荷電水霧團(tuán)聚亞微米顆粒物試驗(yàn)研究

劉鶴欣，楊富鑫，李正鴻，譚厚章，杜勇樂，馮 鵬

(西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

0 引 言

荷電水霧除塵技術(shù)是結(jié)合濕式相變除塵和靜電除塵研發(fā)的新式控制技術(shù)，與傳統(tǒng)除塵器不同，荷電水霧團(tuán)聚除塵技術(shù)涉及多種顆粒物作用機(jī)制，主要包括氣溶膠荷電、帶電粒子與顆粒的碰撞團(tuán)聚、慣性捕集及擴(kuò)散攔截機(jī)制等。荷電水霧除塵主要利用液滴荷電后與細(xì)顆粒物之間的靜電引力(庫侖力)進(jìn)行捕集，進(jìn)而削弱細(xì)顆粒物自身對(duì)慣性的依賴并降低顆粒氣流隨動(dòng)性，更有助于脫除細(xì)顆粒物。

國外研究方面，Lear等[1]將靜電噴霧用于1 700 m3/h廢氣處理，結(jié)果表明，荷電水霧對(duì)0.1～1 μm亞微米顆粒脫除效率最高達(dá)70%，比非荷電噴霧的30%提高了50個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)表明較高的脫除效率受限于合理的電極布置和煙氣流速控制。Metzler等[2]研究了液滴荷電除塵及后續(xù)處理設(shè)備聯(lián)用脫除效果，將靜電除塵器與旋風(fēng)分離除塵器相串聯(lián)，結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)亞微米顆粒的捕集脫除效率為67%，而非荷電噴霧工況僅為32%，與Lear等試驗(yàn)結(jié)果較符合，證明了將荷電水霧除塵置于傳統(tǒng)除塵器前段作為預(yù)處理設(shè)備，是一項(xiàng)可發(fā)展的新型技術(shù)。D′Addio等[3]研究了自由落體的帶電液滴對(duì)微細(xì)顆粒的捕獲情況，結(jié)果表明，與不帶電的液滴相比，帶電液滴對(duì)100～450 nm微細(xì)顆粒具有明顯捕獲作用。Carotenutoa等[4]建立了荷電噴霧除塵效率的數(shù)學(xué)模型，該模型指出接觸時(shí)間、噴霧量、液氣相對(duì)速度、液滴尺寸以及荷電量是影響除塵效率的主要參數(shù)。Balachandran等[5-6]在密閉空間內(nèi)利用旋流荷電噴霧對(duì)香煙煙霧進(jìn)行了有關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果表明，香煙煙霧顆粒物粒徑集中分布在細(xì)顆粒物范圍，粒徑在0.5～2 μm，通過對(duì)比液滴荷電-顆粒荷電、液滴荷電-顆粒非荷電、液滴非荷電-顆粒非荷電的工況，發(fā)現(xiàn)液滴-顆粒均荷電的脫除效率最高，是液滴荷電時(shí)脫除效率的2倍、兩者均不荷電時(shí)脫除效率的4倍，但試驗(yàn)水耗量較大，約為0.2 L/m3。Law等[7]以3 mm粒徑的帶電液滴為對(duì)象，對(duì)徑向電場帶電霧滴蒸發(fā)過程電量與質(zhì)量通量變化，結(jié)果表明，液滴表面所帶電荷并不會(huì)影響到其表面水汽蒸發(fā)過程，同時(shí)水汽蒸發(fā)過程也不會(huì)驅(qū)散液滴表面的電荷。這意味著帶電較弱或不帶電的顆粒與帶電液滴經(jīng)過黏附作用吸附后，液滴上的電荷經(jīng)過蒸發(fā)作用會(huì)轉(zhuǎn)移至顆粒上，進(jìn)一步促進(jìn)顆粒-顆粒、顆粒-液滴間的吸附作用。Polat等[8]研究了在水源中添加不同表面活性劑后水霧荷電除塵效率的變化，結(jié)果表明，離子類表面活性劑能促進(jìn)霧滴荷電，進(jìn)而提高霧滴除塵效率。

