船用柴油机颗粒物治理：静电除尘器正在成为新变量

基于神户大学Maritime Science团队实验研究的技术趋势解读

关键词
marine diesel particulate matter, electrostatic precipitator, Soluble Organic Fraction, Dry Soot, particle migration velocity, 船舶烟气治理, IMO排放标准

在港口和近海控制区排放标准持续趋严的背景下，船用柴油机排放的颗粒物（PM）正成为海事减排的焦点之一。与陆上电厂和水泥行业类似，如何在有限背压、有限空间和相对较低能耗约束下，高效控制船舶柴油机颗粒物，是当前船舶烟气治理技术的热点。近期，ICESP X（Australia 2006）会议上，神户大学Maritime Science 研究团队 I Made Ariana、Nishida O、Fujita H、Harano W 和 Fujio M 发表的一篇实验研究，对“船用柴油颗粒物静电除尘（ESP）去除效果”进行了系统量化，为海事应用场景下静电除尘器的工程化提供了颇具参考价值的基础数据。

研究以一台YANMAR 单缸四冲程直喷式柴油机为试验平台，使用A重油（Marine Diesel Oil）作为燃料，转速保持在2200 rpm，通过控制发动机负荷和排气温度，系统考察了静电除尘器对船用柴油机颗粒物浓度、SOF/DS组成、粒径分布以及迁移速度等关键参数的影响。与目前行业中常见的船用DPF、湿式洗涤塔及非热等离子技术相比，这项研究重点验证了传统线板式ESP在海事复杂工况下的适应性和边界条件，具有较强的工程风向标意义。

实验系统采用单级线板式静电除尘器，上下游分别布置在柴油机排气歧管之后以及冷却器之后的烟道，全系统设置三个采样点：发动机排气歧管、ESP入口和ESP出口。在ESP部分，两块并行铝板作为集尘极，极板间距100 mm，尺寸约为300 mm 高、200 mm 宽，板材厚度0.5 mm；放电极为直径0.5 mm 的铝丝，沿气流方向横向布置三根，间距100 mm，并在中心位置增加一根纵向布置的电晕线，以20 kV 直流高压供电，典型电流约0.5 mA。这类结构与当前工业领域广泛采用的干式线板ESP高度相似，便于未来在船舶主机或辅机排气管路中模块化集成。

为了研究排气温度对颗粒物冷凝、聚并以及ESP捕集性能的影响，试验在ESP前端配置了排气冷却器，将排气温度控制在约150℃、200℃和300℃等不同水平。研究表明，排气温度不仅决定颗粒物的总体质量浓度，还显著影响SOF和DS的相对比例以及粒径分布。温度降低时，原本处于气相的挥发性有机物会发生成核和冷凝，促使颗粒物质量浓度上升，并加快颗粒间的凝并聚集过程，形成更大的颗粒团聚体。这一现象与已有关于柴油机排气冷却影响颗粒特性的研究结果基本一致[4]。

在采样与分析方法上，研究团队采用玻纤滤纸或复合滤纸收集颗粒物，先后称重以获得总质量浓度，在恒温恒湿条件下进行质量比对，以提高结果的稳定性。随后利用二氯甲烷对滤膜进行抽提，将可溶有机组分（Soluble Organic Fraction，SOF）与干性炭烟（Dry Soot，DS）分离，并通过扫描电镜（SEM）测定颗粒团聚体的粒径及分布。这一组合分析方法与汽车柴油机颗粒物研究中的主流做法高度一致[1–3,12]，便于与陆源排放控制技术进行横向比较。

从机理角度，作者基于经典ESP理论，从带电量、迁移速度和气流停留时间出发，给出了颗粒荷电量q、迁移速度w和出口浓度N随气体温度变化的关系。气体温度降低会使离子热速度和颗粒荷电量略有下降，但黏度下降更为显著，因此整体上颗粒迁移速度w提高，ESP收集效率η按指数规律提升。另一方面，排气冷却会显著提高入口颗粒物浓度，二者共同作用决定了ESP出口浓度：

一是高温时入口颗粒质量浓度较低，但气体黏度偏高，迁移速度相对较低，整体效率虽高，但绝对捕集质量有限；
二是中温（约200℃）时往往出现一个“效率谷”，既没有充分冷凝形成大颗粒，也未能在迁移速度上获得黏度下降的充分优势；
三是低温（约150℃）时，入口浓度显著提升，颗粒团聚体尺寸增大，尽管荷电量略有下降，但由于黏度降低和粒径增大，迁移速度提升更为明显，整体捕集效率反而提高。

实验结果表明，在约80%发动机负荷和300℃排气温度条件下，线板式静电除尘器对船用柴油机颗粒物的总质量去除率可达约85%，ESP出口颗粒物质量浓度最低可降至约18.4 mg/m³N。对于更低负荷工况，尽管入口浓度较小，ESP仍能维持较高去除率。但从综合曲线可以看出，约200℃附近往往是ESP性能的“低谷区”，这与水泥和烧结烟气ESP在中温段效率下降的经验观察具有一定相似性[9–10]，提示船用排气余热管理与颗粒治理之间存在温度耦合优化空间。

