用交流静电凝聚突破PM2.5治理瓶颈

基于波兰科学院与RAFAKO的AC充电/凝聚一体化ESP半工业验证

关键词
Electrostatic precipitation, submicron particles, particles agglomeration, PM removal, PM2.5, 烟气超低排放

在燃煤电厂和各类高温烟气治理工程中，静电除尘器（ESP）早已是标配技术，但一个“老问题”始终悬而未决：亚微米颗粒（尤其是0.1–1 μm段）收集效率偏低。这一粒径范围内的细颗粒物电荷量有限，所受静电力不足以战胜气流拖曳力，而布朗扩散和各种“phoretic”力又不够强，难以促成与大颗粒的有效碰撞凝聚，最终导致PM2.5甚至PM1穿透率偏高。这也是常规ESP在满足更严苛超低排放及PM2.5控制要求时的关键短板。

围绕这一行业痛点，波兰科学院流体机械研究所（Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences）与RAFAKO S.A. ESP事业部联合提出并验证了一种交流电场静电凝聚（electrostatic agglomeration）方案：将“高效充电”和“颗粒凝聚”集成在同一个AC充电/凝聚段内，之后再串接常规DC静电除尘器，实现对PM2.5的高效协同控制。这一研究由A. Krupa等人完成，并在ICESP 2016会议上详细发表。[1]

该方案的核心，是一套基于交变电场的充电-凝聚一体化电极结构。与传统多级静电凝聚装置将“正负极性充电—混合—DC/AC凝聚—静电捕集”分成两到三个物理单元不同，这套AC充电/凝聚器利用离子电流在交变电场中对颗粒实现高电荷量注入，同时通过电场驱动颗粒产生往复振荡，从而在同一空间内完成强化充电和碰撞凝聚，再将粒径放大的颗粒交由下游常规ESPs进行捕集。

在半工业规模试验平台上，研究团队搭建了一条约1 m宽、0.6 m高的钢制烟道，前端采用HEPA过滤与电加热系统，将载体气体温度控制在20–100 ℃范围内，由尾端引风机提供0–1 m/s可调气速。烟尘源选取的是燃煤电厂第三电场收集的飞灰，颗粒形貌以球形为主，体积分布中值粒径约1.5 μm，Sauter平均直径约3.3 μm，主要成分为Si、Al、K、Fe、Mg、Na及其氧化物，与当前国内以煤粉锅炉为主的ESP飞灰特性高度一致。

AC充电/凝聚段的电极布置别具特点：中部为由10根放电电极杆组成的放电阵列，每根电极杆两侧布置多个不锈钢放电针；其两侧对称布置2×2组平行栅极，栅极再外侧增设两组辅助栅极以保障电流对称分布。放电电极与各平行栅极间距均为125 mm，充电区位于中间两组栅极之间。交流高压通过双台36 kV变压器及整流/限流电路施加，使放电电极和栅极的极性在每个半周交替翻转。每个半周，带负电的放电电极向邻近接地栅极发射离子电流，电流随后穿过充电区流向对侧带正电的栅极，实现贯穿整个充电区的高强度离子电流场。

在这种交变电场条件下，颗粒首先通过离子轰击获得远高于传统直流充电器的电荷量；同时，由于极性周期反转，颗粒在电场中发生往复振荡运动，不再单向向收集极迁移沉积，而是在栅极之间“来回跑”。不同迁移率和粒径的颗粒在这种振荡轨迹下碰撞几率显著提高，从而形成亚微米颗粒向微米级“团聚”的静电凝聚过程，而整体捕集量在该段被控制在较低水平，仅少量颗粒沉积于电极表面。随后，凝聚放大的颗粒云进入下游常规DC静电除尘电场，由60 kV直流电源供电的放电极/集尘极系统完成最终捕集。