國內(nèi)研究方面，吳琨等[9-10]利用荷電水霧與振弦柵相結(jié)合實(shí)現(xiàn)顆粒物脫除目的，荷電水霧對(duì)細(xì)顆粒物進(jìn)行團(tuán)聚后，經(jīng)過振弦柵的聲波和過濾作用進(jìn)行顆粒物捕集，發(fā)現(xiàn)液滴荷質(zhì)比越大，除塵效率越高，多場協(xié)同下設(shè)計(jì)為霧滴粒徑在50～150 μm，振動(dòng)格柵10～16層，過濾流速在16 m/s時(shí)脫除效率最高，達(dá)99.5%。陳卓楷等[11]分析了超聲波霧滴在除塵試驗(yàn)中的特性，發(fā)現(xiàn)霧滴粒徑較小的超聲波霧滴相比粒徑較大的液滴脫除效率更高。馬素平等[12]以煤礦井下浮沉顆粒為研究對(duì)象，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，水霧粒徑越小，降塵效率越高，且不同粒徑顆粒物對(duì)應(yīng)存在一個(gè)最佳水霧粒度。左子文[13]針對(duì)荷電液滴捕集顆粒物進(jìn)行可視化研究，結(jié)果表明，顆粒與荷電液滴撞擊時(shí)受撞擊角影響存在一定反彈概率，同時(shí)荷電液滴對(duì)顆粒微團(tuán)的捕集效率較低。

結(jié)合傳統(tǒng)除塵器，荷電液滴除塵有模塊式發(fā)展?jié)摿?，有利于縮小設(shè)備面積并縮減環(huán)保經(jīng)濟(jì)投入。另外，國內(nèi)外研究者還將荷電水霧除塵用于移動(dòng)源-汽車尾氣處理方面，證明了荷電噴霧、低溫等離子體及選擇性催化還原(SCR)耦合系統(tǒng)對(duì)尾氣顆粒物、氣態(tài)污染物(NOx、SOx、CO等)及揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的有效控制作用[14-15]。綜上所述，超聲波霧化產(chǎn)生的小粒徑霧滴適用于微細(xì)顆粒物的團(tuán)聚過程，在傳統(tǒng)除塵器前作為顆粒物團(tuán)聚設(shè)備模塊，能高效脫除煙塵中的細(xì)顆粒物。但目前對(duì)于液滴荷電除塵研究多基于大粒徑霧滴和大粒徑顆粒，無法針對(duì)超聲波小粒徑液滴及細(xì)顆粒物的團(tuán)聚機(jī)理做出研究，因此，對(duì)細(xì)顆粒物及超細(xì)荷電液滴對(duì)其團(tuán)聚的作用機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。

本文搭建荷電水霧團(tuán)聚顆粒物試驗(yàn)平臺(tái)，采用雙層介質(zhì)阻擋電極進(jìn)行水霧荷電。基于高斯分布規(guī)律建立顆粒物團(tuán)聚評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)估水霧荷電電極的電場伏安特性，研究了不同霧化流量以及不同加載電壓對(duì)顆粒物團(tuán)聚的影響，以期為荷電水霧團(tuán)聚顆粒物的實(shí)驗(yàn)室研究提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)測(cè)試方案

試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖1所示，主要由荷電水霧發(fā)生系統(tǒng)以及微細(xì)顆粒通風(fēng)流道2部分組成，其中空氣壓縮機(jī)、氣溶膠發(fā)生器、擴(kuò)散干燥器以及離心風(fēng)機(jī)用于產(chǎn)生含微細(xì)顆粒物主流空氣，而霧化荷電段由雙層介質(zhì)阻擋電極荷電系統(tǒng)產(chǎn)生荷電水霧。雙層介質(zhì)阻擋電極荷電系統(tǒng)如圖2(a)所示。接地電極選用不銹鋼篩網(wǎng)，介質(zhì)材料為石英玻璃。電氣系統(tǒng)原理如圖2(b)所示，電源為南京蘇曼研制的CTP-2000KP調(diào)制脈沖電源，輸出頻率調(diào)節(jié)范圍在5～20 kHz，最大輸出功率500 W。反應(yīng)器加載高壓通過內(nèi)置分壓電容C1、C2測(cè)定，分壓比例1 000∶1，放電電流通過測(cè)量取樣電阻R0得到，電阻值為50 Ω，接入示波器監(jiān)測(cè)電流瞬時(shí)值。

