过滤器与人的健康息息相关，臭氧浓度必须加以控制。

通过以上这三种方法的比较，我认为我们单独采用任何一种方法测试静电过滤器都是不合适的。同时也发现国外的方法与纤维过滤器测试方法一致。所以我认为在测试中应该结合我国一般通风用过滤器的测试标准——大气尘计径计数法测定静电过滤器的效率、阻力，有条件时采用人工尘测定其容尘量等参数。这样测试的好处是能将测试结果直接与一般通风用过滤器级别分类对比，得到评价方法相同的静电过滤器的级别。这样的级别分类用户容易接受，也便于和一般通风用过滤器（纤维过滤器）进行对比。

2. 实验数据分析

我们实验中采用了选择了两种电晕集的静电过滤器。通过上面讲的实验方法对不同电压，风量下过滤器的效率进行了测试，见图1，2。

图1 相同风量下除尘效率和粒径的关系（8KV） 图2 相同风量下除尘效率和粒径的关系（10KV）

从图1、2中可以看出，电晕极形式不同，静电过滤器的效率也存在很大的差距。线状电晕极的荷电效果明显高于锯齿状电晕极。由于线状电极和锯齿状电极周围的电场分布的差异，造成电场荷电的能力不同，从而影响集尘极的集尘性能。总而言之，通过实验可以看出，在其它条件相同的前提下，线状电极优于锯齿状电极的荷电能力，但是线状电极强度不如其它形式的电极。强度不够，易断是其缺点。今后要加强线状电极材料的研究，提高其强度，甚至可进行新型电极的研究，以便得到强度好、荷电能力高的电晕极。从图1、2、3中可以看出过滤效率随电压的增加而增加，随风量的减小而减小，而且效率可以达到中效甚至更高的效率。

静电过滤器最大的特点就是捕集力直接作用在粒子上，由于捕集原理和结构的不同使得静电过滤器在不同风量和容尘量下的阻力远远小于纤维过滤器。

发尘时我们采用烟厂的烟丝灰尘（道路尘与植物纤维为主），避免了碳黑的影响。从图3、4中都可以看无论是随风量还是随容尘量的变化纤维过滤器的阻力远远高于静电过滤器。随着风速的增大，纤维过滤器的阻力增加的幅度很大，而静电过滤器的阻力变化比较缓慢。阻力的巨大差异是由于纤维过滤器和静电过滤器的过滤机理和结构的不同造成的。纤维过滤器的阻力一是滤料阻力，二是结构阻力。滤料阻力是由气流流过纤维层是时纤维的迎面阻力造成的。阻力的大小和纤维层内流动的气流是紊流还是层流关系极大。从前面第三章给出的阻力公式可以看出，不论是阻力的理论公式还是经验公式，都毫无疑问地反映出，当纤维层厚度和填充率越大，纤维越细，滤速越高的情况下，纤维过滤器的除尘阻力越大。而对于静电过滤器气流不受纤维层的阻挡，而纤维层的阻力对过滤器全阻力贡献很大，所以静电过滤器的阻力较纤维过滤器小很多。由于阻力的减小，静电过滤器在使用过程中能耗便可以减小很多，这是静电过滤器的一大特点。静电过滤器与纤维过滤器相比，可使空调箱风机的压头降低很多，可减少日常运行费用。

不同容尘量下纤维过滤器和静电过滤器阻力也存在类似的情况。纤维过滤器在不同容尘量下阻力明显高于静电过滤器。对于初、中效纤维过滤器，它的微孔大小分布可能很宽，所以大部分气流从较大的孔通过，过滤效率很低。当大孔逐渐被阻塞后，在某种程度上微孔分布变得更均匀，微孔尺寸的中位值变小了，因而过滤器的阻力迅速增高。沉淀粒子一般并不是均匀分布在纤维整个表面上的，而是形成一个链状聚合体，这些聚合体本身的作用就像很细的纤维一样，比制造过滤器的纤维材料能更有效的收集粒子。这些聚合体同样对气流起阻碍作用，这样就使纤维过滤器阻力随容尘量增大而增大。而静电过滤器粒子是捕集在极板上，加上清灰比较频繁，使得气体的流道比较畅通，所以对气流影响很小。