研究中，颗粒数浓度与粒径分布通过TOPAS LAP 322气溶胶粒径谱仪，以1:100稀释比在烟道出口进行在线监测。实验条件下，未加电时总数浓度在10000–14000 #/cm³之间。开启18 kV交流高压后，出口颗粒总数显著下降到8000 #/cm³以下，同时体积分布的最大粒径从约3.7 μm扩展至约4.5 μm，表明系统并非单纯“捕集”，而是有效促成了颗粒间的凝聚长大。

进一步的穿透率测试表明，在0.8 m/s气速、20 kVAC供电条件下，约60–70%的颗粒通过AC充电/凝聚段进入后级ESP。这印证了该段的主功能是“高效充电+振荡凝聚”，而不是将大量粉尘直接沉积在栅极上，从而兼顾了凝聚效率与运行可维护性。对于关注长期在线稳定性的工程用户来说，这一点意义重大——减少前级电极积灰与掉灰负荷，有利于维持电场均匀性与运行可靠性。

在完整AC凝聚+DC ESP两级系统下，研究团队测算了不同粒径段的分级收集效率。在0.5 m/s气速条件下，整体对PM2.5（特别是1–2.5 μm区间）的数浓度去除效率超过90%，质量效率达到95%以上，对于1–10 μm颗粒的分级质量收集率最高可达约95%。对于PM1段，虽然数效率仍明显提升，但会略低于90%，体现了超细颗粒在有限停留时间内凝聚与捕集的物理极限。这一数据区间，对当前国内电力、钢铁、水泥等行业的超低排放改造及“深度除尘+PM2.5控制”项目具有直接参考价值。

从机理角度看，交流静电凝聚的优势主要体现在三个方面：其一，通过交变电场驱动下的高频离子电流和多次充电，颗粒携带电荷量显著高于同级别DC充电器，增强后级ESP的库仑力捕集能力；其二，栅极间的往复振荡轨迹使得不同尺寸、不同荷电状态的颗粒之间碰撞概率大幅增加，为亚微米颗粒向微米级团聚创造条件，从根本上改善ESP在0.1–1 μm“效率谷”的结构性问题；其三，由于电场作用方向周期反转，颗粒不会快速迁移至极板沉积，AC段本身保持“低捕集、高凝聚”的功能定位，有助于长期运行的电场稳定和电极清灰管理。

对于正在规划或评估ESP提效改造的业主和设计单位而言，这项研究提供了一种值得关注的技术路径：在现有静电除尘器前端增设一体化AC充电/凝聚模块，以较小的结构改动显著抬升PM2.5和PM1的控制水平，特别是在高灰负荷、严格排放限值和空间受限的改造场景下，这种“前端精细调理+后端高效捕集”的复合方案具有较高的工程吸引力。当然，从半工业试验到全尺寸工业应用，还需要进一步在高粉尘浓度、复杂烟气成分及多工况波动条件下验证设备的长期可靠性、电极耐久性和电耗水平。

总体来看，波兰科学院与RAFAKO的这项AC静电凝聚研究为传统ESP应对PM2.5与超低排放挑战提供了新的技术选项。通过在同一AC电场中同时完成颗粒强化充电和振荡凝聚，再与成熟的DC ESP工艺串联，可以在不推翻既有除尘系统架构的前提下，针对性弥补“亚微米效率谷”的短板，这一思路对国内外燃煤电厂、垃圾焚烧、水泥窑尾及冶金烟气治理等领域具有重要的参考价值。

参考文献
[1] Krupa A, Jaworek A, Marchewicz A, Sobczyk AT, Czech T, Antes T, Śliwiński Ł, Ottawa A, Szudyga M. Submicron particles emission control by electrostatic agglomeration. ICESP 2016, Wrocław, Poland, 19–23 September 2016.
[2] White HJ. Electrostatic precipitator handbook. J. Air Poll. Control Assoc. 1974;24(4):314–338.
[3] Masuda S, Washizu M. Electrostatic precipitation and agglomeration of aerosol particles. J. Electrostatics. 1979;6(1):57–67.
[4] Jaworek A, Krupa A. AC electrostatic aerosol charger. J. Electrostatics. 1989;23:361–370.

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