圖1 荷電水霧團(tuán)聚顆粒物試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Test system schematic diagram of charged water mist agglomerated particles

圖2 雙介質(zhì)阻擋荷電系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of double-layer dielectric barrier charging system

對(duì)于雙介質(zhì)阻擋結(jié)構(gòu)，計(jì)算其同軸圓柱電極不均勻系數(shù)f為

(1)

其中，r為內(nèi)電極半徑，m；d為兩電極之間距離，m。結(jié)果表明此種介質(zhì)阻擋電暈放電為較均勻場，此時(shí)，擊穿電壓與電暈起始電壓差別較小，更利于實(shí)現(xiàn)均勻放電。

1.2 質(zhì)量保證及質(zhì)量控制

工況穩(wěn)定方面，采用熱線風(fēng)速儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流道風(fēng)速，使其穩(wěn)定在設(shè)定工況下；水霧量控制方面，調(diào)整超聲波霧化器水量及流道阻力至與標(biāo)定時(shí)一致，保證噴入水霧量穩(wěn)定值在標(biāo)定曲線值；加載電壓控制階段，通過調(diào)壓器、電流調(diào)制器及示波器監(jiān)測(cè)將反應(yīng)器輸入電流穩(wěn)定在某一穩(wěn)定值，并通過示波器直接導(dǎo)出數(shù)據(jù)，避免偶然誤差。

試驗(yàn)系統(tǒng)誤差控制方面，單次試驗(yàn)時(shí)間控制在10 min內(nèi)，避免阻擋介質(zhì)表面產(chǎn)生大量的水霧凝結(jié)。每次試驗(yàn)完成后需將反應(yīng)器內(nèi)積水吹散，并在室溫環(huán)境下晾干待用。

在顆粒物測(cè)量方面，氣溶膠發(fā)生器出口接真空分子干燥篩，排除濕度對(duì)結(jié)果的影響。取樣測(cè)試顆粒粒徑時(shí)，全程使用導(dǎo)電硅膠管，避免取樣管內(nèi)壁靜電干燥。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性，每組工況重復(fù)3次試驗(yàn)，取平均值進(jìn)行分析。

2 顆粒物團(tuán)聚評(píng)價(jià)指標(biāo)

荷電水霧的噴入促使顆粒物團(tuán)聚長大，表現(xiàn)為顆粒物濃度、粒徑分布、均值粒徑等變化。為衡量顆粒物團(tuán)聚效果，定義顆粒物團(tuán)聚評(píng)判指標(biāo)如下：

1)顆粒物團(tuán)聚前后濃度變化

流道測(cè)點(diǎn)A與B處的顆粒物濃度變化直接反映了荷電水霧的噴入前后顆粒數(shù)濃度的變化，直觀反映團(tuán)聚效果。掃描電遷移率粒徑譜儀將10～1 000 nm 顆粒分為167個(gè)通道，以此測(cè)得各粒徑通道的顆粒物數(shù)濃度。為顯示不同粒徑段顆粒濃度的變化，顆粒濃度分布以對(duì)數(shù)坐標(biāo)進(jìn)行處理分析。

2)分級(jí)團(tuán)聚效率

定義分級(jí)團(tuán)聚效率為各粒徑通道顆粒變化量與入口段顆粒初始濃度的比值，表示為

(2)

其中，ηn為n粒徑通道顆粒團(tuán)聚效率，%；Nn0為n粒徑通道入口顆粒數(shù)量濃度，個(gè)/cm3；Nn1為n粒徑通道出口顆粒數(shù)量濃度，個(gè)/cm3。ηn>0，表示顆粒團(tuán)聚長大使得本粒徑顆粒濃度減少；ηn<0，表示顆粒團(tuán)聚至此粒徑，使得本粒徑顆粒濃度增多。

3)雙σ粒徑區(qū)間粒徑分布特征

亞微米顆粒物整體粒徑分布多符合類高斯分布，為更好地衡量主粒徑區(qū)間的顆粒團(tuán)聚效果，仿照高斯分布的雙σ中心分布，定義入口顆粒分布累計(jì)15.87%～84.13%為主要粒徑段，占顆?？倲?shù)量的68.26%，記為D2σ(圖3(a)，Dmode為顆粒曲線峰值所對(duì)應(yīng)的粒徑，nm；Dmean為顆粒曲線全粒徑段的均值粒徑，nm)。主粒徑區(qū)間效率η2σ定義為68.26%區(qū)間的粒徑分布顆粒變化量與初始濃度的比值，即主要粒徑段分級(jí)團(tuán)聚效率(圖3(b))。

