高硫柴油机纳米颗粒的静电除尘悖论：高效率与新生成颗粒并存

基于日本神奈川工业大学 Zukeran 团队对残渣油与轻油柴油机排放在 ESP 中纳米颗粒行为的系统研究

关键词
diesel engine, ion-induced nucleation, collection efficiency, nano-particle, electrostatic precipitator, marine emission control, diesel particulate filter

纳米颗粒、柴油机排放与静电除尘器（ESP），正在成为工业烟气治理领域绕不开的组合。一方面，来自汽车、船舶、发电装置和工程机械的柴油机烟气中富含 6–200 nm 量级的纳米颗粒[1]，能够深入肺泡，对人体健康构成威胁；另一方面，高风速、高粉尘工况下 ESP 的工程应用愈发普遍，从公路隧道[2][3]到船舶排放控制[6][9]，都在探索如何在不增加压降的前提下提高纳米颗粒的捕集效率。

最近，日本神奈川工业大学（Kanagawa Institute of Technology）电气电子工程系 Akinori Zukeran、Hidetoshi Sawano 与 Koji Yasumoto 团队，通过实验系统地研究了“柴油机+ESP”工况下纳米颗粒的收集特性，特别是比较了残渣燃料油（高硫）与轻油（超低硫）两种燃料条件下的差异。研究聚焦于静电除尘器中的离子诱导成核（ion-induced nucleation）、纳米粒子收集效率及电极结构、电压极性的影响，为工程界在船舶排放治理、发电机组尾气净化等场景下如何选油、如何选型 ESP 提供了有价值的技术参考。

该研究的实验平台由一台 400 cc 四冲程水冷柴油发电机与一套小型同轴圆筒式 ESP 组成。柴油机在空载运行，分别燃烧含硫 0.61% 的残渣燃料油（ENEOS LSA fuel oil）和含硫仅 0.0009% 的轻油。烟气温度保持在 130–150℃，ESP 内气流速度约 4.4 m/s，代表了船舶、移动源发电机组等紧凑烟道中的中高风速工况。研究中使用了两种 ESP 结构：一是针–筒式（Type A），采用不锈钢针状高压极（顶角 14°、曲率半径 22 μm）对同轴圆筒接地极放电，最高施加 -18 kV；二是线–筒式（Type B），采用直径 0.26 mm 的钨丝作为高压极，对不锈钢圆筒放电，可施加正、负两极性最高 10 kV。两种结构均模拟典型工业静电除尘器中的放电极–集尘极布置，对比分析几何、电极长度与极性的影响。

在烟气采样与测试方面，研究团队采用扫描电迁移粒径谱仪（SMPS）获取 6–200 nm 粒径范围内的粒子数目分布。为避免采样管壁冷凝改变气溶胶组成，采样管通过缠绕式加热带维持与烟气相同的高温，随后烟气在等温条件下进行 10 倍稀释并冷却至室温，再进入 SMPS 测量。纳米颗粒收集效率以粒子数为基准，定义为：η = {1 − (N/N0)} × 100%，其中 N0 为未加电压时的粒子数浓度，N 为加电压后下游的粒子数浓度。这一“数基”指标相比传统以质量为基准的收集效率，更敏感地反映了 20 nm 以下极细颗粒的行为，非常适用于评估道路隧道 ESP、船舶尾气 ESP 等对纳米粒子的真实控制能力。

在针–筒结构 ESP 中，当柴油机燃用残渣油时，0 kV 条件下的粒径分布峰值约位于 57 nm，浓度约 6.0×10^6 Part/cm³。随着负电压由 -6 kV 提高至 -16 kV，57 nm 颗粒浓度大幅下降至 2.1×10^5 Part/cm³，对主峰粒径段的收集效率超过 95%，表现出典型的静电除尘器高效捕集亚微米颗粒的特征。然而，当电压提高到 -18 kV 时，一个行业内非常值得警惕的现象出现了：约 27 nm 粒径的粒子数浓度反而明显上升，由 -16 kV 下的 4.6×10^4 Part/cm³ 增加到 -18 kV 下的 2.2×10^5 Part/cm³，即在强负电晕条件下，新生纳米颗粒被“制造”出来。

