柴油机烟尘静电除尘器优化：从再飞扬到高效捕集

基于日本金泽川工业技术学院与东京城市大学团队的柴油颗粒物ESP电极结构实验研究解读

关键词
electrostatic precipitator, diesel particulate, re-entrainment, one-stage ESP, two-stage ESP, 静电除尘器, 柴油颗粒物, 船舶排放, 隧道通风

电除尘器（Electrostatic Precipitator, ESP）在燃煤电站、水泥、钢铁以及隧道通风等领域早已是成熟装备，但在柴油机特别是船舶主机、应急发电机等低电阻率烟尘工况下，却持续面临一个“老问题”——颗粒物再飞扬（re-entrainment）导致的效率衰减。低比电阻柴油颗粒物在静电场中容易带上感应电荷，当静电排斥力和电流体剪切力超过颗粒与极板之间的粘附力时，原本已经被捕集到极板上的颗粒会再次从极板表面脱落进入气流，不仅拉低静电除尘效率，还会对隧道能见度、地下车库空气质量以及船舶排放达标带来挑战[1-3]。针对这一行业痛点，日本 Kanagawa Institute of Technology（金泽川工业技术学院）、Tokyo City University（东京城市大学）以及 Fuji Electric Systems（富士电机系统）合作开展了一项系统研究，聚焦柴油烟尘在一电场ESP与两电场ESP中的捕集与再飞扬机理，核心问题是：通过优化电极结构，能否在高粉尘负荷、高温燃气条件下稳定抑制再飞扬、提升柴油颗粒物治理效果？

研究对象为一台199 cc单缸直喷式小型柴油发电机，标称转速3000 rpm，最大电功率输出1.7 kW。通过改变发电机负荷在30%、60%、90%三档运行，模拟不同工况下的柴油机排放状态，实现从1.5 mg/m³到约85 mg/m³的质量浓度范围，以此形成典型的“高粉尘负荷 + 高温烟气”工况。排气温度控制在130–200 ℃，静电除尘器内气速约1.3 m/s，这一工艺窗口对工业用户而言颇具代表性，可类比于船舶低速/中速柴油机、港口岸电发电机组及部分非道路移动机械排放处理系统。为掌握粒径区间较宽的柴油颗粒物分布与静电除尘效率变化，研究团队采用了行业内通行的“SMPS + 粒子计数器”组合测试路径：20–300 nm区间使用TSI 3080扫描迁移率粒径谱仪（SMPS）测量数浓度分布，300–5000 nm则使用RION KC01-E粒子计数器。为便于后续分析再飞扬颗粒的形貌特征，在极板特定位置贴附铝箔，采样后通过扫描电子显微镜（SEM）观察颗粒在典型电极区域的形态与堆积状态。整体过滤效率按上下游颗粒数浓度Nu、Nd计算，η = 100×(1−Nd/Nu)。

在进入电除尘器结构分析前，该团队首先给出了不同发动机负荷下的颗粒物粒径分布特征。结果表明，随发动机负荷从30%提升到90%，柴油烟尘的粒子数浓度峰值由约70 nm逐步向更大粒径方向偏移，且总体数浓度与质量浓度均显著上升。这种“负荷越高，颗粒越粗、浓度越高”的趋势，与当前柴油机后处理行业在DPF、ESP联用设计时的经验判断基本吻合。不仅如此，当以质量浓度分布来观察时，质量分布峰值整体落在更大粒径区，这意味着对于静电除尘器这种以电荷迁移与电场驱动为基础的设备，大粒径段的控制质量占比较高，而再飞扬问题若不能妥善解决，将主要体现在粗粒段的“反向穿透”。

在一电场ESP结构中，研究采用了典型板线式布置：接地板极与锯齿形放电极相间布置，板极间距9 mm，放电极长度130 mm，板极有效长度则设定为150 mm、300 mm和450 mm三档。高压电源为−7.5 kV直流。可以理解为，这是烟气净化行业常见的紧凑型小通道ESP缩比原型，适用于船用柴油机、分布式发电和地下停车场排风除尘等中小风量场景。试验结果显示，在发动机90%高负荷条件下，一电场ESP对20–300 nm细颗粒的收集效率基本可达到或超过90%，说明在强电场和相对较短极板长度条件下，纳米级及亚微米颗粒仍能够被高效荷电与迁移捕集。然而在300–5000 nm粒径区段，150 mm短极板的收集效率随粒径增大明显下滑，当粒径大于约2000 nm时甚至出现“负效率”现象，即下游测得的粒子数浓度高于上游，这是一种典型的再飞扬信号。随着极板长度从150 mm增加至300 mm和450 mm，中粗粒段（300–5000 nm）收集效率显著改善，负效率消失并转为正值，说明延长电场作用与沉积分离路径有助于抑制再飞扬。