圖3 雙σ粒徑區(qū)間及團(tuán)聚效率Fig.3 Double σ particle size interval and agglomeration efficiency

為了量化研究團(tuán)聚效率，定義主粒徑區(qū)間的均值團(tuán)聚效率為

(3)

其中，ηmean為2σ粒徑通道顆粒均值團(tuán)聚效率，%；Di為不同粒徑值，nm；ηi為i粒徑顆粒團(tuán)聚效率，%。相應(yīng)地，小顆粒的團(tuán)聚效率平均后得到ηmean+，大顆粒的相對(duì)變化率平均后得到ηmean-。

4)均值粒徑增長率

對(duì)于多分散的亞微米顆粒而言，均值粒徑代表了總體顆粒粒徑有效值大小，均值粒徑的變化率更直觀反映了整體團(tuán)聚長大情況，定義為

(4)

(5)

式中，k為分段粒徑顆粒數(shù)；Dp為分段顆粒粒徑，nm；N為全粒徑段顆粒數(shù)；ηD為均值粒徑相對(duì)變化率，%；Dm1為出口均值粒徑，nm；Dm0為進(jìn)口均值粒徑，nm。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同水霧流量下電場伏安特性

電場的伏安特性曲線是指隨著加載電壓的逐步升高，放電反應(yīng)器中電流與加載電壓之間的關(guān)系。

雙層介質(zhì)阻擋試驗(yàn)中，電場的伏安特性曲線代表了電極結(jié)構(gòu)的放電特性，是衡量其均勻特性與穩(wěn)定運(yùn)行特性的重要參數(shù)。反應(yīng)器回路脈沖電流積分如圖4所示，因?yàn)楦哳l脈沖電源的強(qiáng)干擾(正弦波形)，需去除干擾后進(jìn)行有效積分，得到有效脈沖電荷量，這里以單位周期T內(nèi)的脈沖電流值作為反應(yīng)器放電電流的衡量指標(biāo)，得到伏安特性結(jié)果如圖5所示。其中，電壓仍用峰峰值Upp表示，通過示波器直接導(dǎo)出，電流通過內(nèi)置50 Ω測(cè)量電阻得到。

圖4 電流脈沖積分Fig.4 Current pulse integration

圖5 不同水霧量時(shí)單位周期脈沖電荷量對(duì)比Fig.5 Comparison of pulse charge per unit period under different water mist

由圖5可知，雙層介質(zhì)阻擋結(jié)構(gòu)的放電特性符合均勻電場伏安特征：起始段區(qū)域，隨著電壓升高，氣隙中開始產(chǎn)生基本放電離子，帶電質(zhì)點(diǎn)速度逐漸升高，氣隙間放電量近乎呈線性比例增加；飽和段區(qū)域，電流出現(xiàn)急劇躍升，此階段間隙內(nèi)產(chǎn)生大量帶電質(zhì)點(diǎn)并全部參與導(dǎo)電，放電產(chǎn)生大量電子雪崩，并逐漸進(jìn)入流注階段；自持放電段區(qū)域，電壓升高至臨界值后，放電氣隙出現(xiàn)大量微型脈沖，放電量再次出現(xiàn)躍升，反應(yīng)器產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音及發(fā)光現(xiàn)象，此時(shí)氣隙內(nèi)產(chǎn)生大量流注放電，并處于良好導(dǎo)電狀態(tài)。放電氣隙中通入水霧后更利于產(chǎn)生放電，且放電強(qiáng)度隨著水霧量的增加而增強(qiáng)，相同電壓下，水霧量越高，產(chǎn)生電流越大，回路產(chǎn)生放電量也越多。記有效起暈電壓為Upd，不穩(wěn)定運(yùn)行電壓為Usd，得到不同水霧量時(shí)的起暈及不穩(wěn)定運(yùn)行電壓見表1，其中，不穩(wěn)定電壓是指隨電壓升高示波器曲線開始波動(dòng)，即電極開始不穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓值。

