双极荷电团聚技术：为静电除尘器破解亚微米颗粒难题

基于介质阻挡放电（DBD）的颗粒双极荷电与团聚强化ESP性能——波兰科学院与日本大分大学联合研究解读

关键词
electrostatic precipitator, bipolar-charged particles, dielectric barrier discharge, particle agglomeration, industrial flue gas cleaning, PM2.5 control

在燃煤电厂、水泥窑尾、垃圾焚烧及冶金烟气治理领域，静电除尘器（ESP）依然是主流的工业烟气除尘技术之一。然而，一个被工程界长期关注的技术短板始终存在：对于亚微米级细颗粒物的捕集效率普遍偏低。其根本原因在于，这类粒径极小的颗粒难以在常规电晕电场中累积足够电荷，从而难以被有效驱动至收尘极板。这一问题直接关系到超低排放、PM2.5 控制以及后续深度治理工艺的负荷分配，因此围绕“亚微米颗粒”“ESP提效”的技术创新，一直是工业烟气治理与静电除尘技术的研发热点。

近期，波兰科学院流体机械研究所（Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences）与日本大分大学（Oita University）在一项联合研究中，围绕“bipolar-charged particles（双极荷电颗粒）”提出了一种思路清晰且具有工程指向性的解决路径：通过介质阻挡放电（DBD）区域对气溶胶颗粒进行双极荷电，利用静电作用促进颗粒团聚，将原本难以捕集的亚微米颗粒“长大”成更易被ESP捕集的粗颗粒，从而整体提升静电除尘器的过滤效率[1]。这一研究由 M. Tański、M. Kocik（报告作者）、R. Barbucha 和 S. Kanazawa 等学者完成，工作聚焦于 ESP 基础机理及其应用，为后续工程化的高效除尘系统设计提供了具有参考价值的实验依据。

研究团队构建了一套紧凑的实验装置：在一段带有表面介质阻挡放电（Surface DBD）执行器的通风测量腔体内，通过风机强制送风，使含尘气流穿过 DBD 等离子体区域，再进入静电场收集区。为了模拟工业烟气中无机颗粒特性，实验选用氧化镁（MgO）粉体为颗粒源，利用 Topas SAG 410 气溶胶发生器制备稳定的空气悬浮颗粒，并从腔体入口均匀引入。为了量化静电除尘与颗粒团聚效果，研究中采用了两类互补的诊断手段：一是基于可视化成像的粒子跟踪（Particle Tracking）方法，用于观察带电颗粒在电场中的运动轨迹及瞬时速度矢量；二是配置于 DBD 执行器下游的 Topas LAP 322 粒径谱仪，用于测量颗粒粒径分布和数量浓度随放电条件变化的响应情况。此外，为更贴近工程应用场景，课题组还引入了粒子图像测速（PIV）和计算流体力学（CFD）模拟，对 ESP 内部气流组织和流场优化方案进行了系统分析。

在静电除尘器的基础机理层面，传统理解往往默认大部分粉尘颗粒在电晕放电区获得同号电荷，其运动方向与电场矢量大体一致。而本项研究通过粒子跟踪清晰地给出了不同的画面：当含尘气流通过 DBD 区域后，颗粒所获得的电荷呈明显的“双极性”特征。一部分颗粒按照电场方向运动，另一部分则沿与电场矢量相反的方向迁移，轨迹交错，清楚表明气溶胶在 DBD 区域内同时产生了正、负两种荷电颗粒。这种 bipolar-charged particles 的存在，是后续团聚机理得以成立的关键条件。异号带电颗粒之间的静电吸引，使原本微小而分散的亚微米颗粒发生碰撞、黏附并逐渐团聚，形成粒径更大的“二次颗粒团”。

为了定量刻画这一团聚效应，研究团队对不同放电电压条件下的颗粒粒径分布进行了系统测试。实验结果表明，当提高 DBD 放电电压（频率约为 1 kHz，气流速度约 0.5 m/s）时，下游测得的颗粒数量浓度明显下降，整体计数减少，表明有较大比例的颗粒被有效捕获或团聚后沉降。同时，粒径分布曲线的峰值位置发生了可辨识的变化：在某些条件下，小粒径部分的数量相对降低、更大粒径区间的比例上升，这与双极荷电促进的颗粒团聚行为高度吻合。换言之，DBD 不仅仅在功能上充当了一个“预荷电器”，更是在微观层面上重构了颗粒群体的结构，使亚微米颗粒向易捕集的大颗粒转化，为后续 ESP 收集极板提供了更“友好”的目标。