为了理解这种“长度效应”的本质，团队对不同电极位置的颗粒形貌进行了SEM观察。在锯齿放电极正下方的极板区域，颗粒表现为被电晕压力压实后的致密团聚体，多呈近球形聚集状态，这类结构与极板的实际接触面积大、粘附力强，不易被气流剪切再飞扬。在极板中部区域，则常见树枝状（枝晶状）团聚体，在静电诱导和电场力作用下，带电颗粒沿电力线方向链状、枝状生长，形成疏松、迎风面积大的结构。这种结构形貌对主流气流更为“敏感”，在一定风速和涡流作用下更容易被二次吹脱，构成再飞扬的重要来源。值得注意的是，在放电极中部位置采样的颗粒普遍呈球形或接近球形，这表明在放电极附近长期经历荷电–沉积–再荷电–再沉积的循环过程后，颗粒形态趋于圆整，难以形成大尺度树枝状结构。随着电极有效长度增加，处于“放电极下方、易形成致密球形团聚体”的区域长度比例提高，相应“易再飞扬”的树枝状聚集区域相对缩短，从而在统计意义上降低了再飞扬概率，提高了整体除尘效率。结合不同发动机负荷试验，研究还发现：在450 mm极板长度条件下，大于1000 nm的粒径段收集效率在低负荷（30%）时反而更高。这一现象与油雾含量有关——低负荷时未完全燃烧的重质组分及油雾比例更高，为颗粒提供了额外“粘结剂”，增强颗粒间以及颗粒与极板间的粘附力，使得再飞扬更难发生。这一点对船用发动机和港口岸电成套供货商有直接启示：工况越偏高负荷，越需要在电极结构和流场设计上预留再飞扬安全裕度，而不能简单依赖油雾的“自增强粘附”效应。

在两电场ESP方案中，研究采用了“预荷电 + 独立收集区”结构。预荷电区与前述一电场ESP结构基本一致，板长150 mm、板间距9 mm，仍采用−7.5 kV直流高压；其后串联一个平行板收集区，板间距依旧为9 mm，但板长分别取150 mm、300 mm和450 mm，高压电压为−8 kV直流。预荷电区重点完成颗粒高效荷电与初级迁移，收集区则主要承担带电颗粒的沉积与再飞扬控制。实验表明，类似一电场ESP，两电场结构对20–300 nm颗粒的收集效率在各极板长度下均能保持90%以上。但在300–5000 nm区段，150 mm短收集极板也出现效率随粒径增大而明显恶化、粒径大于约2000 nm时出现负效率的情况，即再飞扬造成的“反穿透”。当收集区极板长度增加到450 mm后，中粗粒段收集效率转为稳定的正值，并大幅提升。这意味着，在两电场ESP中，即便预荷电部分已经完成了高效率荷电，如果收集区停留时间不足、流场与电场叠加距离不够，再飞扬同样可能抵消相当一部分前端工作的成果。

两电场ESP中，对不同收集区位置（75 mm、225 mm、375 mm处）的颗粒形貌观察，为行业理解再飞扬–再捕集循环提供了更直观的图像。在距离入口较近的75 mm与中部225 mm位置，颗粒大多呈树枝状团聚，结构疏松，多孔，暴露在主流剪切与脉动压力之下，极易被再吹脱。到下游375 mm位置，颗粒团聚体形态明显趋向球形、致密，这说明在两电场耦合作用下，再飞扬颗粒很可能先被带电后重新撞击到带负高压的收集电极，再经感应荷电作用积累正电荷后再次被脱离，继而在电场力驱动下再次迁移回极板。多次“脱离–迁移–再沉积”的循环保守性，使得颗粒在局部渐趋稳定球形团聚，最终获得较强附着力，不易再度飞扬。从工业角度看，这一现象说明：增加收集极板长度，不仅是简单意义上的“延长净化距离”，更是在电场–流场共同参与下，为颗粒提供多次“形态演化与稳定沉积”的机会。

综合一电场ESP与两电场ESP的对比，研究团队得出以下几点对工程实践极具参考价值的结论：其一，在高粉尘负荷、130–200 ℃高温柴油烟气工况下，一电场与两电场ESP对20–300 nm细颗粒普遍具有较高收集效率，瓶颈主要集中在300–5000 nm中粗颗粒段，且再飞扬风险随粒径增大而增加。其二，对于一电场ESP，简单加长放电极对应的有效极板长度或增加放电极数量，可以显著扩大“致密球形团聚体主导区域”的比例，从形态上抑制树枝状团聚体的生成，从而有效缓解再飞扬。这一策略在船舶柴油机尾气除尘、隧道风机房一体化静电除尘机组中具有直接工程落地价值。其三，对于两电场ESP，预荷电段完成高效荷电并不能消除对收集极板长度的要求，短收集极同样会在中粗粒段出现明显再飞扬。适当增加收集极长度、优化流场布局，使得颗粒在收集区内经历多轮荷电–迁移–沉积–再迁移循环，是实现稳定高效、低再飞扬运行的关键。其四，发动机负荷及油雾含量对颗粒粘附性有重要影响，低负荷–高油雾工况下中粗粒段会表现出更高的实际收集效率，因此实际工程设计和性能评估需要考虑全工况匹配，而不能仅基于额定负荷工况进行单点优化。

对当前正处于排放标准持续收紧、船舶与非道路移动机械排放治理需求快速增长的行业来说，这项研究提供了两条值得重视的技术信号：一是静电除尘器在柴油微粒控制上仍具潜力，但结构尺度（尤其是电极长度与排布）优化远比传统粉尘工况更为敏感；二是必须把再飞扬作为设计初期的核心约束参数，而不是事后通过加大电压或简单增加电场级数来粗放补救。在ESP+SCR或ESP+DPF等组合工艺路线的系统集成中，合理分配荷电区与收集区的空间比例，协同考虑烟气温度、粉尘特性和油雾含量，将是未来柴油机烟气治理系统工程的关键方向之一。

参考文献
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