细颗粒物高效捕集：三维数值模拟揭秘刺针板与圆线板静电除尘差异

基于西安大略大学 Farnoosh 等团队 3D 数值研究的 ESP 精细颗粒收集性能解析

关键词
electrostatic precipitator, fine particle collection, spiked-plate ESP, wire-plate ESP, electrohydrodynamic flow, numerical simulation, PM2.5, 超低排放

近年来，燃煤电厂、水泥、钢铁、垃圾焚烧等行业的超低排放改造把“PM2.5 甚至亚微米颗粒”推上了静电除尘器（ESP）技术升级的风口。粒径小于 1 μm 的细颗粒在静电除尘过程中的迁移速度低、荷电困难，却更易深入肺泡，对人体健康和区域灰霾有更大影响。传统圆柱放电线配平板集尘极的布置在粗颗粒段表现稳定，但在 0.1–1 μm 这一“效率谷”内明显吃力，逼迫行业不断探索新型电极结构与电-流场协同强化技术。

围绕这一问题，加拿大西安大略大学（University of Western Ontario）的 Niloofar Farnoosh、Kazimierz Adamiak 和 G. S. Peter Castle 团队提出了一套三维混合数值模拟方法，对比研究了圆柱线–板 ESP 与刺针板 ESP 在细颗粒收集效率上的差异[10][11]。他们采用有限元–通量修正输运（Finite Element–Flux Corrected Transport）相结合的方法求解电场与空间电荷分布，并借助 FLUENT 商业软件及 k–ε 湍流模型计算流场，再通过离散相模型（DPM）与自定义函数实现颗粒荷电与运动模拟。这一研究不仅给出了刺针电极改善 PM1.0 捕集性能的定量证据，也为电除尘器电极结构优化和数值设计提供了可复制的技术路线。

在几何建模方面，团队构建了一个典型单级线–板式 ESP 通道，长度 600 mm、宽度 200 mm、高度 100 mm，上下平板接地，中部布置高压放电电极。对比了两类电极：一是传统光滑圆柱放电线，沿线周向电荷密度均匀；二是带规则刺针的扁平金属带电极（spiked-plate），刺针可以对称布置在电极两侧，也可仅在一侧布置，并分别朝向上游或下游。模拟中假定离子仅从刺针尖端注入，这更符合实际放电特性，对电场畸变和电流分布的刻画更为精准。

在电场和电荷求解上，研究采用有限元方法计算静电势分布，通过混合流体–离子输运模型获得空间电荷密度，再用通量修正输运算法避免高梯度区域数值振荡，从而得到稳定可靠的电–流场分布。气流则在 FLUENT 中采用标准 k–ε 湍流模型求解，边界条件为入口定速、出口定压，典型入口速度设为 0.6–1.0 m/s。随后，通过 FLUENT 的离散相模型释放多种粒径的中性颗粒，入口粒径分布参考典型工业烟气细颗粒浓度谱[12]，粒径范围覆盖 0.25–10 μm，并考虑不同总浓度水平。颗粒荷电模型则同时引入电场荷电与扩散荷电两种机理，使得 1 μm 以下细颗粒的实际荷电水平得到合理反映[12]。

研究首先给出了圆柱线–板 ESP 在不同颗粒质量流率下的捕集表现，入口速度 1 m/s、极间电压 +30 kV。对于 0.3–10 μm 粒径的单分散颗粒，传统线–板的捕集效率随粒径增大显著提高：10 μm 颗粒接近 98–99% 的高效率，而 0.3 μm 细颗粒的效率仅为 8.5–12.5%。有趣的是，随着入口颗粒浓度从 0.5c₀ 提高到 20c₀（c₀=0.01 mg/s），0.3 μm 和 1.4 μm 颗粒的效率略有上升，例如 0.3 μm 从 8.5% 升至 12.5%。研究者将其归因于高浓度下颗粒间相互屏蔽和团聚效应，使部分细颗粒以更大等效粒径形式迁移。不过整体来看，传统圆线–板 ESP 在 1 μm 以下颗粒段仍然效率偏低，这与行业实际运行数据是一致的。