表1 不同水霧量下的電極放電電壓Table 1 Electrode discharge voltage underdifferent amounts of water mist

3.2 加載電壓對(duì)顆粒物團(tuán)聚規(guī)律的影響

將加載電壓控制為單一變量，其他主要變量按照工況設(shè)計(jì)分別定為：流道風(fēng)速為2.5 m/s，水霧流量為100 mg/min。氣溶膠發(fā)生器調(diào)整參數(shù)為：進(jìn)口壓力為1.38×105Pa，噴口數(shù)量為6，稀釋氣流量25 L/min(以下均同)。利用SMPS分析不同電壓下進(jìn)出口顆粒物粒徑分布如圖6所示。

圖6 100 mg/min水霧量時(shí)顆粒粒徑分布Fig.6 Particle size distribution at 100 mg/min water mist

由圖6可知，初始亞微米顆粒分布存在2處峰值，分別為12～15 nm的極小模態(tài)顆粒和40～50 nm的中間模態(tài)，整體呈類高斯分布；試驗(yàn)空白對(duì)照組為單純流道空氣動(dòng)力流動(dòng)，可以看出，流道自身存在的流動(dòng)不均勻性及荷電電極的擾流對(duì)顆粒物分布影響較小，顆粒總數(shù)量略有下降，但粒徑分布不變；單純噴入水霧及噴入荷電水霧后顆粒粒徑變化明顯，單純噴入水霧后，顆粒呈現(xiàn)一定的團(tuán)聚效果，表現(xiàn)為中間模態(tài)顆粒減少，100 nm以上顆粒略有增多，而噴入荷電水霧后顆粒粒徑向右偏移量明顯增大，平均粒徑增幅明顯，且粒徑增大量幅度與加載電壓量呈正相關(guān)關(guān)系，表明水霧荷電后對(duì)亞微米顆粒物的團(tuán)聚長大有重要促進(jìn)作用。

為定量研究顆粒團(tuán)聚效果，取68%數(shù)量的主要粒徑區(qū)間做團(tuán)聚效率對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。可知粒徑30～70 nm的顆粒通過荷電水霧團(tuán)聚作用后數(shù)量減少，即團(tuán)聚長大為粒徑更大的顆粒，表現(xiàn)為團(tuán)聚效率大于0，這里定義為小顆粒的效率，而粒徑70～180 nm的顆粒經(jīng)團(tuán)聚作用后數(shù)量增多，表現(xiàn)為團(tuán)聚效率小于0，定義為大顆粒的相對(duì)變化率。隨著加載電壓的升高，顆粒物團(tuán)聚效率逐漸增強(qiáng)。從小顆粒的峰值團(tuán)聚效率來看，0～45.0 kV五組工況下顆粒團(tuán)聚效率分別在5%、10%、25%、35%和40%左右，表明荷電水霧促進(jìn)顆粒團(tuán)聚效果中，靜電捕集占主導(dǎo)作用。

圖7 100 mg/min水霧量時(shí)顆粒團(tuán)聚效率Fig.7 Particle agglomeration efficiency at 100 mg/min water mist

對(duì)不同粒徑顆粒團(tuán)聚效率分別做加權(quán)平均得到均值效率，結(jié)果如圖8所示，其中，灰色區(qū)域代表未起暈階段。可知單獨(dú)噴入水霧時(shí)小顆粒的團(tuán)聚效率在4.3%，大顆粒的相對(duì)變化率在-8.0%，而隨荷電電壓升高，4種不同電壓下小顆粒的團(tuán)聚效率依次升高至9.3%、15.8%、22.3%和24.3%，大顆粒的相對(duì)變化率分別升高至-12.8%、-22.9%、-25.8%和-29.0%。值得注意的是，在荷電水霧的作用下，小顆粒的團(tuán)聚與大顆粒的破碎是一個(gè)動(dòng)態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過程，在68%的主要作用區(qū)間表現(xiàn)為團(tuán)聚作用主導(dǎo)，而在極小粒徑和極大粒徑范圍會(huì)保持動(dòng)態(tài)平衡，表現(xiàn)出顆粒分布無明顯差異，但0.1～1 μm總顆粒數(shù)經(jīng)團(tuán)聚后濃度減少6%～13%。

圖8 100 mg/min水霧量顆粒均值團(tuán)聚效率Fig.8 Average agglomeration efficiency of particles at 100 mg/min water mist

