（环境科学专业论文）直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究.pdf

直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究 f a s ts m o k e e l i m i n a t i n gw i t he l e c t r o s t a t i cf i e l da n dh o n e y c o m b c e r a m i c a b s t r a c t w h e ne l e c t r i cf i r eh a p p e n e di nc l o s er o o m ，i tc o u l dp r o d u c eal o to fs m o k e t h e r e f o r e ，i ti s h a r dt op u to u tt h ef i r e ，e v a c u a t ep e o p l ew h oi nt h ef i r ea n ds a l v a g em a t e r i a l sf o rf i r e m e n t h e m e t h o do f u s i n gw a t e r t oe l i m i n a t es m o k ec o u l dd e s t r o yt h em a c h i n e sa n df u r t h e rr e s u l ti nt h e e c o n o m i cl o s sw i t h o u ta n yc o n d i t i o no fs m o k ee l i m i n a t i n g n e g a t i v ec o r o n ad i s c h a r g ew a s a p p l i e dw i d e l yi nt h ef i e l do fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o n i na d d i t i o n ，h o n e y c o m bc e r a m i cw a s a l s ou s e di nt h ed e c o n t a m i n a t i o no fa u t o m o b i l ee x h a u s t a c c o r d i n gt ot h ew i d e l ya p p l yo f n e g a t i v ec o r o n ad i s c h a r g ea n dh o n e yc o m bc e r a m i c ，t h i ss t u d yc o m b i n et h et w ot e c h n i q u e si n o r d e rt or e s e a r c ht h eb e s ts e t u po fs m o k ee l i m i n a t i n g t h ew a yo fc o r o n ad i s c h a r g ew a su s e da s c i r c l ee d g e c y l i n d r i c a l ，t h ee f f e c t so fe l e c t r o d ed i s t a n c e ，c i r c l ee d g ed i s t a n c ea n dt h en u m b e ro f c i r c l ee d g eo nd i s c h a r g ee l e c t r i cp o w e r ，t h ee f f e c t so ft h ew i d t ho fh o n e yc o m bc e r a m i ca n d d i f f e r e n tw i n ds p e e do na b i l i t yo fs m o k ee l i m i n a t i n gw e r er e s e a r c hi n t h i ss t u d y t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a t ： ( 1 ) t h ee l e c t r i cp o w e ro ft h es e t u pw a sl a r g e ri fe l e c t r o d ed i s t a n c ew a ss m a l l e ra n dt h e n u m b e ro fc i r c l ee d g ew a sm o r e i na d d i t i o n ，i fc i r c l ee d g ed i s t a n c ew a so v e rt h er a n g eo f i n t e r a c t i o n ，t h e r ew a sn oe f f e c to nd i s c h a r g ee l e c t r i cp o w e r ( 2 ) t h r o u g ht h es t u d yo fe l e c t r i cp o w e r a n dd u s