用于湿式静电除尘器的导电碳复合材料：提升电弧耐受性与耐腐蚀性

TurboSonic、滑铁卢大学、American University of Sharjah 与 Bellshire 联合研发，实验室与现场试验验证新型 WESP 导电复合材料性能

关键词
湿式静电除尘器, 导电复合材料, 碳纳米管, 电弧耐受性, SS304L, 防腐, 浆纸, 钢铁

湿式静电除尘器（WESP）在去除含水气体中的粉尘、酸雾和其它细颗粒物方面被广泛应用，是浆纸、钢铁、水泥和化工等行业达标排放的重要设备。传统收集极板常用碳钢、不锈钢、铅或高镍合金制造，但在含卤素、强酸等严酷工况下易腐蚀或蠕变，塑料类材料又依赖连续水膜接地且易因电晕放电造成穿孔和起火风险，因此寻找兼具导电性、耐腐蚀和耐电弧损伤的新材料成为行业需求。[1-4]

本研究由Robert Allan（TurboSonic Technologies）、Shesha Jayaram（University of Waterloo）、Ayman El-Hag（American University of Sharjah）与Paul McGrath（Bellshire Technologies）联合开展，面向 WESP 收集管件开发一种低成本碳基导电复合材料，目标是在保持耐腐蚀性的同时显著提高对“强功率电弧”损伤的抵抗力。研究先在实验室通过点-盘（point-to-disk）装置开展筛选测试，测得材料体积和表面电导率并记录电压-电流特性，模拟全厂的电压梯度（约6.7 kV/cm）和30–70 kV 工作间隙，通过高频放电（50–60 SPM）进行耐火花侵蚀评价，最终锁定一种含碳纳米管/环氧基的复合配方作为候选材料。[5]

随后在两个工业现场进行了原位试验：一个为热绝缘材料厂，其烟气含氟氯且洗涤液 pH<0.4（现场常用铅管）；另一个为使用含盐生物质与煤的纸浆厂锅炉排气。初期10个月运行显示材料结构与耐腐蚀性令人满意，但电弧耐受性仍需提升，于是转入第二阶段的功率电弧实验。实验室搭建了等效277根管串联的电容放电平台，单次电弧释放能量约67焦耳，并以 SS304L 为基准比较。测试表明 SS304L 在约3400 次电弧开始出现点蚀，10000 次左右发生严重损伤，13000 次损伤极重。以10000 次电弧为比较标准，改良后的碳复合材料在同等条件下表现出更小的表面侵蚀，显微观察显示侵蚀主要沿织物经纬向形成线状痕迹，且材料织物结构与厚度可用于控制侵蚀路径和密度。[6-7] 基于微观与宏观评估结果，研究团队将该导电复合材料用于制造 300 mm 六角形收集管并装配成试点 WESP，机组在饱和空气条件下的静态与动态试验性能接近 SS304L，且经过进一步配方优化后电弧耐受性优于 SS304L。研究结论表明：通过合理选择树脂基体与碳填料，可以实现与铅或高镍不锈钢相当或更优的耐腐蚀性，同时兼得更高的电弧耐受性能，为 WESP 在苛刻工业烟气中的长期可靠运行提供新选项。 对中国市场而言，该类材料在浆纸、钢铁、水泥与化工行业具有明显应用价值：可降低因电极腐蚀或电弧损伤导致的维修停机频次，减少铅等重金属材料的使用风险，帮扶企业实现排放达标、降低运维成本并改善安全性。艾尼科（Enelco）在极板、极线和电场优化方面具有丰富工程经验，可与该类新材料结合，在电场布局、换向控制与在线维护策略上进一步提升除尘效率与能效，推动国内 WESP 的升级换代与节能减排。 综上，碳纳米管增强导电复合材料为湿式静电除尘器的收集极提供了一条可行的技术路线，后续建议在更大规模工业工况中开展长期寿命验证，并结合电场优化与水膜管理策略，形成面向中国重点行业的成套技术与服务方案。 参考文献 [1] Parker K. WESPs and Fine Particle Collection. 8th Int. Conf. on Electrostatic Precipitation, Birmingham, AL, USA, May 14–17, 2001, p.7. [2] Pasic H., Alam M.K., Bayless D.J. Membrane Electrostatic Precipitator. US Patent 6,231,641, May 15, 2001. [3] Bayless D.J., et al. Membrane-based Wet Electrostatic Precipitation. J. Air & Waste Management Assoc., June 2005, pp.784–791. [4] Pritchard G. The Chemical Reactivity of Carbon Fiber-Reinforced Composite Materials. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 1975, pp.55–81. [5] Morosko J.M. Composite Discharge Electrode for Electrostatic Precipitator. Master’s Thesis, Ohio University, March 2007. [6] Khairul Alan M. Carbon Fiber Discharge Electrode. Patent Application, July 8, 2010. [7] McGrath P. Internal Report, Bellshire Technologies Inc. to TurboSonic Inc., March 9, 2009.