干式与湿式静电除尘协同应用：高阻尘治理的新路径

基于第17届国际静电除尘会议（ICESP）Nagata Chikayuki 报告的工程化技术解读

关键词
Electrostatic Precipitator, Dry ESP, Wet ESP, High Resistivity Dust, Back Corona, Low-Low Temperature ESP, Moving Electrode ESP, WESP, 燃煤电厂, 超低排放

随着超低排放与深度减排标准在燃煤电厂、钢铁、水泥及燃气轮机行业全面铺开，传统干式静电除尘器（Dry ESP，干式 ESP）在高比电阻烟尘工况下的性能瓶颈愈发突出。日本工程师 Chikayuki Nagata 在第17届国际静电除尘会议（ICESP 2024，京都）第 5 届 ESP School 上，系统梳理了干式与湿式静电除尘（Wet ESP，湿式 ESP）的原理、关键技术及典型应用，为当前工业烟气治理，特别是高阻尘与酸雾控制提供了清晰的技术路线图[1]。

从原理上看，干式 ESP 和湿式 ESP 共享相同的“荷电—迁移—捕集”机理，通过放电极产生电晕放电，使颗粒带电并在电场作用下迁移至集尘极。但两者在粉尘层管理和极板清灰方式上有本质差异。干式 ESP 依靠锤击振打将粉尘抖落至灰斗，适用于常规颗粒物排放控制；湿式 ESP 则通过连续冲洗在集尘极表面形成稳定水膜，将捕集的微细颗粒、硫酸雾及气溶胶及时带走，避免了粉尘层电阻问题，从根本上绕过了“高比电阻粉尘”这一困扰干式 ESP 多年的核心难题。

Nagata 报告首先回到 ESP 性能最关键的物性参数——粉尘比电阻。粉尘在电场中的导电性同时受到体积传导和表面传导影响，前者与粉尘中 Na、K、Fe 等碱金属、铁含量有关，后者则强烈依赖烟气中的硫组分（尤其是冷端凝结形成的 SO₃/H₂SO₄ 薄膜）。随烟气温度变化，煤灰比电阻呈现典型“U 型”曲线：中温区比电阻高，近硫酸露点的低温区以及较高温度两端则相对较低[1]。当粉尘层电阻过高时，电场中的电压分布发生改变，易从“气隙先击穿的闪络放电”转变为“粉尘层先击穿”的回击电晕（Back Corona），表现为电源电压、电流上不去，电场利用率降低，导致除尘效率显著下降。

围绕高比电阻粉尘和回击电晕问题，Nagata 将提升干式 ESP 性能的措施归纳为三个维度：一是“粉尘层去除”，即通过改进机械结构将极板上的粉尘尽可能彻底清除；二是“电阻降低”，通过改变烟气条件或粉尘特性降低比电阻；三是“电流控制”，通过电气控制手段调节粉尘层电流密度，避免进入回击电晕区。对应到工程技术则形成了较为完整的技术谱系：低低温 ESP、高温 ESP、烟气调质、水/ SO₃ / NH₃ 喷入、混煤掺烧、电场间歇供电、纳秒脉冲供电以及可动电极 ESP（MEEP）和湿式 ESP 等组合手段[1]。

