导电碳纤维复合材料在湿式电除尘器中的新突破

基于Waterloo大学与TurboSonic等单位的WESP导电复合材料开发及工程验证解读

关键词
wet electrostatic precipitator,WESP,conductive composite material,carbon fiber,arc erosion,静电除尘器,湿式电除尘器,超低排放,生物质锅炉,垃圾焚烧

湿式静电除尘器（WESP）在酸雾治理、超细颗粒控制和有色烟羽消除中的重要性，这几年在国内环保行业已经形成共识。随着燃煤机组超低排放、危废焚烧提标改造以及林浆纸、生物质锅炉深度治理的推进，如何在强腐蚀、强结露工况下长期稳定运行，成为WESP工程应用的关键瓶颈之一。传统的不锈钢、碳钢和铅材料在高酸度、高氯化物的工况下腐蚀严重，且在高压运行中易因电弧烧蚀导致结构失效，材料升级已经成为行业共同关注的技术方向。

本文解读的研究来自加拿大TurboSonic Technologies Inc.、Bellshire Technologies Inc.和University of Waterloo，以及阿联酋American University of Sharjah等单位，作者包括Robert Allan、Shesha Jayaram、Ayman El‑Hag和Paul McGrath。他们提出并系统开发了一种用于湿式电除尘器的导电碳纤维复合材料，旨在为WESP集尘极提供一种兼具高导电性、高抗弧蚀、耐强腐蚀的替代方案，以取代传统的304L不锈钢和铅材，服务于更严苛的工业烟气治理场景。

从行业应用看，WESP主要用于垃圾焚烧、玻璃窑炉、焦化、非铁冶金、燃煤与生物质电站、木材与纸浆等排气中去除细尘和酸雾。传统湿式电除尘器的收尘极多采用碳钢或不锈钢板，也有在强酸工况下采用铅或镍基合金。虽然这些材料在力学强度和可制造性方面较成熟，但在含氟、含氯烟气以及pH接近0甚至低于0.4的极强腐蚀环境中，普遍存在点蚀、应力腐蚀、蠕变变形等问题，导致系统寿命缩短、停机检修频繁，并严重制约了高电压高电流优化运行。另一方面，行业也尝试过PVC、PP等塑料材质，但由于依赖连续水膜接地，一旦局部水膜中断极易发生闪络、烧穿甚至引发火灾，因此未能在工程上大规模应用[1]。欧美也出现过利用膜材与毛细水流的膜式湿式电除尘器概念[2][3]，以及采用碳纤维和纳米材料用于放电极以提升电晕性能的探索[5][6]，但将碳纤维复合材料直接用于收尘极、并在工业工况下实现长期稳定运行，仍然是一个未完全解决的技术难点。

本项研究首先从材料筛选入手，围绕湿式电除尘器收尘极的典型失效模式——腐蚀、导电衰减和电弧烧蚀——搭建实验室评价体系。研究团队在Waterloo大学高压实验室搭建了点–盘式高压试验装置，用300 kV直流电源在6.7 kV/cm左右的电场强度下，对不同候选材料进行电性能和抗弧蚀测试。材料样品制成直径约80 mm、厚度10 mm的圆盘，通过调节30–70 kV间隙电压模拟全尺寸WESP的放电条件，测量体积电导和表面电导，获取电压–电流特性曲线；随后以50–60次/分的火花频率施加一定时间的电击，以商业化碳粉填充玻璃钢（FRP）为对比样，观察不同材料的火花侵蚀情况。

在2–3年的反复筛选中，研究者从多种增强塑料/环氧/碳粉组合、碳粉填充玻璃钢以及带金属纤维网层的碳/环氧样品中，筛选出一类碳纳米管/环氧基的导电复合材料，其体积和表面电导接近钢材，且在火花条件下几乎不出现明显烧蚀。这一材料被确定为后续深入开发的基础配方，并在此基础上进一步从耐弧蚀和耐腐蚀两方面进行优化，使其适配湿式电除尘器在强腐蚀烟气和高电压运行下的长期需求。

