高风速道路隧道静电除尘器性能再认识：从理论到工程配置

基于东京城市大学与富士电机联合团队对两级ESP在25 m/s工况下的系统实验研究

关键词
Electrostatic Precipitator, Road Tunnel, Diesel Exhaust Particles, High Gas Flow Velocity, Two-stage ESP, 隧道静电除尘, 工业烟气治理, 可见度指数, 颗粒物再飞扬, 臭氧控制

道路隧道中柴油车比例高、车流密集，导致柴油颗粒物（DEP）在封闭空间内快速累积，对能见度和驾驶安全影响显著。围绕“高风速”“高效率”“小型化”这三个几乎互相矛盾的指标，如何设计适用于道路隧道的静电除尘器（ESP），成为近年来工业烟气治理与隧道通风领域的技术焦点。

东京城市大学（Tokyo City University）与神奈川工业大学、富士电机（Fuji Electric Systems）等单位组成的联合研究团队，围绕“Performance of High Velocity Electrostatic Precipitator for Road Tunnel”这一课题，系统开展了高风速工况下两级静电除尘器性能研究。作者包括 Yoshiyasu Ehara、Akinori Zukeran、Ryouske Nakano、Takashi Inui、Toshiaki Yamamoto 和 Hitomi Kawakami 等，在国际静电除尘领域已有多篇关于道路隧道ESP、再飞扬抑制及臭氧控制的代表性工作[1–10]。

这项研究聚焦于柴油排放颗粒的一个关键特征：粒径极小（70–120 nm为主）且电阻率低。这类颗粒在静电场中容易带电，但同样容易在收尘极上发生感应脱落与二次飞扬，造成静电除尘效率衰减。与此同时，道路隧道ESP必须应对远高于传统电厂烟气净化系统的气流速度，论文中直接将气速提升到10–25 m/s 区间，对两级ESP的机理与结构优化提出了更严苛的挑战。

在研究方法上，作者选择了典型的两级ESP结构：前级为充电段（Precharger），后级为收集段（Collection Section）。充电段采用锯齿状放电电极，极间距为12 mm，接负极直流高压；收集段为平行板结构，极间距8 mm，配置6根高压电极，收集极电压为-7.0 kV。这样的结构在道路隧道静电除尘工程中已有一定应用基础，但此前缺乏在25 m/s等级高风速下的系统性能数据。

实验烟气采用柴油机尾气，经空气稀释后进入静电除尘器，利用变频引风机与轴流风机在ESP前后控制风速。颗粒物在线监测方面，团队采用SMPS（Scanning Mobility Particle Sizer，20–800 nm）与光学粒子计数器（>0.3 μm）组合，对ESP进出口颗粒数浓度进行粒径分辨测量，测试时长为20分钟，从而获得完整的粒径–效率曲线。这样的在线粒径谱测试配置，与目前工业烟气超低排放及纳米颗粒控制研究中的主流监测手段基本一致。

在理论分析上，作者仍然采用经典Deutsch模型作为基准框架，将颗粒在电场中的迁移速度与收集效率联系起来。颗粒在静电场内的理论迁移速度取决于颗粒所带电荷、局部电场强度、气体黏度以及Cunningham修正因子等参数，进而通过改写后的Deutsch公式将迁移速度与气体流速、极板长度、极间距等几何运行参数耦合，得到理论收集效率。作者在此基础上，对10、15、20和25 m/s四种气速条件下的理论效率曲线进行了粒径分布计算，发现所有工况下理论效率曲线均在约200 nm附近出现效率“谷值”，这与纳米颗粒电荷量、扩散迁移与电场迁移综合作用的机理认识相吻合。

实验结果显示，在不同气速下，ESP入口颗粒粒径谱峰值稳定出现在100 nm附近，符合柴油排放颗粒典型特征；随着气速提高，入口颗粒数浓度略有降低，主要是由于稀释空气量增加所致。更为关键的是，作者测得的实验收集效率同样呈现出以100 nm左右为“最低效率粒径”的特征，且气速越高，整体收集效率下降越明显。在25 m/s 高风速下，30–300 nm 粒径段的效率降至60%以下，这对道路隧道可见度控制和PM2.5治理都是一个不容忽视的工程约束。

有意思的是，整体对比理论与实验结果可以发现，在全部气速条件下，实际测得的收集效率普遍高于基于Deutsch模型推算的理论值。研究团队的解释是：德意志公式计算时只显式考虑了收集段的收尘贡献，而实际测试中前置充电段本身就兼具一定的捕集功能，特别是对电荷量较高、粒径较大的颗粒，有明显的提前截留作用，因此整体效率曲线上移。这一现象从工程设计角度提示我们：道路隧道ESP做精确选型与能效评估时，如果仅采用单级收集模型，很容易对两级结构的“总体效能”估计偏保守。

为了面向高风速道路隧道应用场景提高效率，作者进一步从结构与电气两个维度展开了性能提升研究。首先，他们在25 m/s 气速、收集段电压-7.0 kV的固定条件下，仅对充电段放电电流进行调整。结果表明，随着充电段电流从0.5 mA提升至1.5 mA、2.5 mA，ESP整体收集效率显著提高；当充电电流低至0.5 mA时，效率出现“断崖式”下降，说明充电能力不足会直接导致两级系统整体失效。更进一步，团队观察到：在>1000 nm粒径段，效率提升尤为明显，反映出大颗粒在高电荷量驱动下更易被收集。

