纳秒脉冲静电除尘：负极性放电如何提升亚微米颗粒捕集效率

基于岩手大学等单位最新实验研究，解析脉冲极性对ESP能效与细颗粒物控制的影响

关键词
Applied electrostatics & non-thermal plasma, Plasma fundamental & diagnostics, 静电除尘器, 工业烟气治理, 纳秒脉冲放电, PM2.5控制

静电除尘器（Electrostatic Precipitator，ESP）在燃煤电厂、大型锅炉、垃圾焚烧、隧道通风以及家用空气净化器等领域已经应用数十年，是控制PM2.5及各类工业烟气颗粒物的核心装备 [1]。近几年，随着新冠疫情暴发和室内空气质量（IAQ）标准趋严，基于非热等离子体和纳秒脉冲放电的静电除尘技术重新成为行业热点。一方面，它被寄望于在超细颗粒物和气溶胶（包括携带细菌、病毒的飞沫核）控制方面取得突破；另一方面，业界也期待借助高效等离子体放电，实现除尘、杀菌与异味分解等多功能一体化的“新一代ESP”。

在这一背景下，日本岩手大学、Agri-innovation Center、神奈川工业大学与热能设备企业Rinnai Corporation合作开展的一项实验研究，对“纳秒脉冲放电极性对气溶胶捕集效率的影响”进行了系统量化。这项工作发表于第17届国际静电除尘会议（ICESP 2024，京都）论文集中，由Tasuku Hatakeyama、Riku Yamaguchi、Katsuyuki Takahashi 等人完成。研究聚焦一个看似细节、实则关系到整机能效优化的关键问题：在采用纳秒脉冲放电提升颗粒充电效率时，脉冲施加正极性还是负极性，更有利于提高ESP的除尘效率并降低能耗？

与传统直流电晕放电不同，纳秒脉冲放电能在极短时间内形成强电场和均匀的非热等离子体，提升粒子荷电效率，同时大量产生臭氧、活性氧/氮种等化学活性物种，用于气味控制和微生物灭活 [2–4]。但目前在工程设计中，关于极性选择、脉冲与DC叠加方式、电极几何结构等仍缺乏清晰的定量指导。Hatakeyama 团队通过紧凑型线板式电极实验平台，给出了具有工程参考价值的结果。

在实验装置方面，研究团队搭建了一套小型线—板式ESP系统：放电区采用直径0.1 mm、长度60 mm的不锈钢细线作为放电极，对面布置两块不锈钢集电板，极间距为9 mm；后端的电除尘区则采用多片平板电极布置，部分极板接地，部分极板施加与放电极相反极性的直流电压，模拟工程中典型的多极板集尘结构。气体介质为按8:2体积比配比的氮气与氧气混合气，以1.0 m/s的气速输送通过装置。

为了模拟实际工况中的不同颗粒物类型，实验分别使用三类颗粒作为“粉尘”对象：一是自来水经雾化器（Omron NE-U780）产生的水雾气溶胶；二是电导率更低的纯水气溶胶；三是碳黑颗粒（由PALAS GFG-1000碳粒发生器产生，经VKL-10稀释）。下游粒子数由粒子计数仪（Rion KC-01E）测量，统计0.3–5 μm范围内颗粒，根据带电与未带电工况的颗粒数差异计算收集效率。测试结果显示，实验中超过90%的水雾颗粒直径集中在0.3–0.5 μm，这与工业烟气中难捕集的亚微米颗粒特征高度一致，因此对PM2.5控制及室内空气净化具有重要参考价值。

在电源配置上，研究采用了基于碳化硅（SiC）MOSFET的电感储能（Inductive Energy Storage，IES）纳秒脉冲电源。SiC MOSFET先在2 μs的导通时间内向变压器初级线圈充能，关断瞬间在次级侧释放高压短脉冲，峰值脉冲电压11 kV，重复频率1 kpps。通过改变外接电容C，可以在脉冲波形上叠加不同幅值的直流偏置成分（0–6 kV），即在纳秒脉冲的基础上建立一个稳定的DC电场。集尘区的极板则由独立的正/负极性DC高压电源供电，电压约2 kV。通过这种配置，研究可以系统比较：仅施加DC、施加纳秒脉冲电压、以及叠加不同DC分量的脉冲电压等多种工作模式，并分别考察正极性与负极性的差异。

在Tap水气溶胶作为被收集对象时，结果表明：无论放电极施加的是纯DC电压，还是叠加DC分量的纳秒脉冲电压，只要采用负极性放电，其收集效率均显著高于同等幅值下的正极性放电；同时，在达到相似或更高收集效率的条件下，负极性放电的放电能量消耗（以单脉冲能量计）明显低于正极性。这一结论与传统工业ESP“负极性运行更稳定、能耗更优”的工程经验高度契合，但在纳秒脉冲等离子体条件下通过定量实验得到验证，对新型高频ESP设计具有重要意义。