tc o l l e c t i n gr a n g eo fc o l l e c t i n ge l e c t r o d e ， t h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w s ：t h en u m b e ro fc i r c l ee d g e si s2 ，c i r c l ee d g e s d i s t a n c ei s6 0m m ，e l e c t r o d ed i s t a n c ei s1 5m m ，i n p u tv o l t a g ei s2 8k v g a ss p e e di m p a c t st h e e f f e c to fc o r o n ad i s c h a r g es m o k ee l i m i n a t i n ga n dh o n e y c o m bc e r a m i cs m o k ee l i m i n a t i n g , t h e s u i t a b l eg a ss p e e di s0 8m s ( 3 ) t h ec h a n n e l sw i l l b eb l o c k e di fc o n c e n t r a t i o no fp a r t i c l e si st o oh i 【g h t h e c o n c e n t r a t i o nn e e d st ob er e d u c e d c o n s i d e r i n gt h et h i c k n e s so fh o n e y c o m bc e r a m i cw i l l c a u s ep r e s s u r el o s eo fg a s ，a n di n c r e a s et h ep r e s s u r eo ff a n s ，t h es u i t a b l et h i c k n e s so f h o n e y c o m b c e r a m i ci s5 0m m ( 4 ) t h ec o m b i n a t i o no fe l e c t r o s t a t i cf i e l da n dh o n e y c o m bc e r a m i cc a l le l i m i n a ts m o k e l a s t l y t h ec o n c e n t r a t i o no fp a r t i c l e sw a s d o w nt o0 3m g lw i t h i n2r a i n k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lf i r e ；n e g a t i v ec o r o n ad i s c h a r g e ；h o n e y c o m bc e r a m i c ；s m o k e e l i m i n a t i n g 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：查盏! 垫量数曼结盔喹室豳鳖消：幽鱼叠宝： 作者签名： 盐穿 日期：鱼塑年_ 二l 月l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的危险性也在增多，火灾的 危害性也越来越大。据统计，我国7 0 年代火灾年平均损失不到2 5 亿元，8 0 年代火灾年平均损失不 到3 2 亿元。进入9 0 年代，特别是1 9 9 3 年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元， 年均死亡2 0 0 0 多人。据国家公安部消防局统，2 0 0 8 年全年共发生火灾1 3 3 万起( 不含森林、草原、 军队、矿井地下部分火灾) ，死亡1 3 8 5 人，受伤6 8 4 人，直接财产损失1 5 亿元，与去年相比，除 损失上升3 9 3 j , b ，起数、死亡人数和受伤人数分别下降了1 6 2 、2 9 和2 1 6 。从引发火灾的直 接原因看，电线短路、超负荷、电器设备故障等电气原因引发火灾4 万起，占总数的3 0 1 ，比去 年提高1 3 个百分点【l l 。 1 1电气火灾 电气火灾与一般火灾有两点不同：一是电气设备的绝缘物质基本上都是高分子绝缘 材料，燃烧时发烟量大；二是发生火灾的空间大多比较封闭。 1 1 1电气火灾形成原因 电气火灾多种多样，按燃烧设备分有电动机火灾口，3 1 、电缆火灾【4 】、焊接设备电气火 灾5 】等；按燃烧场所分为船舶电气火灾抱7 】、泵站电气火灾【8 】、变电站电气火灾1 9 、住宅 电气火灾【l o 】等。电气火灾极易发生，按照起火原因归纳起来有如下几种： ( 1 ) 电气短路 低压电气线路常会发生短路，如：绝缘导线受机械损伤，线芯裸露接触不同电位导 体而短路；电气线路因过热、水浸、阳光辐射等作用，绝缘老化，耐压强度过低的绝缘 被击穿而短路；因过载而电流剧增同时过载防护电器失效，当线芯温度达1 6 0 时，绝 缘熔化而致短路。 ( 2 ) 接地故障电弧 在电气线路短路起火中，接地故障电弧比带电体间的电弧更易引起火灾，因为接地 故障发生的几率远大于带电体间的短路。接地故障产生的电弧电流小，断路器、熔断器 很难切断电源，但电弧局部温度高，可达1 0 0 0 c 以上，从而引起火灾。 ( 3 ) 带电体电弧 带电导体的电弧性短路起火有多种形式，如：两线芯相互接触短路而产生电弧；线 芯未焊死而熔化成团，收缩脱离接触时可能建立电弧：雷电产生的瞬态过电压或电网故 障产生的暂态过电压都有可能击穿劣化的线路绝缘而建立电弧。电弧持续存在极易导致 火灾的发生。电弧性短路的起火危险远大于金属性短路起火危险。这是因为电弧具有很 直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究 大阻抗和电压降，而限制了故障电流，几安的电弧局部高温可达2 0 0 0 - - 一4 0 0 0 ，足以 引起邻近可燃物而起火。 ( 4 ) 金属性短路 不同电位的两导体接触时，极大短路电流通过接触电阻而产生高温，使接触点熔化 而焊牢，称为金属性短路，短路电流可达额定电流的几百倍甚至更大。此时回路上的短 路防护电器如不能迅速动作，则短路状态将持续，线芯温度超过3 3 5 时，p v c 绝缘将 分解出氯化氢并因剧烈氧化而燃烧，整条线路便成为一条“火龙 ，近旁可燃物都有可 能被引燃，酿成重大火灾。 ( 5 ) 电气装置安装不当 大多电器在运行时具有较高的表面温度，如1 0 0w 和2 0 0w 自炽灯点燃时温度高 达2 3 0 和3 0 0 ，1 0 0 0w 碘钨灯灯管表面温度可达8 0 0 ，大多可燃物质的燃点均低 于此温度，若上述高温电器离可燃物太近，则可燃物被高温烤灼或电火花引燃便引起火 灾。克拉玛依火灾就是碘钨灯高温引燃幕布而引起火灾的【1 1 】。荧光灯的镇流器也可能成 为火灾的起火源。因电感式镇流器是个发热元件，当电网电压偏低，铁芯质量又差时， 镇流器激磁电流剧增，铁芯产生高温，如镇流器安装离可燃物太近，便成火源。 电气火灾原因众多，稍有不慎便会发生。在做好火灾防范工作的同时，也要做好灭 火救援的准备。 1 1 2 火灾烟气的危害 火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。由燃烧或热解 作用所产生的悬浮在气相中的可见的固体和液体微粒称为烟或烟粒子，含有烟粒子的气 体称为烟气，火灾过程中所产生的烟气称为火灾烟气，而火灾烟气是火灾中的最大杀手， 其主要包括粒径为几微米到几十微米的含碳颗粒和多种小分子气体【1 2 1 。含碳颗粒是火灾 烟气中主要的有色成分，对人体的危害作用较毒性气体小。火灾中燃烧的材料不同，毒 性气体的成分也不相同。表1 1 列出了一些材料在空气中燃烧产生的气体产物【1 3 1 。 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 材料在空气中燃烧的气体产物 t a b 1 1g a sp r o d u c t i o no fs o m em a t e r i a l sb u r n e di na i r 聚乙烯 5 0 21 9 56 51 8 7 聚苯乙烯 5 9 02 0 77 聚丙烯酰胺 7 8 31 7 3 3 22 1 2 0 聚丙烯腈 6 3 01 3 25 98 聚氨基甲酸酯 6 2 5 1 6 01i1 73 7 聚苯撑硫化物 环氧树脂 脲一甲醛树脂 8 9 2 9 6 1 9 8 0 2 1 94 5 i 2 2 8 8 0 33 35 2 2 此外烟的蔓延速度超过火的5 倍，其量超过火的5 - - - 6 倍。烟气的流动方向就是火 势蔓延的途径，温度极高的浓烟，在两分钟内就可形成烈火。火灾烟气的危掣1 4 圳】主要 体现在其毒害性、高温、减光性、恐怖性和烟熏损失。 ( 1 ) 毒害性 火灾发生时，一些物质的燃烧消耗了周围空间大量的氧气，导致烟气中含氧量往往 低于人们生理正常所需要的数值，使人的肌肉活动能力下降、四肢无力、智力混乱，甚 至晕倒。 烟气对人的毒害作用主要体现在麻醉毒害和刺激毒害，其它毒害即使有也很少。所 谓麻醉指的是造成丧失意识和中枢神经抑制。而刺激有两种：一种是刺激神经，主要是 毒物在眼和上呼吸道引起的反应；另一种是刺激肺，主要是毒物在下呼吸道引起的反应。 烟气各种有毒气，如c o ，h c n ，s 0 2 等含量均大大超过了人们生理上所允许的最高浓 度，造成人们中毒死亡。 ( 2 ) 高温 火灾烟气具有较高的温度。高温会使蛋白质的生物活性降低或者蛋白质变性，更高 的温度会直接使细胞脱水碳化。吸入高温烟气会直接灼烧呼吸道粘膜组织，造成水肿病 变，严重时，粘膜上皮会从基底层脱落，造成通气功能障碍。人们在6 5 时，可短时间 忍受；在1 2 0 时，1 5 分钟就将致命；在几百摄氏度的高温烟气中，则是连一分钟也不 能存活。 ( 3 ) 减光性 火灾烟气中通常含有大量直径为几微米到几十微米的悬浮性含碳颗粒，肉眼不可 见，粒径超出可见光波长的两倍，对可见光有遮蔽作用，火场能见度降低。同时，烟气 中的有些气体，如氨气( n h 3 ) 、氟化氢( h f ) 、二氧化硫( s 0 2 ) 等的刺激性，使人的眼睁不 直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究 开，使逃生和救援人员行进方向混淆，速度降低，增加了中毒或烧死的可能性。