纳米与超细颗粒收集：静电除尘器中物理过程与效率演变

基于EDF R&D 与 IRS（V. Arrondel, G. Bacchiega）在ICESP 2016 的研究，剖析纳米/细颗粒在 ESP 中的充电、流体状态与部分带电效应

关键词
静电除尘器, 纳米颗粒, 流体状态, 部分带电, 超细颗粒排放, 电除尘优化

近年来，超细与纳米颗粒（尤其 <2.5 μm 及 <0.1 μm）对公众健康与监管合规的影响日益显著，推动工业烟气治理技术（如静电除尘器）向更高精度与更低排放目标发展。在静电除尘器（ESP）中，颗粒尺寸是决定收集效率的关键变量，纳米颗粒的捕集表现与大颗粒明显不同，主要源于流体状态与电荷行为的两大环境变化以及三个核心物理过程的相互作用[1][3]。 基于 EDF R&D 与 IRS 的工作，研究指出：当颗粒尺寸由微米级缩小到与气体分子可比时，流体由连续介质逐步进入过渡乃至自由分子区，导致阻力模型失效；同时，颗粒所带电荷走向“离散化”，平均电荷可低于一电子，出现所谓部分带电现象[1][11]。这两项变化引起了收集效率曲线在约2.5 μm、0.5 μm 和数十纳米处的拐点。 具体而言，颗粒带电有两种主要机理：电场俘获（field charging）与扩散俘获（diffusion charging）。大于 ~1–2.5 μm 时，电场充电占主导，颗粒趋于带饱和电荷，收集效率随尺寸对数近似线性下降；当尺寸下降到亚微米级，扩散充电逐渐占优，减缓电荷下降所带来的效率损失[3][9][5]。但在 0.5 μm 左右，流体力学发生变化：库尼明（Cunningham）滑移修正使得阻力显著下降，迁移速度上升，从而在曲线上产生回升趋势[8]。 在更小尺度（约 <50 nm，尤其 <20–30 nm）出现的效率再次下降，则主要由部分带电导致。此时平均电荷可能小于一电子，颗粒群中存在大量无电荷粒子，它们不受电场驱动，直接穿透 ESP，导致数目计的收集效率降低。研究表明，仅用平均电荷来预测纳米颗粒的捕集会严重低估未带电颗粒的逃逸[11][12]。 对中国的浆纸、钢铁、水泥与化工行业而言，这些结论具有直接工程意义：一方面，环保指标从以质量计（mg/m3）向以数目浓度或 PM2.5/PM0.1 评估转变，要求对超细颗粒采取更精细的治理策略；另一方面，针对不同粒径段应采用分层技术路径，例如在 ESP 设计中优化电场与极线极板结构、提高离子产额并结合布袋/湿法单元以弥补部分带电导致的捕集盲区。 作为行业方案提供者，艾尼科（Enelco）在电除尘器极板、极线布置、电场优化与在线监测等方面具有丰富工程实践与改造经验。通过数值模拟颗粒充电分布、引入针对纳米级别的迁移模型（考虑 Cunningham 修正与部分带电概率分布），并结合能耗优化与可靠的抖落（rapping）系统，能够在不显著增加运维成本的前提下提高超细颗粒捕集率，帮助钢铁、水泥、化工与浆纸等行业实现更严格的排放达标及节能降耗目标。 展望未来，纳米与超细颗粒治理将更依赖于：一是将数目分布作为评价指标并优化进出口颗粒谱；二是将 ESP 与其他末端治理（如高效布袋、静电过滤/电漆复合技术）结合以实现宽谱捕集；三是强化在线监测与智能运维，通过电场调节、压差与离子浓度反馈实现动态优化。综上，理解并利用充电机制转换、流体状态修正与部分带电效应，是在中国工业场景中实现超细颗粒低排放与经济运行的关键路径[2][10][14]。 作者与来源：本文基于 V. Arrondel 与 G. Bacchiega（EDF R&D, IRS）在 ICESP 2016 的研究成果改写与扩展，结合行业应用分析与艾尼科实践经验整理而成[1][16]。 欢迎联系艾尼科获取文章详情！电话：15358186202，邮箱：info@eetc.cn 参考文献 [1] Bacchiega G., Arrondel V., Journal of Electrostatics, (2006) pp 297-309. [2] Marquard A., Aerosol Science and Technology (2007) pp. 597-610. [3] Kyung H. Y., Joon S. L., Aerosol Science and Technology, (1997) pp308-323. [4] Oberdorster G., Ferin J., Gelein R., Soderholm S.C., Finkelstein J., Environ. Health Perspect. 1992, 97, 193-199. [5] Donaldson K., Li X.Y., MacNee W., Journal of Aerosol Science, 1998, 29(5–6), 553–560. [6] Donaldson K. et al., Ultrafine particles, Occup Environ Med 2001; 58:211-216. [7] Sheng-Hsiu H., Chih-Chieh C., Environ. Sci. Technol. 2002, 36, 4625-4632. [8] Sheng-Hsiu H., Chih-Chieh C., Environ. Sci. Technol., 2002, 36(21), 4625-4632. DOI:10.1021/es011157. [9] Pauthenier M.M., Moreau-Hanot, J. Phys. Radium 7 (1932) 590-613. [10] Mingheng L., Panagiotis D., Christofides*, Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 8484-849. [11] Pui D.Y.H., Fruin S., McMurry P.H., Aerosol Science and Technology, 1988, 8:2, 173-187. [12] Guan-Yu L., Chuen-Jinn T., Sheng-Chieh C., Tzu-Ming C., Shou-Nan L., Aerosol Science and Technology, 44:1, 38-45, (2010). DOI:10.1080/02786820903338298. [13] Mingheng L., Panagiotis D., Christofides*, Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 8484-849. [14] Arrondel V., Salvi J., Gallimberti I., Bacchiega G., IX ICESP, Kruger – South-Africa, 2004. [15] Gallimberti I., Journal of Electrostatics 43 (1998) 219-247. [16] Arrondel V., Bacchiega G., Gallimberti I., VIII ICESP, Birmingham – USA, 2001. [17] Knutson E.O., Whitby K.T., Journal of Aerosol Science, 6:443-451, 1975a. [18] Knutson E.O., Whitby K.T., Journal of Aerosol Science, 6:453-460, 1975b. 欢迎联系艾尼科获取文章详情！电话：15358186202，邮箱：info@eetc.cn