在结构配置方面，研究团队系统比较了不同“充电段–收集段单元数”组合下的性能差异。他们以“D”代表一个充电单元，以“C”代表一个收集单元，在25 m/s工况下依次考察了D、DD、DDD等多单元串联对效率的影响。结果非常清晰：在维持每个充电单元电流为2.5 mA的前提下，充电段单元数从1个增加到2个、3个，总放电电流从2.5 mA提高到5.0 mA、7.5 mA，收集效率整体单调提升。

更具工程指导意义的是后续的“加D还是加C”的对比试验。在同样的高风速下，作者设置了三种组合：DCCC（1个充电+3个收集）、DDCC（2个充电+2个收集）、DDDC（3个充电+1个收集），总长度相近、每个D单元放电电流均为2.5 mA。对比结果表明，收集效率高低顺序为DDDC > DDCC > DCCC，也就是说，在有限的设备长度和电耗约束下，提高充电段配置（多加D）比简单延长收集段（多加C）更有效。特别是DDDC配置，在30–3000 nm 全粒径范围内整体效率达到70%以上，在25 m/s 的高风速隧道工况下已属相当优异水平。

从工业环保技术视角来看，这一结论对道路隧道ESP乃至其他高风速烟气除尘场景（如地铁地下通风、封闭式装卸站粉尘治理等）具有直接的工程启示：

一是传统“加长收集极提高效率”的思路，并不总是高风速工况下的最佳路径。在高流速、低电阻率颗粒工况中，强化充电段（提高电流密度、优化电极结构或采用AC-ESP等 advanced charging 技术），往往对整体效率提升更敏感。

二是对于以纳米颗粒和PM2.5为控制对象的道路隧道静电除尘系统，应慎重评估所谓“最低效率粒径”带来的实际影响。研究表明，100–200 nm 这一纳米级颗粒段，既是柴油排放颗粒的数浓度峰值，又是收集效率的薄弱环节，在高速气流掺混与车辆诱导风作用下，若不提升充电强度或采用优化极配结构，该粒径段很容易穿透整个ESP系统，直接影响可见度指数与健康风险。

三是必须将臭氧控制与再飞扬抑制纳入道路隧道ESP整体解决方案。Ehara与Zukeran团队此前大量工作已证明，通过交流静电除尘（AC-ESP）、正负极放电电极并联配置以及掺孔电极等手段，可以在抑制颗粒带电残留与壁面沉积[1–3]的同时，降低臭氧生成量[4–6]，并有效缓解低电阻率粉尘易再飞扬的问题[7–10]。本次高风速ESP研究，从气速与结构配置维度补齐了道路隧道应用场景下的另一块“缺失拼图”。

综合来看，这项联合研究的价值，不仅在于给出了一组10–25 m/s工况下两级ESP的完整实验–理论对照数据，更在于明确指出：在道路隧道这样的高风速环境中，要在紧凑空间内实现高效率静电除尘，最值得投入设计与改造资源的，并非一味加长收集段，而是通过“多级预荷电+高效电晕结构+合理极配”的方式，尽可能在入口段就把颗粒“带足电、带好电”，为后续收集段创造更有利的捕集条件。这一技术思路，已经在日本大都市圈的高速公路隧道与地下道路通风站得到工程实践验证，对于正在规划或改造大体量隧道通风与工业烟气治理系统的业内工程师，具有直接的参考与借鉴意义。

参考文献
[1] 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)
[2] Yasumoto K, Zukeran A, Takagi Y, Ehara Y, Takahashi T, Yamamoto T. Suppression of particle deposition onto downstream wall in an AC electrostatic precipitator with neutralization. (Conference paper, details as in original source.)
[3] Ehara Y, Katatani A, Zukeran A. Development of electrostatic precipitator on road tunnel. Journal of the Institute of Electrostatics Japan. 2010;34(2):72–74. (In Japanese)
[4] Ehara Y, Yagishita D, Yamamoto T, Zukeran A, Yasumoto K. Relationship between discharge electrode geometry and ozone concentration in electrostatic precipitator. In: 11th International Conference on Electrostatic Precipitation; 2008. p. 670–674.
[5] Yasumoto K, Zukeran A, Takagi Y, Ehara Y, Takahashi T, Yamamoto T. Effect of electrode thickness for reducing ozone generation in electrostatic precipitator. Transactions of the IEEJ A. 2008;128(11):689–694. (In Japanese)
[6] Katatani A, Hosono H, Murata H, Mizuno A. Reduction of ozone generation in an electrostatic precipitator. Journal of the Institute of Electrostatics Japan. 2008;32(5):222–227. (In Japanese)
[7] Bassett JD, Akutsu K, Masuda S. A preliminary study of re-entrainment in an electrostatic precipitator. Journal of Electrostatics. 1977;3:311–357.
[8] Masuda S, Moon JD, Aoi K. AUT-AINER precipitator system – an effective control means for diesel engine particulates. In: Actas 5, Congreso Int Aire Pure; 1980. vol. 2. p. 1149–1153.
[9] 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.
[10] Yasumoto K, Zukeran A, Takagi Y, Ehara Y, Yamamoto T. Improving nano-particle collection efficiency and suppressing particle re-entrainment in an AC electrostatic precipitator with hole-punched electrode. In: 11th International Conference on Electrostatic Precipitation; 2008. p. 251–255.

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