隧道静电除尘小型化的新路径：双极放电两级ESP技术解析

基于松下生态系统与丰桥技术科学大学联合研究的DC高压双极放电道路隧道ESP实验解读

关键词
双极放电, 静电除尘器, 道路隧道, 工业烟气治理, 颗粒物荷电

近年来，随着道路隧道通风系统对高风速、大风量烟气净化的要求不断提高，传统大体积静电除尘器（ESP）在工程应用中逐渐暴露出占地大、改造困难、能耗压力增大的问题。如何在保证9 m/s等级高风速通过的前提下实现设备小型化、高效率，成为道路隧道静电除尘、工业烟气治理领域的技术焦点之一。本文解读的这项研究，正是围绕“双极放电两级ESP”“小型化高效隧道ESP”展开，由 Panasonic Ecology Systems Co., Ltd.（松下生态系统）与日本丰桥技术科学大学联合完成，对采用直流高压驱动的双极放电两级静电除尘器开展了系统实验。

针对日本道路隧道废气净化的典型工况，当地标准普遍采用两级式ESP结构，即前级电离区（Ionizer）负责颗粒荷电，后级收集极（Collector）完成捕集，且要求离子器段风速可达约9 m/s[1]。为提升捕集效率，业界已有通过交流高压加在收集极、等效增大集尘面积的技术路线[2]，也有专利提出在电离区中不仅在高压极板上布置放电针尖，同时在接地极板上布置针尖，实现“正负同时放电”的双极荷电构型[3]。但此前公开资料中几乎没有给出这类双极放电ESP在具体结构尺寸、放电特性与除尘效率方面的定量结果。本文所述工作，正是在此基础上，系统研究了在电离区采用双极放电、收集区保持直流高压单极收集的两级ESP技术路径，为隧道静电除尘小型化设计提供了可量化的实验依据。

在结构设计方面，该双极放电电离器采用平行板结构，每块金属极板由不锈钢304制成，长边100 mm、短边36 mm、厚度0.4 mm。在短边布置3个针刺电极，针尖间距12 mm，针高10 mm、尖端角30°。实验中，极板排列为“迎风带针板”与“背风带针板”交错布置：迎风侧带针极板接直流高压（正或负可切换），背风侧带针极板接地，且背风极板数量比迎风极板多一块，使电离区形成两个放电空间：第一放电区（F.D.）靠近迎风一侧，第二放电区（S.D.）靠近背风一侧。在施加正高压时，迎风高压针尖产生正电晕，背风接地针尖产生负电晕；当施加负高压时，则极性反转。整个电离区风速控制在9 m/s，以模拟隧道通风高风速工况。

为考察几何参数对双极电晕及静电除尘效率的影响，研究重点考察了三个关键间距参数：极板间距G（10、15、20 mm）、针尖在投影平面上与相邻极板最近边缘的距离X（多档，从5或10 mm一路增加到75 mm）、相邻极板之间对向针尖的间距Y（由G与X几何决定，X增大时Y减小）。简单理解，X越大，对向针尖越“对齐”，Y越小，意味着正负针尖之间的电场耦合增强。试验在多个G–X组合下，对正、负极性工况分别进行对比，系统记录电离区V–I特性、放电形态以及整体除尘效率。

整套试验装置为一条透明有机玻璃通风管道：入口段接电离区，再接收集区，最后为空气出口段，出口设置两台串联轴流风机以提供稳定气流。电离区内截面收缩，以在试验风量下实现9 m/s的高风速；收集区采用平行板ES​​P结构，板高124 mm、长度200 mm，板间距固定为10 mm，高压极板与接地极板数量相同，各6块，风速约2.6 m/s。为突出前级双极电离条件对总效率的影响，收集区电源统一使用-9 kV直流高压，保持结构和电压恒定，作为“标准收集段”，只调整电离区极性、几何与功率条件。