为了突破这一“效率谷”，研究进一步考察了刺针板 ESP 的电流–流场耦合效应。通过对比三个刺针布置方案（双侧刺针、单侧上游刺针、单侧下游刺针）在同一截面上的流线分布，可以清晰看到电流驱动流（EHD 流）对主流的重构作用。双侧刺针时，在电极上游形成两个明显的旋涡，贴近电极和极板，将中心区域的气流与颗粒向集尘区“推挤”；下游则仅形成两个很小的涡，影响有限。单侧刺针朝向上游时，上游两个旋涡更强，颗粒更容易被带离通道中心，向极板侧汇聚；而当刺针朝向下游时，强涡却主要出现在下游靠近极板区域，将原本即将沉积的颗粒重新卷回通道中心，反而削弱了除尘效果。这些电流驱动流模式与 Mizeraczyk 等人基于 3D PIV 的实验观测高度吻合[3][4]，验证了数值模型对 EHD 流场的可信度。

在此基础上，Farnoosh 团队对比了三种刺针布置在不同负高压（–19.2、–23.5、–27.5、–30 kV）下，对 0.25、0.5、0.75 和 1.5 μm 颗粒的捕集效率。结果显示，随着电压升高，所有结构和粒径的效率均明显提升，符合电场增强、离子密度增加带来更高颗粒荷电和迁移速率的基本规律。然而，不同结构之间差异显著：

首先，刺针朝下游的单侧电极始终表现最差，几乎在全部粒径和电压条件下都给出最低捕集效率，这与其“把颗粒从极板卷回主流”的 EHD 流结构一致。其次，对于最细的 0.25 μm 颗粒，上游刺针与双侧刺针的表现相近，在部分工况下上游刺针略有优势，这可能与更强上游旋涡对低荷电颗粒的“拖拽”作用有关。整体来看，在 –30 kV、入口速度 0.6 m/s 工况下，双侧刺针结构对 0.25 μm 颗粒可实现约 35% 的效率、对 1.5 μm 颗粒可达约 70%，相较于传统圆线–板结构有数量级上的提升，充分体现了电极几何优化对细颗粒控制的潜力[3][8][10]。

有别于圆线–板部分结果中“浓度高时细颗粒效率略增”的现象，在刺针板 ESP 的模拟中，作者进一步讨论了入口颗粒浓度对性能的影响。以双侧刺针结构为例，在 –30 kV、0.6 m/s 下，当入口颗粒总浓度从 c* 提高至 20c* 时，0.25–1.5 μm 粒径段的捕集效率整体呈下降趋势。这一结果反映出在刺针板这种更高局部场强的结构中，细颗粒的大量存在更容易导致空间电荷密度增大、局部电场畸变，甚至抑制电晕放电，使有效电场与离子浓度下降，进而削弱颗粒荷电与迁移能力。这与文献中关于高粉尘负荷下电晕抑制和二次反电晕对 ESP 性能不利影响的认识是一致的[6][9][11]。

综合研究结果，Farnoosh 等人给出了几点对工程界具有参考价值的结论。其一，在现有工况与粒径范围内，刺针板电极的双侧布置是提升细颗粒捕集效率的更优选择，尤其在 0.25–1.5 μm 段表现突出，适合作为高端电除尘器或混合除尘系统中的精细级。其二，刺针朝向设计不能简单按“方便加工”或“空间布置”考虑，上游侧强化电流驱动流、将颗粒推向极板，有利于提高效率；下游侧则可能因旋涡位置不当，反向卷吸颗粒，反而降低 ESP 性能。其三，随着入口粉尘浓度上升，刺针板 ESP 更容易受到电晕抑制影响，设计时需综合考虑前端预除尘、极间距、电源特性等，避免在高浓工况下让精细级 ESP 处于“过饱和”状态。

