AC工况ESP与电中和技术：从再飞扬到“零沉积”的隧道烟气治理路径

基于富士电机与日本武藏工大联合实验的静电除尘再飞扬与壁面沉积机制再解读

关键词
electrostatic precipitator, re-entrainment, particle deposition, charged particles, AC operating mode, neutralization, 隧道烟气治理, 工业环保

在道路隧道、柴油机排气净化等场景中，静电除尘器（ESP）早已成为提升可见度、控制颗粒物排放的主力装备。但工程实践中，一个常被忽视的“副作用”正在成为运维痛点：ESP 下游段摄像头、照明灯具及混凝土衬砌等墙面被持续污染，短期内即可出现严重积灰发黑，直接影响隧道监控视距和环境观感。这一现象暴露出传统直流静电除尘技术在隧道烟气治理与道路环境保护中的隐患，也将“再飞扬（re-entrainment）”与“颗粒电荷中和”推到行业技术热点的前台。

围绕这一问题，日本 Fuji Electric Systems Co., Ltd.（富士电机系统公司）与 Musashi Institute of Technology（武藏工大）开展了系统实验研究，由 K. Yasumoto、A. Zukeran、T. Kimura、K. Ito、K. Yuda、Y. Takagi 和 Y. Ehara 等学者联合发表在 ICESP X（2006 年澳大利亚会议）上的论文《INFLUENCE OF RE-ENTRAINMENT AND CHARGED PARTICLES ON PARTICLE DEPOSITION ONTO DOWNSTREAM WALL IN AN ELECTROSTATIC PRECIPITATOR》，从再飞扬控制与气相中和两个维度，对不同工况 ESP 下游壁面颗粒沉积分布进行了定量评估，对当前隧道用静电除尘技术升级具有典型示范意义。

研究对象是面向隧道和柴油废气治理的两级式 ESP 系统，典型工况是柴油机尾气经混合稀释后，以约 5 m/s 的风速通过预荷电段与收集段。实验搭建了三种工况对比：

（1）传统直流工况 ESP（DCESP）：预荷电器与收集极均采用负极性直流高压，典型布置下放电线电压约 -10 kV，收集极电压约 -8 kV，形成常规负极性冠流场，颗粒带负电后在收集极上沉积。这种工况在工业锅炉、冶金等排放控制中应用广泛，但在低比电阻烟尘（如柴油尾气颗粒）场景中，再飞扬现象更易被放大。

（2）交流工况 ESP（ACESP）：预荷电段仍采用负极性直流对颗粒充电，而收集段则改用交流高压（AC 8 kV）驱动。收集极极性周期变化，使得沉积在电极上的颗粒“珍珠链”团聚体周期性变形，逐渐压实为接触面积更大的近球形团聚层，从而显著提高颗粒与极板之间的附着力，抑制由于气流扰动或电力线集中导致的大颗粒再飞扬。

（3）交流工况+中和 ESP（ACESP with neutralization）：预荷电段采用双线极结构，一根放电线接负直流（约 -10 kV）、另一根接正直流（约 +11.6 kV），两者电流同为 0.65 mA，以确保正、负离子与带电颗粒同时生成；收集段同样采用 AC 8 kV。该设计思路是：在上游充分充电以保障捕集效率，同时在出入口区域混合正负离子与不同极性的带电颗粒，使下游气相总体呈电中性，最大程度削弱库仑吸附对隧道下游壁面、灯具和摄像机外壳的污染驱动力。

在实验方法上，研究团队对“效率”和“沉积”进行了并行量化。一方面，通过粒子计数器在线监测 ESP 进出口 0.3 μm 以上颗粒浓度，采用 η = (1 − N_D / N_U) × 100%计算分级收集效率。另一方面，在 ESP 下游风道内部布置了两类试样板：一类为 TOUBE DC#200 板，用光学显微镜观察并配合二值化图像处理，将颗粒覆盖的黑色像素面积与总像素的比例定义为颗粒沉积率 α；另一类为铝箔试片，通过扫描电镜（SEM）观察沉积颗粒的形貌与尺寸分布，以区分穿透细颗粒与再飞扬大颗粒的相对贡献。

为了进一步剖析气体电荷状态与沉积之间的耦合关系，试验还在 ESP 下游安装了绝缘支撑金属板，用表面电位计测量其等效“受电”电位，并通过离子计数器分别监测正、负小离子浓度，离子迁移率范围约为 0.6 cm²/(V·s)。这些数据共同构成了评估静电除尘器二次污染风险的“气相电学指纹”。

从收集效率曲线看，三种工况在 0.3–1 μm 范围的粒径收集性能相近，但在 1–5 μm 粗颗粒区呈现出显著差异。DCESP 随粒径增大，表观收集效率反而下降，在 2–5 μm 粒径段甚至出现“负效率”现象，即下游测得的颗粒数浓度高于上游。这一经典的“负效率”现象被研究者明确归因于再飞扬：粗颗粒在收集电极上形成链状团聚体，在电场力和气流剪切共同作用下被重新抛入主气流，使得出口粒子数增加。