一般情 况下，只要人的视野降至3m 以内，想逃离火场就不大可能了。 ( 4 ) 恐怖性 发生火灾时，浓烟滚滚，使人们的心理产生恐怖感，失去活动能力，甚至瘫倒在地。 常常导致疏散混乱，造成不必要的伤亡。 ( 5 ) 烟熏损失 对于洁净厂房、实验室以及存放精密电子仪器场所，发生火灾时由于烟气无孔不入， 其中腐蚀性气体会造成厂房结构强度下降，甚至造成精密仪器设备的报废，造成财产损 失。 火灾烟气也是灭火行动中最大的障碍。消防人员在烟雾中进行灭火，如果不进行必 要的防护措旄，自身也将受到烟雾的威胁。上面提到烟有遮光作用，往往导致火场能见 度降低，视线被遮挡。消防人员看不到火源和抢救对象，妨碍灭火战斗行动，容易错过 灭火的最佳时机。 1 1 3 火灾除烟方法 适时组织除烟，可以提高能见度，降低室内温度，可以尽快发现火源。除烟通常适 用于火灾的初期和后期。初期除烟可将威胁被困人员的烟雾与有毒气体排出，提高能见 度，减少消防人员灭火、救人、抢救和疏散物资的障碍，使消防人员容易找到燃烧部位， 对火势进行控制；后期除烟散发余烟和炽热气可以快速开展现场清理工作。如果在火势 发展阶段除烟，会提高氧气含量，加速燃烧，使人员无法深入。 为了达到消烟的目的，积极有效地消除火场烟雾，可提高火场能见度，降低温度， 有利于尽早展开灭火工作，缩短施救时间，目前常用的除烟方法有如下几种： ( 1 ) 自然排烟 自然排烟，是利用火灾产生的热流的浮力和外部风力通过建筑物的对外开口把烟气 排至室外的排烟方式，其实质上就是热烟气与室外冷空气的对流运动【2 2 1 。自然排烟形成 的条件：一是存在着室内外气体温度差和孔口高度差引起的浮力作用，即热压作用；二 是存在着由室外风力引起的风压作用。这两个条件同时或单独存在都可以形成自然排 烟。基于这一工作原理，影响自然排烟效果的因素有如下四个： 烟气和空气之间的温度差。温度差越大，烟气和空气间的容重差越大，所产生的 浮力作用越大，排烟效果就越好。 排烟口和进风口之间的高度差。高度差越大，所产生的浮力越大，排烟效果越好。 室外自然风力。当排烟口位于下风向时，排烟是顺风的，由于室外风力的吸引作 用，有利于自然排烟，风速越高越有利。 大连理工大学硕士学位论文 建筑的热压作用。建筑中室内外温差引起的热压作用，在不同的季节是不同的， 在上述四个影响因素中，有三个是不稳定的：室外风向和风速随季节变化；火灾期间烟 气的温度随时间变化；建筑的热压作用随季节变化。这就导致自然排烟效果不稳定。 自然排烟方式的优点是：结构简单，投资少，而且不需要外加的动力，运行维护费 用也少，但是也存在不少问题，除了上文提到的排烟效果不稳定外，还对建筑物的结构 有特殊要求，而且有火灾通过排烟口蔓延和操作不当造成“轰燃 幽】的危险等。因此， 除了采用设备简单、切实可行的自然排烟方式外，还有必要采用机械排烟。 ( 2 ) 机械排烟 机械排烟方式是用机械设备强制送风( 或排烟) 的手段来排除烟气的方式【2 2 1 。送风 和排烟可全部借助机械力作用，也可一个借助机械力的作用，另一个则借助自然通风或 排烟作用，据此，机械排烟又具体分为三种方式： 全面通风排烟方式：对着火房间进行机械排烟，同时对走廊、楼梯( 电梯) 前室 和楼梯间进行机械送风，控制送风量略小于排烟量，使着火房间保持负压，以防止烟气 从着火房间漏出的排烟方式； 机械送风正压防烟方式：用送风机给防烟前室和楼梯间等送新鲜空气，使这些部 位的压力比着火房间相对高些，着火房间的烟气经专设的排烟口或外窗以自然排烟的方 式排出； 机械负压排烟方式：用排烟风机把着火房间内的烟气通过排烟口排至室外的方 式。 利用机械排烟，特别是火灾初期，能使着火房间内压力下降，确保烟气不会向其他 区域扩散，能有效地保证非着火区域人员疏散和物资转移的安全。机械排烟方式可以利 用配置的排烟机、排烟车实施移动式排烟，不仅可以通过其他出口驱散烟雾，为内攻人 员送上新鲜空气，更能在送风管的一定范围内形成一个正压无烟的安全地带，作为抢险 人员轮换休息地带。除移动式风力排烟装置外还有移动式水力排烟车等。还可以利用固 定排烟设备排烟，相对来说，固定式排烟系统更加及时、有效。它不仅能在发现火灾的 第一时间开始排烟，而且如果设计优良能排出8 0 的热量【2 4 】，使火场温度大大降低。 ( 3 ) 喷雾水枪排烟 使用喷雾水枪的雾状水流驱赶烟雾，可从进风口或两侧出入口夹攻驱赶烟雾。在火 场自然排烟速度慢，效果不佳，又无机械排烟手段的情况下，可集中二、三支喷雾水枪 进行排烟。同时，喷雾水在火场上大量汽化，有冷却降温的作用1 2 5 。 我国海军某装备技术研究所成功研制出“舰用火灾消烟剂及喷射装置 ，喷出水雾 无须电力即可达到6 0 - - 8 0l x r n ，肉眼看上去如同雾气一般1 2 6 。这种排烟方法既能减轻烟 直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究 气对消防员的危害，又能够及时地排除烟气，在建筑内走廊等狭长地带的灭火战斗中应 用较为广泛。 ( 4 ) 静电消烟 静电消烟装置和电收尘原理一样，是对室内空间施以强电场，使充满空间的烟粒子 离子化，附着在地电位的壁和底板以及天花板上，以消除烟尘。 1 9 7 5 年日本的久保- - t i p 成功的研制了车载静电消烟装型2 7 1 ，并研究了决定消烟 能力的重要因素以及在使用电压下提高辉光放电的能力，并研制了最适当的消烟电极。 