同样的实验条件下，当柴油机改用轻油燃烧时，则未观察到类似的纳米粒子“反弹”现象。0 kV 时粒径分布峰值位于 71 nm，浓度约 6.7×10^6 Part/cm³，随着电压升至 -18 kV，71 nm 段颗粒被有效捕集至 1.5×10^5 Part/cm³，而 20 nm 以下超细颗粒的数浓度并未出现明显增加。结合对 SO2 浓度的分析：残渣油工况下尾气 SO2 约为 37 ppm，而轻油工况仅约 2 ppm，研究团队据此判定，高硫燃料条件下，在强电晕电场中发生了以 SO2–H2O–N2 体系为基础的离子诱导和双组分均相成核[10]，在 ESP 内部“二次生成”了直径 20–30 nm 的新生颗粒。这种现象对船舶、重油发电机组等以高硫残渣油为燃料、又意图通过 ESP 控制超细颗粒物的应用来说，是一个必须正视的工艺悖论。

为了进一步澄清电晕极性对成核与纳米颗粒行为的影响，研究团队采用线–筒结构 ESP（Type B，电极长度 80 mm），在残渣油工况下分别施加正、负电压。实验显示，正负极性下的电晕起始电压均约 6 kV，火花击穿电压约 11 kV，但相同电压下负电晕电流明显大于正电晕电流。0 kV 时粒径分布在 76 nm 处峰值约 7.0×10^5 Part/cm³，当负电压升至 -10 kV 时，该峰值降至 2.7×10^4 Part/cm³，说明 ESP 对主峰段颗粒仍然保持高效收集。然而在 20 nm 处，颗粒数浓度却增至 3.4×10^4 Part/cm³，出现与针–筒结构类似的新生细颗粒“峰”。

在正电晕条件下，整体趋势与负电晕类似，但新增纳米粒子的幅度明显较小。为排除工况波动影响，研究团队引入了“增强倍数”α = N/N0 来归一化评价电晕前后某粒径段颗粒数的变化。结果表明，在 10 kV 条件下，负电晕时最大增强倍数出现在 16 nm 附近，α 约为 29；而正电晕时最大增强倍数约为 22，出现在约 13 nm 粒径附近。这一对比清晰地表明：在含 SO2 的烟气中，负电晕比正电晕更易诱导超细颗粒成核与生长，主要原因在于负电晕产生的离子流强度、电流密度更大，从而为 SO2–H2O 体系提供了更多离子簇成核“模板”。

更具工程指向意义的是，该研究系统评估了 ESP 工作电压和电极长度对“总数收集效率”的影响。在 Type B 线–筒结构、80 mm 电极长度、残渣油工况下，随着负电压从 -4 kV 升高到 -8 kV，整体纳米粒子数的收集效率持续提升，在 -8 kV 时达到约 91%；但当进一步提高到 -10 kV 时，总数收集效率反而下降到约 65%。这一“倒挂”现象的本质，就是在更强电场下，新生成的 10–20 nm 超细颗粒数量大幅增加，并抵消了 ESP 对原始颗粒的捕集收益。单看粒径分布曲线，在 16 nm 左右粒径处，-10 kV 工况的“收集效率”甚至达到了约 -2900%，意味着该段颗粒数目是加电前的 30 倍。若把 ESP 按传统思路简单视为“越高电压越好”，在高硫燃料工况下极有可能导致纳米颗粒排放的意外放大。

在保持电压不变（10 kV）的情况下，研究团队进一步将线极长度从 80 mm 延长到 130 mm，评估电场作用长度对纳米颗粒行为的影响。结果显示，在电极加长后，几乎所有粒径段的收集效率均有显著改善，其中对 10–30 nm 段超细颗粒的“负效率”（即数目增加）被大幅削弱。虽然在极端细颗粒段仍然可能出现局部负效率，但与 80 mm 情况相比，新增颗粒数显著减少，表明增加收集极长度是抑制 ESP 内部离子诱导成核负效应的一条有效工程路径。对工业 ESP 尤其是受限空间内的船用、机组用小型静电除尘设备来说，这一结论为“在有限电压下通过延长有效放电距离来提升综合效果”提供了实验依据。