从方法论角度看，这项研究展示了一条较为完善的 ESP 三维数值模拟路径：利用有限元精细计算电场与离子输运，结合商业 CFD 软件模拟湍流流场，并通过 DPM 与多机理荷电模型耦合颗粒动力学。这种混合建模方式为未来电除尘器的电极结构优化、EHD 流强化设计、超细颗粒控制策略以及电场–流场–粉尘三场协同研究提供了可操作的范式。对于正在推进超低排放改造和 PM2.5 精细治理的工程团队而言，基于此类三维模拟手段对刺针极、梳状极、绒毛极等新型电极进行前期虚拟验证，有望在保证可靠性的前提下，显著缩短试制周期、降低试验成本。

可以预见，随着计算资源的普及和多物理场仿真工具在环保行业的普及应用，类似 Farnoosh 团队这样的电除尘器数值研究将越来越多地成为工程设计前端的“必选项”。而刺针板 ESP 在亚微米颗粒段展现出的优势，则为下一代高效、低能耗、可适配复杂工况的电除尘技术指明了一个值得重点投入的方向。

参考文献
[1] Sung BJ, Aly A, Lee SH, Takashima K, Katsura S, Mizuno A. Fine particle collection using an ESP equipped with electrostatic flocking filter as a collecting electrode. Plasma Processes and Polymers. 2006;3(9):661–667.
[2] Niewulis A, Podlinski J, Kocik M, Barbucha R, Mizeraczyk J, Mizuno A. EHD flow measured by 3D PIV in a narrow electrostatic precipitator with longitudinal-to-flow wire electrode and smooth or flocking grounded plane electrode. Journal of Electrostatics. 2007;65:728–734.
[3] Podlinski J, Niewulis A, Mizeraczyk J. Electrohydrodynamic flow and particle collection efficiency of a spike-plate type electrostatic precipitator. Journal of Electrostatics. 2009;67:99–104.
[4] Podlinski J, Niewulis A, Shapova V, Mizeraczyk J. Electrohydrodynamic flow and particle collection efficiency in a one-sided spike-plate type electrostatic precipitator. In: 7th Conference of the French Society of Electrostatics (SFE 2010); 2010 Aug–Sep; Montpellier, France.
[5] Kim JH, Lee HS, Kim HH, Ogata A. Electrospray with electrostatic precipitator enhances fine particles collection efficiency. Journal of Electrostatics. 2010;68:305–310.
[6] Talaie MR. Mathematical modeling of wire-duct single-stage electrostatic precipitators. Journal of Hazardous Materials. 2005;B124:44–52.
[7] Lei H, Wang LZ, Wu ZN. EHD turbulent flow and Monte-Carlo simulation for particle charging and tracing in a wire-plate electrostatic precipitator. Journal of Electrostatics. 2008;66:130–141.
[8] Brocilo D, Podlinski J, Chang JS, Mizeraczyk J, Findlay RD. Electrode geometry effects on the collection efficiency of submicron and ultra fine dust particles in spike-plate electrostatic precipitators. Journal of Physics: Conference Series. 2008;142(1):1–6.
[9] Neimarlija N, Demirdzic I, Muzaferija S. Finite volume method for calculation of electrostatic fields in electrostatic precipitators. Journal of Electrostatics. 2009;67:37–47.
[10] Farnoosh N, Adamiak K, Castle GSP. 3-D numerical analysis of EHD turbulent flow and mono-disperse charged particle transport and collection in a wire-plate ESP. Journal of Electrostatics. 2010;68(6):513–522.
[11] Farnoosh N, Adamiak K, Castle GSP. 3-D numerical simulation of particle concentration effect on a single-wire ESP performance for collecting poly-dispersed particles. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2011;18(1):211–220.
[12] Long Z, Yao Q. Evaluation of various particle charging models for simulating particle dynamics in electrostatic precipitators. Journal of Aerosol Science. 2010;41:702–718.

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/