图1 1 为搭载该装置的消烟车的结构图。 图1 1 静电消烟车 f i g 1 1 s m o k ee l i m i n a t i n gc a l fw i 山e l e c t r o s t a t i c 这个消烟电极在使用时，突出在消烟车的前部，车上设有伸缩机构，消烟电极做成 使用时突出于车前3 7m ，行走时收缩成全长3m 的结构。消烟实验在高2 3 5m 、长l o m 、体积5 8 7 5m 3 的实验室中进行，2m i n 便得到1 0m 的可视距离。消烟电压、电流分 别为l8 0k v ，0 1m a ； 1 9 7 9 年，日本的高桥武男设计了静电式消烟装置【2 3 】。该设备重3 9 5k g ，功率为 3 4 0w ，用小型发电机就可以运行。用于建筑物的室内、过道等密闭或半封闭空间内的 火灾消烟。此消烟器在室内使用时可产生如图1 2 所示的循环气流，随着这个气流进入 到消烟器的烟粒子在通过带电部分时被荷电，吹到消烟器外后随着循环气流扩散到房间 的各个角落，由此均匀地扩散到室内的带电粒子在空间形成电场，带电粒子被电场移动 至周围墙壁，从空间消失，从而达到消烟的目的。 在1 5 0m 3 的密闭室内，温度为8 0 时，使用该静电消烟装置1 0t u r i n ，可见距离可 增加4 - - 一8m 。 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 循环气流示意图 f i g 1 2 s k e t c ho fc y c l ef l o w 利用静电消烟方法消烟效率高，可以在火场的局部形成一定范围的可视区域，主要 应用于不具备排烟条件，如地下街道、地下商场、地铁等，相对封闭而又狭长的火场。 ( 5 ) 其他排烟 泡沫排烟，利用高倍泡沫迅速充满空间，与烟尘结合后在重力的作用下降落到地面， 以达到除尘排烟的目的。化学排烟药剂【2 9 】，利用药剂与烟气混合，形成无毒沉降物而达 到排烟目的。这种方法要求了解火场的烟气成分，使用时针对性强，但同时也有局限性。 1 2电晕放电消烟 1 2 1 气体放电形式 根据气体放电产生的机理、气体的压强范围、电源性质以及电极的几何形状，放 电形式分为辉光放叫3 0 , 3 1 ( g l o wd i s c h a r g e ) 、弧光放电( a r cd i s c h a r g e ) 、微波放 1 电 3 3 , 3 4 1 ( m i c r o w a v ed i s c h a r g e ) 、火花放1 电 3 4 , 3 5 】( s p a r k l ed i s c h a r g e ) 、介质阻挡放电【3 6 1 ( d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ，b d b ) 和电晕放叫3 7 j ( c o r o n ad i s c h a r g e ) 。 ( 1 ) 辉光放电 辉光放电是低压气体放电的一种类型，在低压气体中显示辉光的气体放电现象。在 置有板状电极的玻璃管内充入低压( 约几毫米汞柱) 气体或蒸汽，当两极间电压较高( 约 1 0 0 0v ) 时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二 次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电时电管内有特殊的亮 直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究 区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。辉光放电的特征是电流强度较小( 约几毫安) ，温度 不高。 ( 2 ) 弧光放电 弧光放电是一种呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。无论在稀薄气体、金属 蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流( 几安到几十安) ，使气体击穿， 发出强烈光辉，产生高温( 几千到上万度) ，这种气体自持放电的形式就是弧光放电。 通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡 增，产生热电子发射。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使 两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压 反而下降，有强烈光辉。 ( 3 ) 微波放电 微波放电是采用微波放电发生器来使气体电离产生微波等离子体。目前国内大部分 微波等离子体源在2 4 5 0m h z 这个频段上进行，部分还可以采用9 1 5m h z 这个频段。这 两个频段均采用连续波磁控管，并做成连续波功率微波源。微波放电可在较宽的频率和 压力范围内激发产生等离子体而有利于降低能源成本、提高工艺效率；所获得的等离子 体纯度高、密度大且富含大量长寿命的游离基和活性粒子。 ( 4 ) 火花放电 火花放电是高电压电极间的气体被击穿，出现闪光和爆裂声的气体放电现象。