柴油发动机排放纳米颗粒在电除尘器中的收集特性研究

神奈川工科大学电气电子系 Akinori Zukeran 等人关于残渣燃油与轻油在 ESP 中纳米颗粒行为的实验分析

关键词
diesel engine, ion-induced nucleation, collection efficiency, nano-particle, electrostatic precipitator, 电除尘器, 工业烟气治理

随着移动与工业源排放对城市与沿海空气质量影响的日益关注，柴油发动机排放的纳米颗粒（nano-particle）因易穿透肺泡而成为公共健康与监管的重点（关键词：柴油发动机、电除尘器、纳米颗粒、收集效率）。为深入理解电除尘器（ESP）在处理柴油尾气纳米颗粒时的性能与潜在副产物，神奈川工科大学电气电子系 Akinori Zukeran 等人开展了系统的台架实验研究，比较使用残渣燃油与轻质燃油时颗粒行为与收集效率，并分析了电压、极性与电极长度的影响。本文基于该研究并结合行业应用提出解读与建议。

实验以一台水冷四冲程柴油发动机（排量 400 cc，输出 5.5 kW，空载）与两种燃油（残渣燃油：S 0.61%；轻质燃油：S 0.0009%）为工况来源，尾气温度控制在 130–150 ℃，ESP 风速约 4.4 m/s。两类 ESP 结构用于比较：A 型为针—筒（针尖不锈钢，直径 1.6 mm，尖角 14°，曲率半径 22 μm，最高 -18 kV），B 型为线—筒（钨丝 φ0.26 mm，最高 ±10 kV），并采用 SMPS（6–200 nm）对稀释（10 倍）后的抽样气流（2.7 L/min）进行粒径分布测量。

主要发现包括：当使用残渣燃油时，在未施加高压（0 kV）时颗粒分布在 ~57 nm 处出现峰值（约 6×10^6 part/cm3）；随电压升高该主要峰值可显著下降（-16 kV 时对 57 nm 的收集效率 >95%），但在高电压（-16 至 -18 kV）条件下，小于约 20–30 nm 的超细粒子浓度反而显著增加（某些工况下 16 nm 处浓度可放大数十倍）。使用轻油时未观察到同等的超细粒子增生。气体成分分析显示，残渣油尾气中 SO2 约 37 ppm，而轻油仅约 2 ppm；因此在有 SO2 的条件下，电晕放电会诱导电离促核（ion-induced nucleation）或二元均相成核，生成新的超细粒子[10]。

关于极性与电极长度的影响，线—筒型（B 型）结果表明放电起始电压约 6 kV、击穿约 11 kV，负极性在相同电压下产生更大的放电电流，对超细粒子的增强效应也更明显（负极性在 ~16 nm 处增强率最高达 29，正极性在 ~13 nm 处为 22）。总体数浓度收集效率随电压变化存在最佳区间：在 80 mm 电极长度下，整体收集率随电压上升而增加至峰值（约 -8 kV 时可达 91%），但在 -10 kV 时总体效率反而下降（约 65%），并伴随超细粒子浓度暴增（局部出现“负收集效率”现象）。将电极长度从 80 mm 增至 130 mm 可显著抑制小粒子增长，改善颗粒收集曲线，表明延长有效电场路径是抑制电晕诱导成核并提高系统稳定性的可行工程手段。

对中国工业应用（浆纸、钢铁、水泥、化工等）而言，该研究的结论具有直接参考价值：一方面，燃料中 SO2 含量与电晕放电的相互作用会在高电压条件下产生新的超细颗粒，影响颗粒计数法评价与大气环境风险；另一方面，通过合理的电场设计（选择最佳电压区间）、增加有效电极长度、控制极性与电流，以及在必要时降低进气 SO2（脱硫或改用低硫燃料），可以兼顾总颗粒收集效率与抑制超细颗粒生成，从而有利于满足排放达标并降低后端治理与运行成本。结合艾尼科（Enelco）在极板/极线几何、表面处理、电场优化与 EHD（电流体动力）辅助技术方面的实践经验，可通过数值模拟优化电场分布、改进极线材料与布局、以及引入在线监测与智能控制，进一步提升 ESP 在高负荷工业烟气治理中的稳定性与能效表现。

综上，该研究提示：在设计与运行电除尘器时不能仅以总体颗粒去除率为唯一判断指标，还需关注电晕放电条件下的二次成核风险；针对不同燃料与含硫条件，调整电压、极性与电极长度，并结合脱硫与后端捕集技术（如电除尘器与机械过滤或电旋风/DPF 混合方案），是实现排放合规、节能降耗与降低运维成本的可行路径。艾尼科可为中国行业客户提供包含电场优化、极线/极板定制与运维监测在内的一体化解决方案，帮助在浆纸、钢铁、水泥和化工等重点行业中落地上述策略并实现长期稳定达标。

参考文献
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