在电气控制方面，间歇供电技术已成为处理高阻煤粉灰时的标配之一。其核心思想是利用“通—断”占空比调节，使粉尘层电压在上升到接近击穿电压前切断供电，随后在断电期内粉尘层电荷泄放、电阻恢复，再重新加压。通过这种动态控制，等效提升了电场的平均工作电压与电晕电流，而不触发持久性回击电晕。Nagata 从 V-I 特性曲线出发，给出了“强化系数（K）”和功率消耗比的关系，指出在比电阻 10¹¹～10¹³ Ω·cm 的高阻粉尘（典型如部分燃煤锅炉和烧结烟气）工况下，间歇供电可以在不大幅增加能耗的前提下显著提升有效集尘面积利用率[1]。在中、低阻粉尘区（<10¹¹ Ω·cm）则需综合考虑能耗增幅与效率边际收益，进行工况优化。 相比之下，脉冲供电尤其是纳秒级高压脉冲技术，则通过在常规变压整流装置之后叠加高速开关模块，使电晕区承受极短上升时间、高峰值的电压脉冲。高场强脉冲在不显著增加平均电压的情况下，大幅增强空间电荷密度和初级电晕，改善粗、细颗粒的荷电状态，减轻粉尘层局部过热和电场畸变，对于复杂烟气条件下的高阻尘治理具有明显潜力[1]。在工程实践中，间歇供电和脉冲供电往往与分区控制、在线参数优化结合，构成面向高阻煤灰的“智能电源系统”。 在电阻控制方面，Nagata 报告再次强调了烟气温度窗口与工艺布置的关键作用。传统“常规系统”中，燃煤锅炉烟气流程多为：锅炉 → SCR 脱硝 → 空预器 → 干式 ESP → GGH → 脱硫 → 再热/再 GG H，烟气在 ESP 入口温度一般控制在 120～150 ℃ 左右，以减少 GGH 低温腐蚀风险[1]。而“高效系统”（低低温 ESP 或“极冷端 ESP”）则通过对布置进行优化，将 ESP 设置在脱硫之前但紧接 GGH 之后，使 ESP 入口温度可降至 80～100 ℃，利用近露点区粉尘比电阻降低的特性，大幅提升除尘效率，实现 <10 mg/m³（干基）甚至更低的颗粒排放[1]。在这种低低温 ESP 下，尾部再配合湿式 ESP 或袋滤器，可以满足欧盟和部分东亚地区日趋严苛的超低排放标准。 然而，低低温 ESP 也带来粉尘二次飞扬（再夹带）风险增加的问题。低温下烟气流速降低、粉尘黏附性增强，一旦振打方式不合理或气流分布不均，极板上粉层剥离后易被气流重新带入主流，从而使出口浓度高于理论设计值。Ugata 报告中提出的“停气停电振打”系统，通过在特定分室切断烟气和高压电源，在低流速甚至无气流条件下实施极板振打，明显降低再夹带；同时，优化灰斗保温和排灰系统，避免粉尘在低温段结露、架桥，也是低低温 ESP 成功应用的配套条件[1]。 为从根源上消除粉尘层电阻带来的回击电晕和再夹带问题，可动极板 ESP（Moving Electrode ESP，MEEP）为传统干式 ESP 提供了一个具有工程实用性的升级路径。MEEP 通过将部分集尘极改造为循环移动的板带或链式结构，配合下部滚轮、导向装置及机械清扫刷，使附着在极板表面的粉尘以“连续输送+机械刮除”的方式被彻底清除，而非依赖周期性振打。Nagata 报告展示了在土耳其一座常规低温 ESP 上导入 MEEP 的改造案例：通过对原有 ESP 改造为部分可动极板，不仅显著降低了再夹带，也通过保持极板表面“清洁”抑制了回击电晕，提高了高阻煤灰条件下的整体收集效率[1]。对于已投运的燃煤电厂、烧结机等老旧装置，MEEP 形式的局部改造，为在有限空间与投资约束下实现达标甚至超低排放提供了现实可行的方案。 与上述“在干式 ESP 体系内做强化”不同，湿式 ESP 则被 Nagata 明确定位为面对超细颗粒物、硫酸雾（SO₃ Mist）及燃气净化中亚微米金属颗粒的“终端强化单元”。典型的卧式湿式 ESP 由气体分布段、放电/集尘电场及洗涤水循环系统构成。电场内通过喷嘴形成雾化冲洗水或连续水膜，将极板表面的颗粒物和酸雾捕集后送入循环水箱，必要时通过 NaOH 或 Mg(OH)₂ 中和酸性，以防系统腐蚀和二次气体排放[1]。为避免结垢与堵塞，系统配置自动过滤和在线 pH 控制，实现“闭路循环+少量排放”模式。 在燃煤电厂应用场景中，湿式 ESP 通常串接于传统脱硫塔之后，形成“干式 ESP + FGD + WESP”的组合。