仅依靠实验室火花试验仍不足以证明材料在实际WESP中的可靠性，因此团队在两个工业工厂开展了现场试验，将新材料制成圆形导电复合管，插入实际运行中的湿式电除尘器中，与原有六角收尘管并列对比。第一个试验现场为保温材料生产装置，其WESP处理的废气含有氟化物和氯化物，冲洗液pH低于0.4，属于极强腐蚀工况，因此原系统采用了铅制六角管。新材料样管安装后，研究团队刻意调整布置，使放电极偏心，从而将大部分放电闪络集中到试验管内，并在投运初期进行“强制电弧”考验，以观察材料的抗弧蚀能力。第二个试验点位于以含盐生物质与煤混烧的纸浆厂锅炉尾气系统，同样为含酸含盐复杂介质。

这两支试验管在工程系统中运行约10个月后拆检，结果显示：从结构和机械强度来看，样管未出现明显变形或开裂，耐腐蚀性也符合预期，表明导电复合材料在强酸、含盐湿烟气中具有与铅类材料相当甚至更优的抗腐蚀性能；但同时也发现了一个关键问题——在高能电弧冲击下材料出现局部穿孔，抗弧蚀性能不足以应对实际WESP中的“电弧”而不仅仅是“火花”。这一步验证非常重要，它把实验室火花试验与实际运行中长持续时间、大能量电弧的差异暴露出来，也直接促使研究方向从“抗火花”转向“抗电弧”。

为了更加贴近工程实际，研究团队在TurboSonic位于Waterloo的试验平台上构建了第二阶段的大能量电弧验证系统。该系统采用一节3 m长、等效直径250 mm的六角收尘管，由50 kV/8 mA的NWL高压变压器整流装置供电。为模拟实际工程中多根收尘管并联时庞大的电容效应，试验在收尘管并联一组电容器组，总电容量相当于约277根、长度5 m、直径250 mm的管束。通过这种方式，每次电弧在试样表面释放约67 J能量，并可通过T/R控制器准确计数电弧次数。

在这一平台上，304L不锈钢被用作基准材料。测试结果显示，当累积电弧次数约3400次时，304L表面已经出现明显点蚀；约10000次时，表面严重凹坑与金属损伤；当电弧次数增加至约13000次时，金属已经出现大面积损伤。考虑到正常WESP运行中很少会在同一点位累积到如此高的电弧次数，研究组将“10000次大能量电弧后损伤程度”作为评判材料抗弧蚀性能的工程参考标准，用于与后续优化复合材料进行对比。

针对导电复合材料本身，研究者对织物结构、树脂体系和填料比例进行了重新设计，重点优化电弧能量在材料内部的分布与耗散路径。最终选定了以2×2斜纹碳纤维织物为增强骨架、配合高热变形温度的耐腐蚀环氧乙烯基酯树脂体系的多层复合结构。为了揭示其抗弧蚀机理，团队对多块样品进行大能量电弧冲击，并在不同累积电弧次数（约2000次、10000次等）下取样，用光学显微镜从宏观和微观两层面分析材料表面及截面形貌[7]。

显微观察发现，2×2斜纹结构样品的电弧侵蚀并非集中在某一方向的纤维束上，而是在经纱和纬纱两个方向上较为均匀分布，侵蚀痕迹多呈沿纤维束横向的线状沟槽，截面形状接近“V”型。在约2120次电弧作用后，典型沟槽深度约为46–113 μm，仅相当于复合层总厚度的约3.9%，表面层厚度的约15.6%。当电弧次数增加至约10000次时，最深侵蚀沟槽约364 μm，约占整体厚度的11%、表层厚度的2/3，但从宏观看，样品表面肉眼仅能观察到光泽减弱、轻微变色，未出现贯穿烧蚀及严重剥落。这与相同条件下304L已经出现明显金属损伤形成鲜明对比，说明该导电复合材料在大能量电弧下的耐久性明显优于304L。

更有意义的是，研究表明电弧侵蚀路径受到织物组织结构的明显影响：当侵蚀深入至下层、朝相反方向铺设的纤维束时，烧蚀沟槽会发生近90度转向，在经纬纱之间形成类网状的能量消散轨迹。这意味着通过选择合适的织物密度、叠层厚度和铺层方式，可以在一定程度上“引导”电弧能量在材料内部的走向，将其分散到更大的体积内，从而降低局部温升和穿透风险，为WESP收尘极的抗弧蚀设计提供了材料层面的“结构调控”思路。