在颗粒组成方面，SOF和DS的去除表现存在显著差异。SOF由未燃尽燃料、润滑油及其部分氧化产物构成，含有醛、烷烃、烯烃、脂肪族和多环芳烃以及其衍生物等[12]，整体电阻率低于以碳、硫酸盐及金属为主的DS。低电阻率有利于颗粒在电场中的极化和荷电，使其在电场力驱动下更易迁移至集尘极并黏附。同时，SOF具有一定黏性，使得团聚体与极板表面间的范德华力和黏附作用增强。因此，在60%负荷、300℃工况下，ESP对SOF的去除率可达约95%，而对DS的去除率约为80%。这一结果对于关心PAHs和有机毒性物质的港口监管机构和船东具有现实意义：静电除尘器不仅能削减总颗粒物，还对可溶有机组分有更显著的削减效果，有望配合燃油品质优化显著降低健康风险[5–6,12]。

在粒径控制方面，排气冷却使得颗粒团聚体平均直径增大，ESP作用后，出口侧团聚体平均粒径相比入口侧可下降约10%左右，粒径分布曲线整体向小粒径方向偏移。统计结果显示，直径小于160 nm 的颗粒数量比例增加，而大于160 nm 的颗粒比例相应下降。这表明在给定结构和电场条件下，ESP对较大团聚体的捕集效率更高，剩余逃逸的多为亚微米甚至纳米级颗粒。这一特征与电厂和钢铁行业静电除尘运行经验相符：大颗粒更易荷电和迁移，小颗粒则需要更高电场强度或更长比集尘面积来保证高效率捕集。这对未来船用ESP与其他末端技术（如湿式洗涤塔、海水电解、非热等离子或壁流式DPF）的组合优化提出了方向——可用ESP先行削减大部分质量和SOF，再由高效率细颗粒控制技术“补刀”超细颗粒。

为了与其他工业领域进行对标，研究还引入了比集尘面积（Specific Collection Area，SCA）概念，即极板表面积与烟气体积流量的比值。该试验系统的典型SCA约为7.6 m²/1000 m³N/h，并通过改变烟气流量考察了不同SCA下的颗粒去除效果。结合经典Deutsch–Anderson公式和实测效率反算，船用柴油颗粒物在ESP中的特征迁移速度约为9.5 cm/s（75%负荷，400℃排气条件），明显高于许多传统工况下粉尘的平均迁移速度，例如部分造纸厂和冶炼烟气中典型值往往在6–9 cm/s区间[13]。这一结果意味着，在合理的气流组织和电场设计下，船用柴油机颗粒物完全可以通过ESP实现较高水平的质量控制，在工程设计上具备收敛空间，而并非“先天不适用”。

对于长期运行问题，研究通过6小时连续运行试验考察了放电极积灰对电场强度及效率的影响。在约400℃排气温度下，放电线表面积灰对静电场的扰动并不明显，ESP效率随时间变化不大；但在150℃低温条件下，5小时后可观察到电场强度和除尘效率出现一定程度下降。这一差异与低温下SOF冷凝增加、颗粒更易黏附在放电线表面相关。作者指出，工程上通过定期机械振打或声波清灰仍可有效恢复电晕线性能，因此并不构成对ESP海事应用的根本性阻碍，但在系统设计上需要充分考虑冷端布置时的放电极清灰策略与维护周期。

综合来看，这项来自日本神户大学Maritime Science团队的研究，从实验层面验证了单级线板式静电除尘器在船用柴油机颗粒物控制中的可行性：在20 kV 直流电场条件下，船用柴油颗粒物的特征迁移速度处于工业可接受范围之内，比集尘面积适度放大即可在不产生明显背压的情况下获得80%以上的质量效率；同时，ESP对SOF的高去除率和对团聚体粒径分布的塑形效应，为后续多段组合工艺（如“ESP + 湿式洗涤塔/海水电解/非热等离子”等）提供了有利前提。更重要的是，研究提示了“排气温度–颗粒特性–ESP效率”之间的耦合关系：

若重点目标是控制总质量与SOF，可通过适度冷却获得较高入口浓度和粒径，并与较低黏度带来的高迁移速度协同放大ESP效果；
若系统受制于冷凝水、腐蚀和低温积灰，可选择较高排气温度运行ESP，以换取更稳定的电场和较低的维护负荷，并通过前端燃烧优化或后端组合技术弥补效率损失。

在全球IMO排放法规和区域排放控制区（ECA）进一步收紧的大趋势下，静电除尘器从传统的陆源粉尘控制技术，正逐步向船舶烟气治理领域延伸。如何在有限机舱空间内实现高比集尘面积布局，如何与脱硫洗涤塔、SCR脱硝以及新燃料路线（低硫燃油、LNG、甲醇、氨燃料等）协同，都是未来几年海事环保工程值得重点关注的技术方向。从这个意义上看，这篇基于船用柴油机实机试验的ESP研究，不仅提供了一组关键设计参数，更为行业打开了一扇“传统技术重新组合应用于新场景”的窗口。

参考文献
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[13] Theodore L., Buonicore A.J. Industrial Air Pollution Control Equipment for Particulates. CRC Press, Cleveland, 1976.

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