在装置整体性能方面，研究团队将重心放在 DBD-ESP 一体化系统的综合过滤效率上，并考察了电压和气量这两个关键工况参数的影响。结果显示，在适当配置下，这种基于 DBD 的静电除尘器在 63 L/min 的气量下可获得约 77% 的总质量过滤效率，最佳运行电压区间集中在 18–20 kV。对于采用氧化镁粉尘模拟的气溶胶体系而言，这一效率水平在单级、小尺寸装置条件下具有较好的代表性，证明了“双极荷电 + 团聚 + ESP 捕集”这一组合路径的方向是可行的。更重要的是，该研究揭示了电压既影响放电强度和荷电能力，又深刻改变颗粒团聚程度和下游粒径分布，在工程设计中应避免单纯“追求高电压”，而需要在团聚效率、电能消耗、臭氧生成和设备绝缘裕度之间取得平衡。

除了电场与颗粒本身的相互作用，气流组织对 DBD-ESP 系统的性能也起着决定性作用。课题组利用 PIV 实验与 CFD 数值模拟对 ESP 内部流场结构进行了细致分析，并据此优化了流动导向结构。研究发现，若不加控制，部分气流会绕开 DBD 等离子区域或在电极间产生短路流、回流区，导致有效处理气量下降和局部捕集效率不足。而通过增设专门设计的导流构件，将主流气流“压缩”至紧贴 DBD 区域并在收尘极板之间均匀分布，不仅增强了颗粒在等离子体区的停留时间和荷电机会，也提高了整个截面的电场利用率。PIV 测得的流线与速度矢量，以及 CFD 给出的速度场和颗粒轨迹，都表明合理的导流设计可以显著提升 DBD-ESP 的综合过滤性能，这一点对实际工程中 ESP 内部整流板、导流罩和极板布置的优化具有明确借鉴意义。

综合来看，这项关于 bipolar-charged particles 团聚机理的实验工作为 ESP 基础理论增加了一个重要维度：在介质阻挡放电等离子体环境下，细颗粒不再只是“被动荷电”的客体，而是通过双极荷电、相互吸引与团聚，参与构建新的颗粒群体结构。这一过程直接服务于亚微米颗粒的控制诉求，为以 DBD 为核心的预荷电—团聚模块与传统静电除尘器、袋式除尘器乃至湿式静电除尘器（WESP）的耦合提供了理论支撑。对于追求超低排放和颗粒物深度治理的燃煤电厂、垃圾焚烧厂、水泥和钢铁企业而言，这类新型 DBD-ESP 组合工艺未来有望在既有系统改造和新建高效除尘装置中发挥更大作用。

需要指出的是，该研究属于典型的实验室规模验证，尚未完全覆盖高粉尘负荷、复杂成分、多相反应等复杂工况下的行为。如何在工程放大过程中保持双极荷电与团聚效应的稳定性，如何在满足工业烟气流量、温度和腐蚀要求的前提下实现 DBD 装置的长期可靠运行，仍有待后续应用研究与示范项目加以验证。但从当前结果看，利用 DBD 生成 bipolar-charged particles 并强化颗粒团聚，无疑为传统静电除尘技术在亚微米颗粒治理领域打开了一扇新的工艺窗口，也为工业烟气治理行业提供了一个极具潜力的技术发展方向。

Keywords: electrostatic precipitator; bipolar-charged particles; dielectric barrier discharge; particle agglomeration; industrial flue gas cleaning; PM2.5 control

References:
[1] M. Tański, M. Kocik, R. Barbucha, S. Kanazawa. Agglomeration of bipolar-charged particles. Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences, Poland; Oita University, Japan. ESP fundamentals and applications, conference paper.

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参考文献
[1] M. Tański, M. Kocik, R. Barbucha, S. Kanazawa. Agglomeration of bipolar-charged particles. Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences, Poland; Oita University, Japan. ESP fundamentals and applications, conference paper.