从实验室小型ESP看居民锅炉颗粒物治理新方向

基于布达佩斯理工大学小尺度静电除尘器模型的出风口粉尘空间电荷测量研究解读

关键词
electrostatic precipitator (ESP), electric field, dust dispenser, 居民锅炉, 生物质燃烧

近年来，PM2.5、PM1.0 等细颗粒物排放对呼吸健康的影响已经被大量流行病学研究所证实[1–4]，无论是工业园区还是城市居民区，减排已成为环保监管与技术开发的共同焦点。在大中型燃煤与生物质锅炉领域，静电除尘器（Electrostatic Precipitator, ESP）已是成熟技术，但在 100 kW 以下的居民供暖、生物质小锅炉和壁炉市场，静电除尘应用仍处在起步阶段，行业内对“家用/小型 ESP 怎样做才经济、可维护、可靠”依然缺乏系统经验。

在这一背景下，匈牙利布达佩斯理工经济大学（Budapest University of Technology and Economics）的 László Székely 等人，在第 17 届国际静电除尘会议（ICESP 2024，京都）上发表了题为《Outgoing Dust Space Charge Measurement in a Laboratory-built Small-scale Electrostatic Precipitator Model》的研究。该工作围绕“小尺度静电除尘器出风口粉尘空间电荷测量”这一相对冷门但极具应用潜力的方向展开，对于未来利用电场传感（field mill）在线监测小型 ESP 运行状态、替代部分光学粉尘监测手段，具有现实启发意义。

作者首先回顾了居民及中小型生物质锅炉在欧洲排放结构中的地位：以捷克为例，300 kW 以下装置贡献了全国超过 30% 的颗粒物排放[5]，其他国家也有类似情况[6,7]。这类设备燃烧生物质时产生的粉尘以亚微米颗粒为主，典型粒径集中在 0.05–1 μm 区间[8–13]，与大型电站或工业炉窑常见的粗细颗粒谱有明显差异。针对这类排放，机械分离[14]、湿法烟气净化[15]、高效过滤[16]等路线都在探索中，而静电除尘因其压降低、能耗小，依然是值得重点关注的技术选项。

不过，传统工业 ESP 的体积大、结构复杂，需要外置控制系统和自动清灰机构，维护成本和对安装空间的要求都较高[17–19]。这些特性与户用或小型生物质锅炉“空间有限、用户不具备专业运维能力”的现实存在矛盾，这也是家用静电除尘器迟迟未大规模推广的重要原因。因此，如何在结构简化和传感监测手段上做文章，使小型 ESP 更贴合居民及中小企业应用场景，成为近年来的研究热点之一。

Castle 等早在 20 世纪 80 年代就提出，可以利用电场仪（field mill，旋转电极电场计）测量静电除尘器出风口的电场分布，进而反推除尘效率[20]。原理在于：如果 ESP 分离不充分，带电粉尘将随烟气排出，在出口空间形成可观的空间电荷，而电场仪可以对这种空间电荷引起的电场变化做出响应。不过，这类方法在小尺寸装置和低浓度工况下的灵敏度、定量精度，以及与粉尘实测浓度之间的可比性，一直缺少系统验证。

针对这一问题，Székely 团队设计并搭建了一套成本可控、结构简洁的实验室小型静电除尘器平台。其主体为一段内径约 24 cm、长度 1 m 的金属圆筒，构成典型的圆筒式 ESP 收集极，中部沿轴线布置一根直径 1.5 mm、长度 80 cm 的高压放电电极。上下两端各留出约 10 cm 的“无极区”，既便于安全接线，也降低了电晕对电场测量的直接干扰，同时避免粉尘在入口刚进入时即遇到强电场被吹扫出流场。

电极由直流高压电源供电，典型运行电压为 15 kV，通过 1/1000 电压分压器配合万用表进行监测。高压电极通过细长套管绝缘子居中支撑，壳体为接地圆筒。为了获取出风口带电粉尘的电荷量，研究人员在圆筒底部布置了一只导电托盘，并通过绝缘支撑与大地隔离，再使用电场仪在固定距离处监测该托盘的电位变化。

与直接用电场仪“扫空间电场”不同，该设计的关键在于：利用导电托盘作为“总电荷收集器”。来自电晕电极的电流以及随烟气落入托盘的带电粉尘，都会向托盘注入电荷，使其电位随时间上升；与此同时，通过绝缘支撑的微弱泄漏电流和周围空气电容，又会导致电荷缓慢释放、电位衰减。通过对这一充放电过程进行定量建模，就可以从电位变化曲线反算获得粉尘所携带的总电荷量。