我们在实验中主要采用大气尘法，为了和日本标准进行比较，我们用DOP法进行了测试。测试结果如下图5：

由实验分析得到，采用不同的气溶胶对静电过滤器性能的测试结果有比较大的差别。这主要和气溶胶的电特性、物理化学特性有很大的关系。大气尘和DOP的介电常数不同，由电场荷电公式可以得到介电常数越大，离子所带的电荷越多，粒子就更容易被捕获。同时由于DOP是液体，当其被捕集之后液滴是从收尘表面上躺下来的，基本不会造成二次扬尘。湿式静电过滤器或捕集液态气溶胶的除雾器就减小了二次扬尘的影响。而对于干料（譬如：大气尘、电场中的灰尘等），冲向收尘极的尘粒撞击到积灰的表面上时会引起二次扬尘。粉尘越大惯性越大，大粒子粉尘的惯性足以使已经沉积的粉尘重新脱离积灰表面。所以采用不同的测试气溶胶对静电过滤器的评价影响很大。从本实验看，DOP所测得的效率要高出大气尘所测得的效率约10%以上。这就要求至少各国内部在测试静电过滤器的性能时要有一个统一的标准。

使用静电过滤器会产生臭氧，这是它的一个缺点。为了减少臭氧发生量，我们采用正电晕进行粒子荷电以减少臭氧发生率。测试中我们采用紫外吸收法测得了不同电压下的臭氧发生率，见表1。

从表1数据中可以看出线状电晕极的臭氧发生率明显低于锯齿状电晕极的臭氧发生率。我国新制定的室内空气质量标准[4]（GB/T 18883-2002）规定室内臭氧浓度要小于0.16mg/m3 （1小时均值）。而我们测得的静电过滤器的臭氧浓度远远小于标准的规定值，不会对人体造成伤害，满足卫生标准。

静电过滤器能否替代纤维过滤器作为民用空调进风型过滤器使用，不能仅考核其实际的使用性能，更要对其经济性进行评价。性价比过于昂贵，再好的静电过滤器也不能更普遍的应用于民用，民用的东西一定要价格合理质量好、物有所值、售后服务好。选择级别为F8的电除尘、F8的袋式过滤器和G4的粗效过滤器进行技术经济分析。分析中采用中日合资苏州华泰空气过滤器有限公司生产的袋式过滤器ZF8-22，粗效过滤器CG4-22计算其年度经费。袋式过滤器和粗效过滤器均不进行清洗使用，过滤器每天运行12小时，电价为0.56元/度，风机及电机效率取0.7，过滤器前空气的含尘浓度取C1=0.396mg/m3（天津地区）。静电过滤器的使用寿命为15年，过滤器设备费为1500元/台，清洗周期为1.5个月，静电过滤器耗电量为30W/台。年利率取5.76%。国内一般中效以下过滤器的更换费用为10元/台，而静电过滤器的安装难度和要求比纤维过滤器高很多，故静电过滤器的安装费用比纤维过滤器高，但是目前国内民用建筑中使用静电过滤器的还不是很多，静电过滤器的具体贵内安装费用还没有统一的标准，在新加坡一般的安装费用为20-30新币/台，本文中考虑到国内的劳动力价格，把静电过滤器的安装费用定为新加坡安装费用的一半，即60元/台（人民币）。纤维过滤器的清洗费一般为18元/台·次，而静电过滤器的清洗一般专用的洗涤剂来清洗，其清洗费用也相应比纤维过滤器高一点，一般在25元/台·次。分析结果见表2。