进一步分析DC分量的影响可以发现，随着叠加在脉冲上的DC电压从0增加到6 kV，收集效率稳步提升，而单个脉冲的放电能量变化不大。这说明，DC分量的主要作用在于提供持续的静电场，增强粒子通过场致荷电机制获取电荷，从而提高进入集尘区时的粒子带电量；而纳秒脉冲则主要负责在极短时间内触发强电晕或流注放电，快速为大量粒子“种子”荷电。值得注意的是，在自来水气溶胶条件下，当脉冲峰值11 kV并叠加6 kV DC分量时，其总体收集效率反而略低于单独施加6 kV DC电压的情况。这意味着纳秒流注的强瞬态电场可能对导电液滴产生形变、破碎或二次飞散效应，从而削弱了部分收集效果，也为工程上“如何在既有ESP上叠加脉冲电源而不过度扰动气溶胶形态”提供了警示。

为了分离颗粒物电导率与形态稳定性的影响，作者又选用电导率更低的纯水气溶胶及形态更稳定的碳黑颗粒作为对比对象。结果显示：在纯水气溶胶条件下，负极性脉冲的收集效率始终不低于等幅值DC电压，且随DC分量升高而持续提升，不再出现“脉冲+DC略逊于纯DC”的情况；在碳黑颗粒条件下，尤其是负极性运行时，叠加纳秒脉冲的工况在全电压范围内均不低于单独DC工况。结合三类颗粒的表现可以推断：当被捕集对象电导率较低或形态较为刚性时，纳秒脉冲流注提供的高瞬态电场对颗粒形态扰动有限，反而通过增强粒子荷电和提高电场强度，实现对亚微米颗粒更优的捕集效果。这一趋势对燃煤烟气中富碳细颗粒、焚烧烟气颗粒以及部分非水溶性工业粉尘具有较强的工程可比性。

从非热等离子体机理角度看，负极性线极在纳秒脉冲驱动下更易形成向集电板方向发展的电子主导型流注，具有更高的电子密度和更有利的电场分布；同时，正极性运行通常伴随更明显的离子轰击与局部放电能量聚集，导致单位收集效率对应的能量消耗更高。实验中“负极性放电：更高收集效率 + 更低单脉冲能量”的结果，可以看作是这些微观过程在宏观能效上的直接投射。

对工业烟气治理和空气净化行业而言，这项研究至少释放出三方面的风向信号：其一，在设计基于纳秒脉冲的高效ESP系统时，仍应优先考虑负极性运行，并在控制系统中为脉冲与DC电压的联合调节预留空间，以利于在不同粉尘特性下优化能效比；其二，对于高导电液滴类气溶胶（如部分湿法洗涤后残余雾滴、有机喷雾废气等），需重点评估强流注放电可能引发的液滴破碎与二次悬浮风险，必要时在流场组织、极距或脉冲参数上做针对性优化；其三，在室内空气净化、农业保鲜和生物气溶胶控制领域，结合纳秒脉冲ESP与臭氧/活性物种灭活功能的“一机多能”方案仍值得深入探索和产品化 [1,2]，但应在能耗、臭氧排放和设备安全性之间找到工程上的最佳平衡点。

总体而言，Hatakeyama 等人的工作在一个看似“基础”的参数——脉冲极性——上给出了定量且具普适性的结论：在纳秒脉冲静电除尘系统中，选择负极性放电不仅可以获得更高的亚微米气溶胶捕集效率，还能在相同收集水平下降低能量消耗。这一结论为下一代高效、低碳的非热等离子体ESP设计提供了明确方向，也为传统ESP向脉冲增强型升级改造提供了有力的技术依据。

参考文献
[1] Nishimura J., Takahashi K., Takaki K., Koide S., Suga M., Orikasa T., Teramoto Y., Uchino T. Removal of ethylene and by-product using dielectric barrier discharge with Ag nanoparticle-loaded zeolite for keeping freshness of fruits and vegetables. Transactions of the Materials Research Society of Japan, 2016, 41(1): 41–45.
[2] Takaki K., Takahashi K., Hayashi N., Wang D., Ohshima T. Pulsed power applications for agriculture and food processing. Reviews of Modern Plasma Physics, 2021, 5: 12.
[3] Takahashi K., Saito R., Onodera T., Takaki K., Kitai H., Sakamoto K. Development of compact inductive energy storage pulsed power generator driven by 13 kV SiC-MOSFET. Review of Scientific Instruments, 2021, 92: 064706.
[4] Nagata Y., Wang D., Namihira T. Streamer head observation in a wire-plate electrode with varied wire electrode diameters. International Journal of Plasma Environment Science & Technology, 2018, 12(1): 22–29.

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