從機(jī)理上分析，荷電電壓升高意味著水霧荷電量增大，顆粒間靜電捕集作用增強(qiáng)，表現(xiàn)為團(tuán)聚效率的升高。為進(jìn)一步分析荷電反應(yīng)器內(nèi)部帶電離子的產(chǎn)生，利用示波器監(jiān)測(cè)得到不同電壓下的電壓電流波形如圖9所示(U為加載電壓，I為放電電流，Urms為電壓有效值，Irms為電流有效值)?？芍虞d電壓32.8 kV時(shí)，開始出現(xiàn)明顯放電脈沖，隨電壓進(jìn)一步升高，脈沖電流隨之增強(qiáng)。由圖9(d)可知，雙層介質(zhì)阻擋電極無極性效應(yīng)，脈沖電流近似對(duì)稱地分布于電壓的正負(fù)半周期上升沿內(nèi)，表現(xiàn)為多組微放細(xì)絲脈沖形式，當(dāng)電壓加載至自持放電電壓后，半周期放電持續(xù)時(shí)間約25 μs，符合管-管阻擋介質(zhì)結(jié)構(gòu)的放電規(guī)律。研究表明[16]，含有電暈線電極結(jié)構(gòu)的放電模式與雙層阻擋介質(zhì)結(jié)構(gòu)放電有很大區(qū)別，線-管介質(zhì)阻擋電暈電極中的線電極曲率較大，起暈時(shí)極易產(chǎn)生強(qiáng)電場而發(fā)生預(yù)電離作用，尤其在大放電間隙的不均勻結(jié)構(gòu)下，預(yù)電離機(jī)制能為空間放電細(xì)絲的發(fā)展提供二次電子，是電場起暈的關(guān)鍵，但極易表現(xiàn)出極性效應(yīng)；而在同等條件雙介質(zhì)阻擋電極則起暈更困難，對(duì)于較均勻的電場，當(dāng)電極附近電離系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，會(huì)形成初始電子崩，并迅速發(fā)展成放電流注，由于阻擋介質(zhì)分別阻斷高壓端與低壓端，加載電壓后空間電荷迅速在介質(zhì)表面集聚，介質(zhì)內(nèi)部形成削弱外加電場的附加電場，當(dāng)氣隙中電場強(qiáng)度低于擊穿電壓時(shí)，放電中斷。

圖9 不同加載電壓下的電壓電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms under different loading voltage

3.3 水霧量對(duì)顆粒物團(tuán)聚規(guī)律的影響

作為電荷遷移及靜電捕集的重要媒介，水霧量是決定顆粒團(tuán)聚效率的關(guān)鍵因素之一。此部分以水霧量為研究變量，流道風(fēng)速為2.5 m/s，氣溶膠發(fā)生器調(diào)整參數(shù)不變，分別研究不同水霧量下對(duì)應(yīng)不同荷電電壓Upp時(shí)的顆粒團(tuán)聚效率變化。

不同水霧量下68%均值小顆粒的團(tuán)聚效率如圖10所示，不同水霧量下68%大顆粒的相對(duì)變化率均值如圖11所示?？芍F未荷電時(shí)，顆?；A(chǔ)團(tuán)聚效率較低，水霧量由34.1 mg/min增至102.9 mg/min 時(shí)，小顆粒的團(tuán)聚效率從1.5%增至4.3%，大顆粒的相對(duì)變化率從-4.9%增至-8.0%。加上荷電電壓后，團(tuán)聚效率明顯增大，且水霧量越大，效率越高，因此同等電壓下，增大噴霧量可促進(jìn)顆粒團(tuán)聚效率的大幅提高。同一水霧量下，當(dāng)加載電壓高于起暈電壓后，團(tuán)聚效率逐漸增大，到達(dá)放電自持電壓后，團(tuán)聚效率進(jìn)入平穩(wěn)段，不再大幅提升，這主要是由于通過反應(yīng)器的水霧量存在極限荷電量，當(dāng)電壓足夠高時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)能量離子密度極高，水霧量所攜帶電荷量達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)升高電壓并不能有效增大其荷載量，作用于氣溶膠顆粒后使團(tuán)聚效率存在某一極限。事實(shí)上，根據(jù)前述結(jié)論可以推測(cè)電壓飽和現(xiàn)象的存在，但由于試驗(yàn)條件及高壓限制，后續(xù)高電壓(>50 kV)工況并未進(jìn)行試驗(yàn)。另外，通過相同電壓下的正負(fù)效率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大顆粒的相對(duì)變化率均高于小顆粒的團(tuán)聚效率，這主要是由于去除兩端極限粒徑的34%顆粒后，研究粒徑31.1～174.7 nm段包含大部分顆粒長大后的粒徑段，而部分團(tuán)聚減少的小顆粒并未包含其中，使得取均值后大顆粒的相對(duì)變化率稍高于小顆粒的團(tuán)聚效率，另外，大顆粒破碎后形成的顆粒也多在小粒徑段，削弱了顆粒團(tuán)聚破碎動(dòng)態(tài)平衡，這也導(dǎo)致了小顆粒的團(tuán)聚效率略低。