从表2的数据可以看出，由于静电过滤器的阻力相当小，所以因过滤器的阻力而增加的系统送风耗电量远小于纤维过滤器，故而静电过滤器的单位风量年度经费是相同级别的袋式过滤器的年度经费的20%，当然这是在理想的运行状态下分析得出的。由于静电过滤器易发生电场击穿、电晕丝易断等缺点，要保证安装静电过滤器的系统保持低年度运行费用，就对安装静电过滤器的空气净化系统的安装、维护等方面提出了很高的要求。

由于静电过滤器结构的特殊性，这就使得它的容尘量不可能象纤维过滤器那样大，而且尘粒过大容易造成尖端放电，尽而形成电场击穿，这就使效率显著下降，甚至停止工作，另外气流的均匀性对静电过滤器的除尘效率有很大影响。要保证静电过滤器的过滤效率，我们可以在静电过滤器前面增设一级粗效过滤器，用于除去较大的粒子，避免尖端放电，同时前置粗效过滤器可以均匀风速，提高气流品质，最终提高过滤效率。如上表2所示，采用G4级别的纤维过滤器与静电过滤器并用，它们单位风量的年度经费为0.24+0.21=0.45元/年·m3/h，其风量年度经费是袋式过滤器的年度经费的37%。由此可以看出从经济性角度考虑，静电过滤器有一定的优势，可是在日常维护，管理的角度来看，静电过滤器较纤维过滤器却麻烦许多。今后一定要加强静电过滤器运行、维护稳定性的研究，以减少运行维护中人力物力的消耗。只有这样静电过滤器才能广泛应用于民用空调进气过滤。

3. 结论和建议

静电过滤器的除尘机理和纤维过滤器是完全不同的。为了分析说明各不同参数对静电过滤器效率的影响，我们通过实验得出了结论。风量、电压等因素对效率有着直接的影响。静电过滤器的阻力较纤维过滤器低了很多，不同风量、电压下过滤效率的值也有很大的差异，而且不同的电晕电压、电极形式的臭氧发生量差异也比较大。为了证明静电过滤器用于民用空调进气过滤的可行性，我们不仅对其性能而且对其经济性进行了分析比较。最后得出结论:静电过滤器在经济性上较纤维过滤器有很大的优势，效率也能达到民用空调的要求。不仅静电过滤器单用有很大的经济性，而且为了提高静电过滤器工作的稳定性，在其前面增加一级粗效纤维过滤器。二者联合工作的经济性也是有保障的。为了更好的测试静电过滤器，我们应尽快加强静电过滤器测试标准的制定，完善测试项目。结合国内外测试方法我认为现阶段采用大气尘计径计数法测量静电过滤器的效率、阻力，人工尘测定其容尘量以及臭氧浓度是可行的。今后测试用尘的研究尤为重要，我国的黄土尘与美国ASHRAE尘基本一致，由于碳黑的影响，也不具备适用性。虽然我们在实验中采用烟厂烟灰，但这并不具备普遍性。所以我们今后要加强新型粉尘的研制或对现有粉尘进行改良。比如说减少或者除去模拟大气尘中的碳黑成分、采用其它的粉尘（比如：烟厂粉尘）等。为了使静电过滤器的应用能够更加可靠，今后还要加强静电过滤器除尘清灰、电源稳定性、清洗方法以及节能等方面的研究。

4. 参考文献：

[1]马广大编著 除尘器性能计算 北京 中国环境科学出版社 1990 112～145

[2]GB/T 13931-2002 电除尘器性能测试方法 北京 中国标准出版社 2002-05-20

[3]Electronic Air Cleaners Stakeholder Meeting Research Triangle Institute 1998-12-15

[4]GB/T 18883-2002 室内空气质量标准 北京 中国标准出版社 2002-11-19

[5]丁仁才编 技术经济分析 上海 上海交通大学出版社 1986 96～114

[6]许钟麟著 空气洁净技术原理 上海 同济大学出版社 1998