电场促凝：静电除尘器提升超细颗粒捕集效率的新路径

基于江西理工学院等单位对带电烟尘粒子的电场团聚机理与实验研究解读

关键词
Experimental,Agglomeration,Particle,Electric Field,静电除尘器,工业烟气治理

在高比例超低排放改造完成的当下，静电除尘器（ESP）在工业烟气治理中的一个“老问题”愈发凸显：对亚微米级细颗粒（PM0.1–0.3 μm）的捕集效率始终难以做到“完美”。这些极细颗粒尺寸太小、携带电荷有限，很容易随净化后的烟气穿透除尘系统。如何在不大幅增加能耗和占地的前提下提升传统静电除尘器对超细颗粒的控制能力，电场团聚（Agglomeration）正成为行业关注的方向之一。

本文解读的是 Tang Minkang（唐敏康）和 Luo Siwen（罗思文）发表于 ICESP X – Australia 2006 的一项基础研究工作，作者分别来自江西理工学院与江西应用科技学院。研究面向典型的静电除尘应用场景，从理论与实验两端系统分析了带电烟尘粒子在电场中的团聚行为，尤其比较了单极电晕与双极电晕条件下的团聚效果，对当前高效 ESP 及超低排放系统的技术路线具有重要参考价值。

在经典静电除尘理论中，颗粒携带的饱和电荷量与颗粒尺寸和电场强度密切相关[3]，对于亚微米细颗粒而言，即便处于较强电场中，其获得的电荷量依然有限，驱进到极板上的电泳迁移速度较低，导致捕集效率不理想。因此，从“改变颗粒尺寸结构”这个维度入手，通过电场诱导粒子间团聚，把大量超细颗粒“长大”成易捕集的大颗粒，已成为 ESP 性能提升的重要思路之一。这不仅有助于提高收集效率，也有利于清灰过程形成整体振打脱落、减少二次扬尘，对高比电阻飞灰工况尤为关键。

从理论出发，作者首先利用外力场中粒子输运理论[2]，推导了电场中带电颗粒的团聚速率表达式。对于带电颗粒之间，库仑相互作用势能可写成与电荷量乘积成正比、与颗粒间距离成反比的形式[1]。在此基础上，引入布朗扩散与电迁移项，建立了小颗粒向大颗粒表面输运的通量方程，并通过稳态条件推导出单位时间内发生碰撞并黏附的颗粒数。核心是构造了一个无量纲参数 H，它描述了两颗粒接触时静电势能与热能（kT）之比。当两颗粒带异号电荷时，H 为负值，意味着静电引力促进团聚；当两颗粒带同号电荷时，H 为正值，理论上静电斥力会抑制团聚。

值得注意的是，纯理论推导建立在一系列理想化假设之上：粒子视为完全球形、单分散、表面电荷均匀分布，且颗粒尺度远大于气体分子的平均自由程。在真实烟尘体系中，这些条件往往并不满足。工业烟气中的飞灰或烟雾颗粒通常具有不规则形貌、多分散粒径分布和良好绝缘性，颗粒表面电荷既不均匀也难以自由迁移。这就为“同极带电颗粒仍然可能发生有效团聚”留下了空间。

为验证理论分析并观察真实烟尘在电场中的团聚行为，研究团队搭建了一个具有双极电晕区、混合团聚区与单极电晕区的实验型小型静电除尘模型。实验烟气采用燃烧蚊香烟雾，其初始颗粒粒径集中在 0.1–0.3 μm 范围内，具代表性地模拟了典型高分散细颗粒体系。烟气经过整流段后进入双极电晕区，在正、负电晕电极间穿行，分别获得正负电荷。由于该双极电晕段仅承担“充电”功能而不承担“收集”，其长度被有意设计得较短，并通过调节极型与电压，确保正、负电晕的电流基本相当，以实现颗粒的双极均衡充电。带正、负电荷的颗粒随后进入无收集极板的混合区，在这里主要依靠颗粒间的库仑引力发生碰撞、黏附，形成可以在显微镜下直接观察到的团聚体。混合团聚后的颗粒继续进入下游的单极负电晕区域，再次被强化充电，最后在收集极板上沉降，从而检验团聚对整体 ESP 收集性能的贡献。