圖10 不同水霧量下68%小顆粒的團(tuán)聚效率Fig.10 Agglomeration efficiency of 68% small particles under different water mist amounts

圖11 不同水霧量下68%大顆粒的相對(duì)變化率Fig.11 68% negative agglomeration efficiency of 68% large particles under different water mist amounts

荷電水霧作用于顆粒物后，使其均值粒徑整體右移，即顆粒粒徑有所增大，不同水霧量下顆粒物均值粒徑變化如圖12所示。為研究顆粒的整體團(tuán)聚效果，均值對(duì)象為所檢測(cè)的全粒徑范圍15.1～820.5 nm，入口測(cè)點(diǎn)A顆粒初始均值粒徑約100 nm，經(jīng)過荷電水霧作用后，亞微米顆?？倲?shù)經(jīng)團(tuán)聚后減少，但整體亞微米均值粒徑有所增大，表現(xiàn)在濃度分布上為峰值明顯右移，且粒徑增量與噴霧水霧量呈正相關(guān)關(guān)系，水霧量越大，峰值右移越明顯。由圖12可知，單獨(dú)噴入水霧后，顆粒粒徑變化并不明顯，增長率在1.6%～2.2%，經(jīng)高壓荷電后，顆粒均值粒徑有效增大，且水霧量越大，增長越明顯。

圖12 不同水霧量下顆粒均值粒徑增長率Fig.12 Average particle size growth rate under different water mist amounts

4 結(jié) 論

1)雙層介質(zhì)阻擋結(jié)構(gòu)會(huì)大大改善放電氣隙的均勻性，水霧會(huì)促進(jìn)氣隙空間放電。對(duì)于接近均勻場的放電電極，起暈電壓與不穩(wěn)定運(yùn)行電壓相差不大，且放電脈沖電流隨電壓的增強(qiáng)變化較為平緩，常態(tài)空氣時(shí)，起暈電壓與不穩(wěn)定運(yùn)行電壓分別為30和49.6 kV，通入水霧流量102.9 mg/min時(shí)，起暈電壓與不穩(wěn)定運(yùn)行電壓分別降為17.2和41.1 kV。另外，放電強(qiáng)度會(huì)隨著水霧量的增加而增強(qiáng)，相同電壓下，水霧量越多，電流越大。

2)荷電電壓是影響顆粒團(tuán)聚效率的主要因素之一。噴入純水霧時(shí)，主要粒徑段顆粒均值團(tuán)聚效率在5%以下，加入電壓后，主要粒徑段均值團(tuán)聚效率大幅提高，在2.5 m/s、100 mg/min、45 kV電壓下，均值團(tuán)聚效率為25%左右。對(duì)于多分散的亞微米顆粒物，荷電的超聲波水霧作用后，30 nm左右極小粒徑減少，100 nm以上的大顆粒增多，直觀反映了亞微米顆粒團(tuán)聚效果。

3)水霧量是電荷遷移并促進(jìn)顆粒團(tuán)聚的關(guān)鍵因素。相同電壓下，水霧量的增加會(huì)大大增強(qiáng)顆粒團(tuán)聚效果，另外，對(duì)于全粒徑顆粒而言，荷電水霧其均值粒徑整體右移，即粒徑增大，說明荷電水霧對(duì)顆粒團(tuán)聚長大有促進(jìn)作用。