实验颗粒物来源为室内环境空气中的悬浮颗粒，使用光散射式粒子计数器，对0.3 μm及以上全部粒径区段颗粒总数进行统计，以电离器前后的颗粒数浓度计算整体收集效率。高压电源方面，电离区正压电源最高+25 kV，负压电源最高-15 kV，并通过调节电压与电流覆盖约1.3 W、2.0 W和2.8 W三档典型功耗区间，模拟工程应用中电离段合理功率密度水平（若折算到实际规模整机，预估总功率可达约1.5 kW量级）。

从V–I特性来看，不论G为10、15或20 mm，随施加电压升高，电离区放电电流缓慢上升，且在同等电压下负极电晕电流显著高于正极电晕，这与既有单极电晕放电研究中“负电晕电流大于正电晕”的结论基本一致[5][6]。在部分几何组合中（如G15下X=10 mm、G10下X=5 mm），迎风侧为正极放电时，其V–I曲线出现明显压制，同一电压下电流偏低，提示小X范围内正负电晕之间可能存在相互抑制效应，这一点在后文的效率结果中也有呼应。

在保持电离区风速9 m/s、收集区电压-9 kV恒定的条件下，各组合下整体除尘效率的变化呈现出较为清晰的规律。研究者将X较小的区域定义为“small X 区间”（G=10 mm时X<10 mm，G=15和20 mm时X<20 mm），在此区间内正负极布置对效率的影响与大X区间明显不同。总体而言： 其一，在除“small X 区间”外的更大X范围，迎风针尖接正高压（即“迎风正电晕、背风负电晕”）的构型，整体收集效率普遍优于“迎风负、背风正”的构型，且随着输入功率从约1.3 W增加到2.8 W，效率稳步提升。这意味着在常规设计允许的X尺度下，采用“风前正极、风后负极”的双极放电电离器，有利于提高两级ESP的总体捕集率，尤其适合隧道静电除尘中对设备长度压缩、小型化的应用需求。 其二，当X处于“small X 区间”时，情况则反转：此时“迎风负电晕、背风正电晕”的构型表现更好，而迎风为正极时效率显著恶化，特别是在G=10 mm、X最小时，在最大功耗2.8 W条件下整体效率跌至各工况中最差。研究者推测，这是因为当迎风正针尖与背风相邻接地板边缘距离过小时，其强电场会在该板边缘诱发局部负电晕，使电离区原本应承担粒子荷电的空间电场被部分“短路”，导致有效荷电效率下降。这一现象提示，在工程设计中若采用“迎风正–背风负”的双极放电方案，必须控制针尖与相邻极板边缘的最小X，以避免局部反向电晕造成的电场劣化。 其三，在G=20 mm的大板间距条件下，即便增大X使Y减小，整体效率变化不大且较为平稳，说明在更大G下，正负针尖间耦合作用减弱，X、Y微调对总体性能的敏感度下降。这为大通道、高风速隧道静电除尘器在结构优化留出一定工程裕度。 为进一步解释“迎风正极为何在大X下更优”，作者通过将背风接地极板电气上分段，将其分为对应正电晕区和负电晕区两部分，分别接入电流表，测得在典型工况（G15，X=10和35 mm）下正电晕电流在总放电电流中的占比约为20%–40%，负电晕电流占比则为60%–80%。换言之，在同一施加电压下，负电晕占据主导地位。这与文献中对气体电导与电晕模式的讨论基本一致[5–8]。 在“迎风正、背风负”的工况中，气流首先经过正电晕区，颗粒物主要通过与正离子碰撞而带正电，部分未复合的正离子随气流一同进入下游的负电晕区，在负针尖附近与局部负空间电荷、强电场叠加，可能触发类似“模式放电”的增强效应，从而强化负极一侧的放电强度与空间电荷密度[7][8]。同时，由于负电晕本身电流更大，形成的带电离子通量更高，整体荷电–收集链路得到进一步强化，因此“迎风正–背风负”的组合在大X范围内表现出更优的总除尘效率。 若将极性交换为“迎风负、背风正”，则下游正极不容易形成类似增强模式放电，迎风区负电晕虽强，但下游强化效应不足，总体效率略逊一筹。这一机理解释与实验中观察到的效率差异相吻合，也为隧道静电除尘与工业烟气治理中采用双极电离–单极收集组合时的极性选择提供了较明确的方向。 除了电气与效率数据，本研究还借助长曝光摄影揭示了双极电晕在有风与无风条件下的放电形态差异。在无风条件下，可清晰看到迎风针尖的正电晕辉光与背风针尖的负电晕辉光，且负辉光略为明亮；在有风条件下，预击穿流注与火花放电呈现明显向下游被“吹拂”拉细的光带，说明不仅气体分子，气体离子也被高速气流带走，在线路中有效提高了击穿电压，使有风时的火花电压高于无风状态[4]。这一现象对于高风速ESP设计具有现实意义：合理利用高速流导致的离子稀释效应，可以在不显著增加放电危险的前提下，提高工作电压和电晕功率密度，从而压缩设备尺寸，提高单位体积处理能力。 综合实验结果，作者得出以下几点具有工程参考价值的结论：第一，在较大X范围内（避免“small X 区间”的几何抑制区域），采用“迎风正电晕+背风负电晕”的双极电离构型，可在相同功率下取得优于“迎风负+背风正”的整体收集效率，是道路隧道ESP小型化设计中值得优先考虑的极性组合；第二，在最小X极小的几何极限区，“迎风负+背风正”反而能获得更好效率，提醒工程设计必须避免在“迎风正”方案下将针尖–板边距离压得过小；第三，双极放电中负电晕在总放电电流中占比常在60%–80%，与单极放电负电晕易形成较强电流的经典结论一致，为后续双极电离结构优化提供了电气边界条件。 