相比之下，ACESP 与 ACESP+中和两种工况在 1–5 μm 区间保持了稳定且更高的收集效率，未出现负效率。交流电场持续改变电极极性，使“珍珠链”颗粒周期性重排，趋于压实、圆整化，颗粒–极板间的真实接触面积增加，黏附力上升，进而从源头上抑制大颗粒脱落。这一机理对于处理低比电阻烟尘尤其关键，因为此类粉尘在传统 DCESP 中更容易发生“滑移–再飞扬”行为。

在最受隧道运维关注的下游沉积方面，三种工况的差距更加直观。定量图像分析显示，试样板表面颗粒沉积率在 DCESP 条件下约为 2.2%，ACESP 降至 0.48%，而 ACESP+中和工况仅约 0.11%。也就是说，在相同边界条件下，单纯由 DC 工况切换为 AC 工况即可将壁面沉积降低到原来的约 1/5，而在 AC 基础上叠加电中和技术后，沉积率进一步下降到 DCESP 的约 1/20 量级，对于隧道照明灯具和监控设备的灰污控制具有直接的工程价值。

SEM 图像从微观侧面印证了这一差异：

• DCESP 下游试样可观察到大量细颗粒和明显的大颗粒团聚体，大颗粒多为“链状”或团聚块，典型再飞扬特征显著；

• 在 ACESP 条件下，下游沉积中几乎看不到大颗粒，沉积主要由穿透的细颗粒构成，再飞扬贡献被显著削弱；

• 在 ACESP+中和条件下，无论细颗粒还是粗颗粒，在观测视野内均极少出现，说明在再飞扬被抑制的前提下，下游气相整体的带电程度也被有效压低，壁面库仑吸附几乎被“关掉”。

结合气相电荷测量结果，可以更清晰地理解“AC + 中和”工况的优势。DCESP 下游金属板表面电位约为 -279 V，ACESP 略有降低但仍为 -136 V；而在 ACESP+中和工况下，表面电位仅约 -12 V，已接近电中性状态。离子计数器结果显示，DCESP 与 ACESP 下游基本只有负离子，浓度分别约 5.7×10⁴ 和 5.1×10⁴ 个/cm³；而 ACESP+中和下游则同时存在明显的正、负离子：正离子约 1.27×10⁴ 个/cm³，负离子约 3.05×10⁴ 个/cm³，总离子浓度约 4.3×10⁴ 个/cm³。虽然两者并未完全复合抵消，但正负离子共存使得宏观气相整体电荷趋于平衡，进一步削弱了带电颗粒对墙体、管壁等接地构筑物的静电附着驱动，从而在 AC 工况已抑制再飞扬的基础上，再次“腰斩”了壁面沉积分率。

从工程应用视角看，这项工作给隧道 ESP 及道路环境治理带来的启示是多维度的：其一，传统以出口颗粒物浓度为唯一考核指标的“高效率 ESP”评估体系是不够的，在隧道等密闭空间，ESP 下游壁面二次沉积对长期运维成本和安全可见度的影响不容忽视；其二，相比一味提升电场强度或延长电场长度，采用 AC 工况抑制再飞扬、在尾部段引入电中和模块，是更符合全生命周期目标的技术路线；其三，在后续与脱硝（SCR）、脱硫（FGD）等系统的协同设计中，控制 ESP 下游烟气电荷状态，也有助于减少下游设备内壁积灰和催化剂堵塞风险，提升整体超低排放系统的稳定性。

总体而言，富士电机与武藏工大团队通过系统实验与机理分析，给出了一个较为完整的隧道 ESP 优化框架：在保持对亚微米颗粒较高捕集效率的前提下，通过 AC 工况削弱再飞扬源头，再叠加电中和模块“钝化”烟气电荷，最终实现对下游壁面颗粒沉积的显著抑制。这一思路对于当前正在推进的隧道可视化监控升级、城市综合管廊粉尘控制，以及高标准道路环境保护项目，均具有直接借鉴意义。

参考文献
[1] Chang J S, Kelly A J, Crowley J M. Handbook of Electrostatic Processes. New York: Marcel Dekker; 1995.
[2] Misaka T, Akasaka A, Oura T, Hirano M, Asano H. Electrostatic precipitator combined pulse charging section with moving electrode section for high resistivity dust. In: Proceedings of the 6th International Conference on Electrostatic Precipitation; 1996. p. 45–56.
[3] 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;35:346–351.
[4] Takahashi T, Takamatsu T, Kawakami H, Zukeran A, Fujimura H, Ehara Y, Ito T. Particle deposit on the surface of the wall by electrostatic precipitators. The Journal of Institute of Electrical Installation Engineers of Japan. 1998;18:853–859. (in Japanese)
[5] Yasumoto K, Zukeran A, Takagi Y, Ehara Y. Preventing re-entrainment and particle deposition in an electrostatic precipitator under AC operating mode. In: Proceedings of the 41st Summer Symposium, The Society of Powder Technology, Japan; 2005. p. 45–50.
[6] Yasumoto K, Zukeran A, Kimura T, Ito K, Yuda K, Takagi Y, Ehara Y. Influence of re-entrainment and charged particles on particle deposition onto downstream wall in an electrostatic precipitator. In: Proceedings of ICESP X; 2006 Jun; Australia. Paper 2B2.

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/