对采用再生式 GGH 的系统，常规干 ESP 出口粉尘约 30 mg/m³，前置脱硫后再经 WESP 精处理，可将出口颗粒物降至 <10 mg/m³，同时大幅削减 SO₃ 酸雾与可见蓝烟[1]。Nagata 展示的实测对比照片中，当湿式 ESP 停运时，烟囱呈明显蓝色羽流（SO₃ Mist 与凝结气溶胶所致）；在湿式 ESP 投运后，尾气羽流几乎仅剩白色水蒸汽，酸雾基本消除[1]。在北东亚和欧洲严控“看得见的烟”的监管语境下，湿式 ESP 已逐步成为新建燃煤电厂高端配置及老厂提标改造的重要选项。 另一个值得行业关注的方向是湿式 ESP 在高炉煤气（BFG）、转炉煤气（LDG）等富含亚微米金属颗粒燃气净化中的应用。Nagata 报告给出了一套典型的“高炉煤气—燃气轮机联合循环（GTCC）”湿式 ESP 设计参数：入口粉尘粒径多在 1 μm 以下，浓度 5–10 mg/m³，且主要为铁系颗粒；为保护燃气轮机透平叶片，出口排放需控制在 <1 mg/m³[1]。在此类高比表面积、高硬度粉尘条件下，传统干式 ESP 与旋风除尘、布袋除尘方案难以兼顾压损、效率与维护成本，而湿式 ESP 凭借其对亚微米颗粒的高捕集能力和低压降优势，成为 GTCC 清洁燃气系统中的关键设备之一。 除电力与钢铁领域外，Nagata 还展示了竖流湿式 ESP 与湿法脱硫塔、深度冷却及 CO₂ 捕集单元耦合的流程构想。在“锅炉—干 ESP 或袋滤器—FGD—深度冷却—竖流 WESP—CO₂ 吸收塔”一体化工艺中，湿式 ESP 作为 CO₂ 捕集前的“深度精除尘+除雾”单元，为胺法等化学吸收工艺创造了极低固体颗粒和酸雾背景条件，有助于减缓吸收剂降解、降低换热器结垢和腐蚀，为未来大规模碳捕集工程奠定烟气预处理基础[1]。在碳中和与 CCUS 正加速推进的背景下，这一思路对于燃煤机组存量资产改造具有明确的前瞻意义。 城市交通领域的“隧道 ESP”则展示了静电除尘技术跨行业应用的另一侧面。隧道排风中细微柴油颗粒物（尤其是 PM₂.₅ 以下）占比高、风量巨大（>100 m³/s）、烟道风速往往超过 10 m/s，同时出口要求达到 <1 mg/m³ 排放并保证较高净化效率，是对电极系统和结构布置的严峻考验。Nagata 指出，隧道 ESP 通过采用窄间距电极系统和专门气流分布设计，可以在高风速下仍保持 >80% 以上除尘效率[1]。由于柴油颗粒黏性大、易附着和烧结，其收集过程通常采用“干式捕集+湿式冲洗”组合：在运行阶段作为干式 ESP 使用，而在维护窗口通过水洗对电极进行整体清洁，以恢复性能并减少积垢带来的放电异常[1]。这种设计思路同样可为高粉尘、高黏性排气如焦炉烟道、焚烧炉尾气提供参考。

总体来看，Nagata 在 ICESP 2024 上的报告并非单一新设备或单技术宣介，而是围绕粉尘比电阻、回击电晕、电场利用率和气溶胶控制等基础问题，构建了一套从“干式 ESP 强化—可动极板—湿式 ESP 深度治理—与 FGD/CCUS 耦合”的完整技术体系。对中国乃至东亚地区的环保设备制造商、电力和钢铁企业、工程总包商而言，一方面应在新建项目中更加重视系统层面的工艺布置与温度窗口选择，合理引入低低温 ESP 与 WESP 组合；另一方面，在存量改造中可根据自身工况条件，优先考虑间歇供电、脉冲电源、停气振打以及局部 MEEP 改造等“低扰动升级”路径。

在静电除尘与工业烟气治理从“达标排放”迈向“近零排放”和“过程大气环境质量改善”的阶段，干式与湿式 ESP 的协同应用，将越来越多地从“单机设备话题”转变为“系统解决方案”的重要组成部分。

参考文献
[1] Nagata, C. Dry and Wet ESPs and their applications. 5th ESP School, XVII International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP), 28 October 2024, Kyoto, Japan.

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