在通 常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太大，就会出 现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极问的整个区域内，只是沿着狭窄曲 折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘体变为良导体，电流猛 增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待电压恢复再次放电。所以火花 放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花放电。火花间隙可用来保护电器设备， 使之在受雷击时不会被破坏。 ( 5 ) 介质阻挡放电 介质阻挡放电又称无声放电，是在放电空间里插入绝缘介质的气体放电。介质可覆 盖在电极上，也可悬挂在放电空间里或采用颗粒状的介质填充其中。当电极间施加足够 高频率的交流电时，电极间的气体即使在很高的气压下也会被击穿而放电，其表现为很 均匀、散漫和稳定，是典型的交流高气压低温非平衡气体放电。d b d 通常的工作气压 为1 0 s 1 0 6p a 、频率范围为lk h z - 1 0m h z 、电压为几百伏到上万伏。在高频条件下， 可降低操作电压，减少介质的损耗。为了能够有效的产生等离子体，常压下放电间隙为 几毫米，根据实际需要间隙可由0 1m i l l 到几e m 。d b d 间隙内至少存在一个独立的电 大连理工大学硕士学位论文 介质层。由于绝缘介质和气体介电常数不同，气体和绝缘体上的电压降也不相同。为了 使气体获得较高的电场强度，介质阻挡反应器中绝缘层均选用介电常数较大的绝缘材 料，如玻璃、石英、陶瓷、薄搪瓷或聚合物等。 ( 6 ) 电晕放电 电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，是最常见的一种气体放电形 式。一般发生在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强， 使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并 伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程 中的早期发展阶段。电晕放电的形成机制因尖端电极的极性不同而有区别，这主要是由 于电晕放电时空间电荷的积累和分布状况不同所造成的。地面上的树木等尖端物体在大 地电场作用下的电晕放电是参与大气电平衡的重要环节。海洋表面溅射水滴上出现的电 晕放电可促进海洋中有机物的生成，还可能是地球远古大气中生物前合成氨基酸的有效 放电形式之一。 各种放电方式在电子、环境工程中都有广泛的应用。辉光放电主要应用于利用其发 光效应的霓虹灯、日光灯以及用来稳压的稳压管( 如氖稳压管) 3 8 1 ；弧光放电可用作强 光光源【3 9 】，在光谱分析中用作激发元素光谱的光源，在工业上用于冶炼、焊接和高熔点 金属的切割，在医学上用作紫外线源( 汞弧灯) 等等；微波放电被广泛应用于化工领域 m 1 ；火花放电可用于金属加工，钻细孔；介质阻挡放电应用领域更为广泛，主要有臭氧 发生器、表面改性1 4 l 】、等离子显示屏、废水废气处理 4 2 , 4 3 1 等。电晕放电已经成熟的应用 到静电除尘【4 4 1 、表面改性【4 5 , 4 6 、静电脱硫脱硝【4 7 4 9 1 、臭氧发生器【5 0 1 等领域，因此本文 选用电晕放电对火灾烟气进行处理。 1 2 2 直流电晕放电消烟机理 直流电晕放电消烟原理如图1 3 所示，粉尘的捕集主要是利用在电晕电场中粉尘荷 电后，在电场力的作用下，移向收尘电极而从气流种分离出来1 5 l 捌。 直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究 电晕区 图1 3 消烟原理示意图 f i g 1 3 t h es k e t c ho fs m o k ee l i m i n a t i n gp r i n c i p l e 其消烟过程可分为三个阶段： 第一阶段：气体电离 第二阶段：粉尘获得离子而荷电 第三阶段：在电场力的作用下，荷电粉尘向电极移动，最终吸附在电极上。 这些过程互相关联，并且十分复杂，并不是截然分开的。下面对原理中要点进行介 绍。 ( 1 ) 气体电离 在一般的气体中仅存在因自然辐射等原因而产生的少量电子。这些电子不足以形成 电流，因而通常状态下的气体是不导电的绝缘体。 在气体两端加上电极，并逐渐升高电压，气体中的少量自由电子获得足够的能量而 加速到很高的速度。高速自由电子当与气体中的中性分子碰撞时，可以将分子外圈的电 子撞击出来，形成正离子和自由电子。这些电子又重复的被加速和碰撞，而产生大量的 电子和正离子，使气体得以电离，形成电子雪崩。这时在施加高电压的电极周围很小的 范围内电场强度很高，足以使气体电离。由于气体电离过程中高压电极上产生辉光，即 所谓电晕，所以该过程称为电晕放电。电晕发生过程如图1 4 所示。 