从行业视角看，这项工作最值得关注的意义在于：它并未简单追求在收集区极板上做文章（例如高频AC收集、振打协同等），而是回到两级ESP体系的“前端”——电离器结构本身，通过双极放电、几何参数与极性组合的系统优化，把粒子荷电过程“做足”，从而在收集段维持常规直流结构的前提下，仍能显著提升整体效率。这为今后道路隧道静电除尘器、地铁与地下车库排风ESP、乃至部分高风速工业烟气治理设备的小型化和节能设计，提供了可直接量化的技术路径与设计窗口。 Keywords: 双极放电, 静电除尘器, 道路隧道, 工业烟气治理, 颗粒物荷电 References: [1] Hosono H., Katatani A. Air purification system of Matsushita Ecology Systems. Journal of the Institute of Electrostatics Japan, 2008, 32(5): 203–206. [2] Zukeran A., Yasumoto K. Electrostatic precipitator on Fuji Electric Systems. Journal of the Institute of Electrostatics Japan, 2008, 32(5): 192–197. [3] Mizushima N., Ozawa E., Motoyoshi H. Air purifier with neutralizer for charged particles. Japan Patent Office, Patent No. P3124193, 2001. [4] Chang C.M. Design of high intensity ionizer–electrostatic precipitator systems. Environment International, 1981, 6(1–6): 245–252. [5] Katatani A., Mizuno A. Generation of ionic wind by using parallel located flat plates. Journal of the Institute of Electrostatics Japan, 2010, 34(4): 187–192. [6] The Institute of Electrostatics Japan. Handbook of Electrostatics. Tokyo: Ohm-sha, 1998: 1162–1163. [7] Miyoshi Y. Conductivity of gases. Material Science, 1971, 8(1): 33–39. [8] Ohsawa A. Atmospheric glow discharge ionizer. Journal of the Institute of Electrostatics Japan, 2009, 33(3): 115–120.

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参考文献
[1] Hosono H., Katatani A. Air purification system of Matsushita Ecology Systems. Journal of the Institute of Electrostatics Japan, 2008, 32(5): 203–206.
[2] Zukeran A., Yasumoto K. Electrostatic precipitator on Fuji Electric Systems. Journal of the Institute of Electrostatics Japan, 2008, 32(5): 192–197.
[3] Mizushima N., Ozawa E., Motoyoshi H. Air purifier with neutralizer for charged particles. Japan Patent Office, Patent No. P3124193, 2001.
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[8] Ohsawa A. Atmospheric glow discharge ionizer. Journal of the Institute of Electrostatics Japan, 2009, 33(3): 115–120.