为了实现受控、可重复的粉尘给料，团队使用 3D 打印技术制作了一台小型螺杆式粉末给料机。该装置包括粉仓、漏斗、输送螺杆以及由 Arduino 控制的双极步进电机[24]。通过调整步进电机的驱动周期（25 ms、40 ms、60 ms）并进行多次 15 分钟重复试验，研究人员测量了各工况下的平均给料量和离散度。结果显示，60 ms 步进周期对应的平均给料量约 47.92 mg/min，离散度较小，综合稳定性最佳，因此被选为后续静电除尘实验的标准给料工况。

实验中所用粉尘取自一台运行中的工业静电除尘器飞灰，粒径尚待进一步精确表征，但结合文献和经验推测，多数颗粒处于微米级范围，以场致充电为主[25,26]。这一粒径区间与居民及小型生物质锅炉排放的主导粒径相吻合，使得实验结果在工程应用上具有较好参考价值。

在典型 15 kV 直流电压工况下，研究团队通过称量粉末给料器和托盘在实验前后的质量，计算了粉尘投加量与托盘收集量，进而得到本试验条件下小型 ESP 的除尘效率约为 78%。考虑到这是未进行优化的实验室装置，这一效率水平对居民小锅炉等场景已经具有一定吸引力，也说明圆筒式结构在有限长度内具有可观的捕集潜力。

更值得关注的是电位测量与空间电荷定量的过程。通过电场仪和图形记录仪对托盘电位的时间变化进行记录，研究人员将整个过程划分为三个阶段：

第一阶段，从高压电源刚接通到首批带电粉尘抵达托盘之前，此时托盘仅通过电晕电流缓慢充电，电位单调上升；

第二阶段，粉尘开始连续落入，托盘电荷来源既包括电晕电流，又包括带电粉尘，电位上升速度明显加快，同时泄漏电流和空气电容引起的损失开始变得不可忽略；

第三阶段，停电并停止给尘后，外部充电过程终止，托盘只剩电荷缓慢泄放，电位呈指数衰减。

在第三阶段，托盘可视为简单的 RC 放电系统，电位随时间的变化可用 U(t)=U(0)e^{-t/T} 近似描述，其中 T 为时间常数。研究团队在电位已降至低于初始电晕起晕电压之后选取两个时间点，通过曲线拟合得到 T≈1068 s。再结合电容仪测得托盘对地电容约 14.8 pF，即可估算绝缘支撑路径的等效电阻 R≈7.2×10^13 Ω。

有了 RC 参数之后，就可以在第二阶段对“如果没有粉尘，仅靠电晕电流和泄漏电流，托盘电位应该如何变化”进行外推，再与真实测得的电位上升量对比，得到纯粹由带电粉尘贡献的那一部分电位增量。经分析，在 200 s 的给尘期间，托盘电位总增幅中有约 0.20 个仪表刻度可以归因于粉尘电荷。通过事先使用高阻计（Metrel TeraOhm）对电场仪进行标定，研究人员建立了托盘真实电压与电场仪读数之间的对应关系：当电场仪读数为 0.34、0.61、1.00、1.60 时，托盘电压分别约为 800、1450、2350、3800 V。由此可将 0.20 刻度换算为约 470 V 的电位差。

最后，利用 Q=CU 这一关系，即可求得粉尘所携带的总电荷量约为 6.6×10^-9 C。这个数量级充分表明，在小型静电除尘器出风口，即便粉尘质量流量不大，其空间电荷强度仍足以通过电场仪进行识别和定量。换言之，在结构和标定方法合适的前提下，利用电场仪对小型 ESP 的出风口电场进行实时监测，有望作为反映除尘效率变化、粉尘泄漏程度的一种在线手段。

需要指出的是，Székely 等人的工作仍处于方法学验证阶段，实验装置和工况相对理想化，尚未考虑真实炉膛工况下烟气温度、湿度、流场扰动以及烟尘性质波动等因素。但其意义在于：

第一，通过简单的导电托盘+绝缘支撑+电场仪组合，实现了对出风口粉尘电荷量的定量估算，为小型静电除尘器的空间电荷测量提供了可操作的实验方法；

第二，证明了在 70%–80% 这一中等效率水平下，仍可分辨电晕本底电荷与粉尘附加电荷，说明电场测量有潜力发展为小型 ESP 的在线性能诊断工具；

第三，为后续研究粉尘性质（粒径分布、电导率、介电特性）对空间电荷行为和电场响应的影响奠定了基础。这对于进一步优化家用静电除尘器的电极布置、控制策略以及在线监测方案具有现实指导意义。

作者在文末也提到，下一步计划将对粉尘粒径和物性进行更细致的表征，并在更多电压和工况下积累数据。对国内从事居民清洁供暖、生物质锅炉改造以及超低排放技术开发的工程师而言，此类小尺度、低成本的 ESP 试验方法和值得借鉴的空间电荷测量思路，不仅有助于加快家用静电除尘器产品化进程，也为探索“电场监测+智能控制”的新一代小型烟气治理系统提供了有力支撑。

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