在单极电晕条件下（全部颗粒带相同极性电荷），作者观测到，粒径小于 0.24 μm 的颗粒体积分数由未充电时的约 80% 降至约 55%，而粒径大于 0.4 μm 的颗粒比例则由约 20% 上升至约 45%。显微形貌显示，此时颗粒聚集体以沿电场方向的“链状结构”为主。结合前述理论，研究给出了三点解释：其一，实际烟尘颗粒形态不规则、表面绝缘，导致在相同电场条件下颗粒获得的电荷量存在分散性，且表面电荷分布高度不均匀，形成“局部带电区”，从而在微观尺度上产生吸引主导的接触点，促成局部团聚。其二，不同粒径颗粒获得的电荷量不同，再叠加镜像力作用，局部的引力可超过同极电荷的排斥力，促使大小颗粒发生碰撞并团聚。其三，电场会诱导颗粒极化，形成等效电偶极子，彼此靠近时可在局部诱导异号电荷区域，从而在短程内以偶极相互作用的形式实现“同极总电荷、局部异极吸引”的团聚。这些因素叠加，使得在单极电晕条件下，尽管理论上存在排斥，但实验上依然可以观察到明显的电场团聚现象。

在双极电晕条件下，团聚效果则更为显著。实验表明，当烟尘先在双极电晕区获得正负两种极性的电荷，再进入混合区时，粒径小于 0.4 μm 的颗粒占比可进一步下降到约 25%，而大于 0.4 μm 的颗粒比例则上升到约 75%。显微观察发现，这一工况下的颗粒聚集体多呈“团状、块状”凝聚结构，而不再是简单的链状。其主导机理是异极带电颗粒之间强烈的库仑引力大幅提高了碰撞几率和黏附概率，在短距离内粒子相互吸引，快速形成多颗粒凝聚体。同时，颗粒的极化效应在双极体系中仍然存在，对进一步加速局部团聚起到正向辅助作用。

作者进一步提出了“有效吸引范围”的概念：对两颗携带异号电荷的颗粒，当一颗视为静止、另一颗在其电场中运动时，只要运动颗粒的平均热运动动能小于其在该电场中获得的电势能，颗粒间的静电引力就能克服热扰动，实现有效靠近与碰撞。由此可以推导出一个以颗粒电荷量、介电常数与温度为参数的特征半径 r₀，当颗粒平均间距 R 小于该半径时，异极颗粒间团聚就变得显著。这一分析为“双极电晕团聚存在空间尺度与颗粒浓度下限”的工程判断提供了理论依据，与当前一些工程实践中“烟气浓度过低时团聚强化效果有限”的经验认识相吻合。

对静电除尘器和工业烟气治理行业而言，这项研究的技术启示可以概括为三点：其一，电场团聚显著受颗粒表面电荷分布、粒径和极性等多因素共同影响，真实工况远比经典均匀带电模型复杂，ESP 设计和运行优化不能简单依赖理想假设。其二，无论是单极电晕还是双极电晕，只要电场和电荷特征设计得当，都能够在一定程度上促进烟尘粒径谱向大粒径端迁移，而双极电晕引入异极颗粒强吸引，更有利于形成高效率的块状团聚体，对提升亚微米颗粒捕集效率尤为关键。其三，异极颗粒的团聚存在“有效作用范围”，与颗粒电荷量、烟气温度和粒子浓度密切相关，这意味着未来在工程上进行电场团聚强化设计时，需要综合考虑烟道布局、流场组织、比集尘面积以及与袋除尘、湿式电除尘等组合工艺的协同优化。

从超低排放与深度减排的角度看，基于电场团聚机理的静电除尘强化技术，有望在不大幅增加系统复杂度的前提下，显著改善 ESP 对 PM0.1–0.3 μm 的控制能力，为燃煤电厂、水泥、钢铁、垃圾焚烧等行业在严苛排放标准下的工艺升级提供一条具有工程可行性的技术路径。

参考文献
[1] Friedlander SK. Smoke, Dust and Haze: Fundamentals of Aerosol Behavior. New York: John Wiley & Sons, 1977: 34-68.
[2] Cheremisinoff PN, Young RA. Air Pollution Control and Design Handbook. Part I. New York & Basel: Marcel Dekker Inc., 1977: 27-98.
[3] Oglesby S Jr, Nichols GB. Electrostatic Precipitation. New York: Marcel Dekker Inc., 1978: 68-109.
[4] Tang Minkang. The Mechanism of Agglomerating Behavior by Polarizing Fly Ash Particle. Proceedings of the 3rd International Conference on Applied Electrostatics, Shanghai, 1997: 152-156.

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