nu： 蝴铲 子8 粉 大连理工大学硕士学位论文 u + ，粕 甲 b l a s tp u l s e c o l - o l l g 篡+ 也+ 甲甲 u 一 即- 、 可 t r i c h c lp u l s e c 嘞a n e g a t i v ec 锄旧i 监 图1 4 电晕放电发展过程 f i g 1 4d e v e l o p m e n tp r o g r e s so fc o r o n ad i s c h a r g e 电晕出现后，在电除尘器的电极之间，形成两个彼此不同的区域。第一个区域是围 绕着放电线附近形成的电晕区，通常仅限于放电电极周围2 - - 3i n l l l 范围内。在此区域 中，放电极表面的高电场强度，使气体电离，产生大量自由电子及正离子，这时所产生 的正离子移向负极( 即放电电极本身) ；若极线上面通以正高压电，则产生正电晕放电， 正离子移向接地电极，而电子移向正电极。第二个区域为电晕外区，是从电晕区以外到 达另一个电极之间的区域。它占据电极间的大部分空间，其中电场强度急剧下降，并不 产生气体电离，但因电晕区内产生的离子或电子进入这一区域后，碰撞到其中的中性分 子，使之形成正离子( 正电晕放电) 或负离子( 负电晕放电) 。 正、负电晕放电不同，负电晕时开始产生电晕放电的起始电晕电压低而击穿电压高。 因此有效的工作电压的范围较正电晕为宽，有利于消烟的进行。 ( 2 ) 尘粒荷电 尘粒荷电是电除尘过程中重要的阶段。荷电量的大小与尘粒粒径、电场强度及停留 时间等因素有关【5 3 】。尘粒荷电有两个主要方式 5 4 1 ： 蚕 直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究 一种是电场荷电。在外加电场的作用下，离子与悬浮于气流中的尘粒相碰撞，并粘 附在尘粒上使之荷电。粉尘进入电场后，电力线集中在尘粒附近而增加粒子表面的电场 强度。如果是导电的粒子，电场形变最大；如果粒子是介电的则随着介电常数而减小。 在电场力的作用下，离子将沿着电力线移动，直至与尘粒碰撞，粘附于其上，使之荷电。 如果尘粒已经荷电，而尘粒表面电荷量在不断增加，则尘粒表面已有的电荷与继续相遇 的粒子产生排斥力。尘粒表面荷电量越多，这种排斥力就越大。当排斥力增大到与使离 子前进的电场力相平衡时，尘粒上的荷电量就不再增加，这时尘粒达到饱和荷电。 另一种是扩散荷电。气体中的离子和分子一样也有热运动，并且遵循气体分子运动 理论。这种运动使离子通过气体扩散，并与电场内的粉尘碰撞，然后粘附其上使粉尘带 电。虽然j b j n 电场有助于扩散荷电，但不是必须的。扩散荷电主要取决于离子的热能、 尘粒大小及有效作用时间。尘粒所能获得的电荷数随着时间的增加而增加。扩散荷电过 程是不存在饱和荷电的，因为热运动没有上限。然而，由于粉尘经过电场荷电作用时间 很短，所以尘粒由扩散荷电得到的电荷是有限的。 在粒子荷电过程中，电场荷电和扩散荷电都起作用。对大于0 5l a m 的粉尘而言电 场荷电是主要的；对于直径小于0 2p m 的细粉尘而言，扩散荷电起主要作用：粒径为1 g m 左右的粉尘，电场荷电和扩散荷电所得的电荷数量接近，两种机制共同作用。 ( 3 ) 电场 在一对电极之间施加一定的电压，就可以建立起电场。在消烟中，电场起着很重要 的作用： 在高压放电极附近的电场强度很大，造成气体电离，产生大量离子，形成电晕放 电的必要条件； 电场促使离子与尘粒的碰撞，使尘粒荷电； 驱动荷电尘粒向收尘极移动。 电场的形状是电场重要特性之一，它与电极之间的距离、带电量的多少以及周围环 境等许多因素有关。带电体电荷分布不均匀，也会增加电场分布的复杂性。由于放电极 附着了粉尘，放电极被污染，电晕电流也会下降。放电极的粉尘污染使放电极的半径增 大，加上堆积粉尘的电阻将产生一定的电压降，从而使电晕电流受到抑制。对于处理微 细粒径的粉尘来说，放电极的粉尘污染更为显著【5 引。 1 3 蜂窝陶瓷消烟机理 随着近年来工业的发展，大气污染越来越严重。热稳定性好、热膨胀系数小的堇青 石系蜂窝陶瓷便用于汽车尾气处理【5 6 1 。采用过滤体进行烟气净化技术来源于目前国际上 大连理工大学硕士学位论文 最接近实用的柴油机排气微粒后处理技术i 卵。它采用耐高温的过滤材料制成特定结构的 过滤体，将排气中的微粒截留在过滤体内，从而达到净化的目的( 如图l5 所示) 。 颗粒物被捕集在 内壁表面 涂覆了催化剂的 蜂窝陶瓷壁 、_ ，一1 1 r 脚函豳圜嘲i _ - 、。 l - 。_ in _- m r 过滤后的 i ，= 一im - 。清洁烟气 霸啊，曩霸蚺_ - _ 曹1 i d 图15 蜂窝陶瓷吸附原理示意幽 f i g l5 t h es k e t c ho f h o n e y c o m b c e r a m i c s a b s o r p t i o n p r i n c i p l e 蜂窝陶瓷常用热膨胀系数低、造价低廉的堇青石制成，这种材料开发最早，使用最 广，有壁流式、泡沫式等多种结构。目前在过滤体上研究和使用较多的是壁流式蜂窝陶 瓷【5 ”。柴油机用壁流式蜂窝陶瓷过滤器的过滤机理有两种：一是多孔壁而截留机理， 对大于壁面孔径的颗粒物的捕获起主导作用，二是几何、扩散拦截机理，主要是炭烟层 颗粒对排气中小颗粒的捕获起一定作用。 它具有多孔结构，相邻两个通道中，一个通道进口被堵住，而另一通道的出口被堵 住，为保证其机械强度和耐热强度，孔道密度一般约为1 6 孑：l c m 2 时，孔道截面为2 m m x 2 m i n 左右，壁厚为0 4 t o r n 左右，这种结构迫使排气由入口敞开的通道进入，穿过 多孔的陶瓷壁面进入相邻的出口敞开通道，而微粒就被过滤在通道壁面上，对微粒的过 滤效率可达9 0 以上。