综合上述结果，可以将这项研究的工程启示总结为三点：其一，燃料硫含量对 ESP 中纳米颗粒行为具有决定性影响。在高硫残渣油烟气中，SO2 与水蒸气在强电晕作用下显著诱导新生纳米颗粒成核，而在超低硫轻油烟气中则基本不会发生。这意味着在船舶排放治理、重油电站 ESP 改造时，单纯提升电压并不能保证纳米级 PM 的降低，还必须关注 SO2 参与的化学–物理过程。其二，电压存在“最佳点”，并非越高越好。在一定电压范围内，提升场强可以提高收集效率，但一旦超过某一阈值，离子诱导成核会放大，导致总数收集效率下降。对目标导向是“降低纳米颗粒数浓度”的道路隧道 ESP、船用 ESP、工程机械排气 ESP 来说，电压与极性的优化需要综合考虑收集与成核的平衡。其三，结构与尺寸是可调控的重要“安全阀”。通过增加放电极长度、优化线–板或线–筒几何结构，可以在不盲目提高电压的前提下提高传质–充电–迁移过程的整体效率，从而在保持高收集率的同时抑制超细颗粒生成，这在 EHD 辅助 ESP[7]、孔式 ESP[8] 等新型结构的设计中同样适用。

从行业视角看，这项工作与早期基于轻油柴油机的高风速隧道 ESP 试验[3]、海洋柴油机静电旋风 DPF 研究[6]形成了互补：前者证明了在低硫燃料下 ESP 对 20–800 nm 颗粒可实现 90%以上的高效去除；而本研究则提醒我们，在高硫燃料背景下，ESP 系统本身可能成为超细颗粒的新“源项”。因此，在面向 IMO 船舶排放、港口岸电与小型机组烟气治理的工程实践中，未来的技术路线很可能从“单一 ESP”演变为“脱硫+ESP+DPF 或组合式电过滤”一体化方案，并以纳米颗粒数浓度作为关键考核指标之一，而不仅仅关注总颗粒质量或可见烟度。

Keywords: diesel engine, ion-induced nucleation, collection efficiency, nano-particle, electrostatic precipitator, marine emission control, diesel particulate filter

References:
[1] Zukeran A., Ikeda Y., Ehara Y., Matsuyama M., Ito T., Takahashi T., Kawakami H., Takamatsu T. Two-Stage Type Electrostatic Precipitator Re-entrainment Phenomena under Diesel Flue Gases. IEEE Transactions on Industry Applications. 1999;35(2):346-351.
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[3] Ehara Y., Nakano R., Yamamoto T., Zukeran A., Inui T., Kawakami H. Performance of High Velocity Electrostatic Precipitator for Road Tunnel. International Journal of Plasma Environmental Science and Technology (IJPEST). 2011;5(2):157-160.
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[7] Kawakami H., Sakurai T., Ehara Y., Yamamoto T., Zukeran A. Performance characteristics between horizontally and vertically oriented electrodes EHD-ESP for collection of low-resistive diesel particulates. Journal of Electrostatics. 2013;71:1117-1123.
[8] Ehara Y., Ohashi M., Zukeran A., Kawakami K., Inui T., Aoki Y. Development of Hole-Type Electrostatic Precipitator. International Journal of Plasma Environmental Science and Technology (IJPEST). 2017;11(1):9-12.
[9] Kawakami H., Zukeran A., Yasumoto K., Inui T., Ehara Y., Yamamoto T. Diesel PM Collection for Marine Emissions Using Double Cylinder Type Electrostatic Precipitator. International Journal of Plasma Environmental Science and Technology (IJPEST). 2011;5(2):174-178.
[10] Kim T.O., Adachi M., Okuyama K., Seinfeld J.H. Experimental Measurement of Competitive Ion-Induced and Binary Homogeneous Nucleation in SO2/H2O/N2 Mixtures. Aerosol Science and Technology. 1997;26:527-543.

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参考文献
[1] Zukeran A., Ikeda Y., Ehara Y., Matsuyama M., Ito T., Takahashi T., Kawakami H., Takamatsu T. Two-Stage Type Electrostatic Precipitator Re-entrainment Phenomena under Diesel Flue Gases. IEEE Transactions on Industry Applications. 1999;35(2):346-351.
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