热电子发射驱动的高温静电除尘（ESP）：低能耗亚起始电压运行的新路径

—— 布兰登堡技术大学（Cottbus‑Senftenberg）Ulrich Riebel 等人关于高温热电子发射与ESP亚起始运行（SOMOO）的实验研究要点

关键词
静电除尘, 热电子发射, 自由电子, 功函数, Schottky效应, Richardson常数, 场增强因子, 高温烟气治理, 节能

在高温烟气治理与余热回收场景中，高温静电除尘器（ESP）若能在不致发火花的情况下实现高效除尘，将为钢铁、水泥、浆纸与化工等行业带来显著节能与运维成本优势。本研究由德国布兰登堡技术大学（Brandenburgische Technische Universität Cottbus‑Senftenberg）Ulrich Riebel 等人主导，针对500–800 °C（773–1073 K）区间的热电子发射（thermionic emission）开展系统实验，揭示了支持在亚起始电压（sub‑onset）下稳定工作的物理基础[1]。实验采用管‑线（tube‑wire）构型，在带同电位屏蔽的高压引线下直接测量HV侧电流，克服了高温陶瓷绝缘泄漏和热电/电化学漏流的干扰，确保了nA—μA级别低电流的可靠读数。数据表明：（1）实验得到的Richardson常数远小于理论值（约为理论值的1/20–1/40）；（2）实测有效电子功函数仅约3.1–3.2 eV，远低于洁净真空条件下不锈钢的典型值；（3）Schottky效应显著增强，源于表面氧化产生的尖锐晶体结构导致局部电场放大，实验估算的场增强因子在细丝与管面分别可达几十至数百，且随场强与温度变化。上述结果说明，从约700 °C起，热电子发射能够在“亚起始工作模式”（Sub‑Onset Mode Of Operation, SOMOO）下释放足够自由电子进行高效扩散充电，从而以极低的电流密度（实验700–800 °C时典型约0.1–50 μA/m）实现纳米至低微米颗粒的高分离效率[2,3]。SOMOO的工程价值包括：天然避免负极火花、显著降低能耗并提升电子扩散充电效率（热电子可拥有远高于气体温度的电子温度，使扩散充电效率成倍提高，扩展至约2.5 μm粒径范围），以及可通过增大发射面（采用杆代替细丝）并优化极板/极线布局来提高处理能力。对中国市场而言，艾尼科（Enelco）在极板设计、极线材料与电场优化方面的成熟技术储备，可被用于将SOMOO概念工业化：例如通过采用耐高温合金/改性表面处理、可换式杆电极与更大发射面积设计，既能提升热电子产率，又便于高温在线维护与电极更换，从而助力钢铁、水泥、浆纸及化工行业在实现排放达标的同时完成热能回收与运营成本下降。研究同时提醒：若烟气或灰分中含有碱金属盐（Na+, K+），则可能出现阳离子热释出并导致双极性充电，降低净效率，因此需要针对工况开展材料与工艺匹配测试。后续工作建议：扩大不同材料（含氧化物与涂层）与长期时温历程下的热电子特性研究，评估尘层覆盖条件下的发射行为，并结合艾尼科的电场仿真与极板清洁技术，推进SOMOO在中国重工业中的试点与产业化应用。作者与单位：Ulrich Riebel*, Patrick Bürger, Ahmad Al‑Issa, Jan Stepputat，Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik，Brandenburgische Technische Universität Cottbus‑Senftenberg（通讯作者: Ulrich.Riebel@b‑tu.de）[1]。

参考文献
[1] Riebel U., Bürger P., Al‑Issa A., Stepputat J. Thermionic Emission – A Key to Understanding High Temperature Electrostatic Precipitation. Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik, Brandenburgische Technische Universität Cottbus‑Senftenberg. (Conference paper). [2] Bürger P., Riebel U. Electrostatic charging and precipitation of nanoparticles in technical nitrogen: Highly efficient diffusion charging by hot free electrons. Journal of Aerosol Science, 2020, 141:105495. [3] Bürger P., Riebel U. Feasibility of high‑temperature electrostatic precipitation for the removal of nanoparticles: A case study on iron oxide separation at up to 800 °C. FILTECH 2022 Conference Proceedings, 2022. [4] Weber E., Wiggers H., Morgenstern U. Erprobung eines Plattenelektrofilters für die Hochtemperatur‑Hochdruck‑Entstaubung. Luft und Kältetechnik, 1993, 4:165–168. [5] Gu Z., Xi X., Yang J., Xu J. Properties of RE–W cathode and its application in electrostatic precipitation for high temperature gas clean‑up. Fuel, 2012, 95:648–654. [6] Raizer Y.P. Gas Discharge Physics. Springer, 1991. [7] Wilson R.G. Vacuum thermionic work functions of polycrystalline Be, Ti, Cr, Fe, Ni, Cu, Pt, and type 304 stainless steel. Journal of Applied Physics, 1966, 37:2261–2267. [8] Rietwyk K.J., Keller D.A., Ginsburg A., et al. Universal work function of metal oxides exposed to air. Advanced Materials Interfaces, 2019, 6:1802058.