可溶性有机成分也能被部分捕集唧j 。 近年来在制造技术上取得明显的突破蜂窝陶瓷壁厚减薄，开口横截面积增大，从 而降低了背压损失，扩大了使用范围。目前美国c o m i n g 公司和e l 本n g k 公司生产的 就是应用最广的壁流式蜂窝陶瓷。 直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究 1 4 本文的选题依据及研究内容 1 4 1 选题依据 目前，各类电气元件、仪表和电线电缆己在军用和民用领域得到广泛应用，在船舶 和地铁中应用更加集中。船舶领域中为了减少周围潮湿环境对设备的性能和寿命的影 响，使用的空间大多处于封闭或半封闭状态。这样的条件很容易产生电气火灾，且易增 加其危害性；同时，电气元件的使用集中的空间，也是整体( 如船只) 的核心地带，所 以在消烟、灭火行动中要保护好没有燃烧的电器设备，也要保证灭火后该空间能够尽快 重新投入使用。 地铁车站内部建筑结构复杂，机电设备种类多，站内大量的电器设备、空调机组、 电线电缆以及办公生活设施等，都是发生火灾的潜在因素。运行中的电动客车上，电机 电器、高压电缆、润滑油等也有可能因过载过热、绝缘损坏而引发火灾。车站装修和电 动客车车体一般均采用防火阻燃材料，但在高温中有些材料仍会产生大量的烟雾和有毒 气体。地下车站发生了火灾，由于人员密集，必须尽快疏散客流，撤离火场。同时采取 有效措施，进行防排烟，排出大量的浓烟和有毒气体，降低浓度，保证人员安全。 目前针对电气火灾中烟雾的消除方法主要是采取物理排烟方法和高压水枪消烟方 法。物理排烟方法，要求应用电气设备的空间具有相应的排烟空间，局限性很大，而且 补充进来的空气，会助长火势；采取高压水枪排烟方法的主要缺点是降尘效率低、用水 量大，并且去除有毒气体效果不佳。特别是对于电气火灾，当电气设备淋有大量的水以 后，很可能对设备造成损坏甚至报废，无形中增加了火灾的经济损失。 日本久保- - - n 和高桥武男研制的静电消烟设备在消烟过程中，利用空间内产生的静 电场进行消烟。这种方法虽然消烟效果好，但该静电场不仅会对电气设备造成损害，也 会对救援、灭火人员的生命构成威胁。 因此，本文提出一种放电等离子体结合蜂窝陶瓷吸附的解决方案。该方案综合了静 电除尘技术、放电等离子体有害气体处理技术和广泛用于汽车尾气处理的蜂窝陶瓷吸附 技术。在一定条件下，两种方法都有很好的消烟效果，但每种方法都有自身的优点和不 足。 直流电晕放电的方法：烟气阻力小，捕集效率高，能捕集超细烟尘( 0 0 1t u n ) 。 而且直流电晕放电产生的等离子体可以有效的脱出烟气中的s 0 2 和降解v o c s 。对于体 积等参数一定的消烟装置，只能通过增加气流量的方法，来提高处理量，但如果烟气浓 度过高，部分小粒径粉尘会被高速气流带出电场捕集区。虽然能提高火场可见度，但不 能消除小粒径粉尘带来的安全危害。 大连理工大学硕士学位论文 蜂窝陶瓷吸附的方法：同样具有一定的捕集效率，尤其对小粒径和低浓度粉尘吸附 效果明显，但大粒径或高浓度粉尘容易使蜂窝陶瓷的通道口堵塞，在蜂窝陶瓷内表面还 没充分发挥作用前，就失去处理能力。 本文将两种方法结合在一起，蜂窝陶瓷的使用消除了风速对电晕放电消烟的制约； 电晕放电消除了大粒径烟尘对蜂窝陶瓷吸附的制约。二者互相补充，取长补短，有机的 结合在一起，提高了消烟装置的适用范围和消烟效果，可以有效的消除封闭空间内的烟 气，也可以将控制在一定范围内的烟气进行消除。 1 4 2 研究内容 这个消烟装置开发目的是对发生电气火灾的相对封闭的空间内进行快速消烟，重点 在于使用的高效性、方便性和安全性上。本实验的研究目的就是采用一种直流电晕放电 结合蜂窝陶瓷吸附的方案，设计一种应用于电气火灾的快速消烟的装置。 该装置采用了新的放电结构，应用于新的领域，因此我们要研究的内容包括： ( 1 ) 电晕放电的v i 特性。 ( 2 ) 确定电气参数、高压电极结构。 ( 3 ) 蜂窝陶瓷厚度对消烟效果的影响。 ( 4 ) 风速对装置消烟效果的影响。 直流电晕放电结合蜂窝陶瓷消烟的研究 2 实验系统的建立及测试方法 2 1 目标物简介 2i1 目标燃烧物 氯丁橡胶有多面橡胶之称，广泛应用于各个工业领域，是我国电缆工业用量最大的 合成橡胶胶种之一，大量用于矿用电缆、船用电缆、户外用电缆和软线以及多种阻燃电 缆、耐油电缆等。氯丁橡胶作为电线电缆的护套材料，突出的特点是高阻燃、耐大气。 在通用橡胶中，氯丁橡胶的阻燃性是最好的；而用它做护套的电线电缆在我国户外使用 十多年后，尚未出现肉眼可见裂纹。本文选用氯丁橡胶电缆的绝缘层模拟着火点。实物 如图2 i 所示。 图2 1 氯丁橡胶电缆 f i 9 21 n e o p r e n ec a b l e 大连理工大学硕士学位论文 氯丁橡胶是在适当的催化剂、乳化剂、调节剂和防老剂等存在的情况下，由2 氯丁 二烯1 ，3 聚合而成。其分子链由单体加成的方式构成，约9 8 是1 ，4 加成，1 5 是1 ， 2 加成。氯丁橡胶分子量通常为2 00 0 0 - - 9 5 00 0 0 ，最大分布在1 00 0 0 2 0 00 0 0 附近。 其分子结构式为： c l c l i i 川i 1 亡4 意啦伽广丫 ( ， 一加成) i l i c h ： ( 1 ，2 加成) 图2 2