考虑到实际工程中导电复合六角管需要通过粘接工艺进行拼接和组装，粘接界面本身的导电性和抗电弧性能同样至关重要。研究团队用两种不同的导电粘接配方对平板试样进行拼接，一种采用导电碳粉混合填料，另一种在相近成本条件下引入碳纳米管+导电碳粉的复合填料体系。分别制备窄胶缝（小于0.25 mm）和厚胶缝（约1.25 mm）样品，为保证导通可靠，在施胶前将基体板打磨至大约80%表面碳纤维裸露，以消除表面绝缘树脂层。随后在同样的大能量电弧条件下对搭接缝施加约10000次电弧冲击，结果显示两种导电粘接体系在弧蚀形貌上与母材相似，未出现明显界面开裂和烧穿，说明通过合理的表面预处理与导电填料设计，可以将粘接接头的抗弧蚀性能提升到接近或达到母材水平，为大尺寸WESP导电复合管束的工业化制造提供了工艺基础。

在完成材料和连接结构的多轮试验后，TurboSonic和Bellshire团队采用优化后的导电碳纤维复合体系，制造了一套全尺寸六角导电复合集尘管束，并安装至一套中试规模的垂直流湿式电除尘器中进行整体性能验证。该中试WESP的六角管公称直径约300 mm，长度约5 m，结构与实际工程项目中常见的立式六角WESP基本一致，整机处理饱和烟气量约3000 m³/h，并配有预洗涤塔、变频风机和排气烟囱；高压电源及控制系统由PLC/HMI一体化管理，可记录变压器/整流器运行参数并支持多种输入电压和频率。试验结果显示，在静态电气性能测试中，以导电碳纤维复合材料为收尘极的管束，其电压–电流特性、起晕电压、限流特征等与304L不锈钢管束非常接近；在饱和空气条件下的动态运行测试中，系统能够实现稳定放电和连续冲洗，未出现异常闪络和结构异常，为后续在真实烟气条件下的长期工业性试验奠定了基础。

综合上述工作，研究团队得出的结论是：基于碳纤维和碳纳米管增强的导电复合材料，在体积电导和表面导电性方面已可以媲美碳钢和304L不锈钢；在模拟多管束电容效应、每次电弧能量约67 J的大能量电弧冲击下，其抗弧蚀寿命显著优于304L不锈钢；而耐腐蚀性能则主要取决于所选树脂体系，通过选择合适的耐化学腐蚀环氧乙烯基酯或其他高性能树脂，理论上可覆盖甚至超越铅和高镍不锈钢在强酸性和含氯环境中的适用范围。对于需要长期在低pH、含氟、含氯和高湿饱和条件下运行的湿式电除尘器系统，这一类导电碳纤维复合收尘极，不仅有望在寿命和可靠性上带来提升，还可通过更高的电压电流运行空间，进一步提升酸雾和超细颗粒的捕集效率，为垃圾焚烧、危废处置、生物质锅炉、玻璃与冶金行业的深度治理提供新的材料路径。

从行业风向来看，这项研究为湿式电除尘器材料技术指明了几个值得关注的发展方向：一是“导电+耐腐蚀+抗弧蚀”的复合性能设计将成为未来WESP收尘极研发的核心指标，不再满足于单一性能；二是通过调控碳纤维织物结构与叠层方式对电弧能量进行“结构化分配”，为ESP结构设计和数值模拟提供了新的变量；三是导电粘接界面设计将成为复合材料WESP工程化的关键工艺点，需要与材料体系同步优化。结合当前国内超低排放、超洁净排放和VOC深度治理的政策趋势，可以预见，以导电复合材料为基础的湿式电除尘器，有望在高腐蚀、高粉尘、高酸雾的边界场景中承担更多“最后一公里”的治理任务，与传统干式ESP、袋式除尘器及湿法洗涤系统形成更灵活的组合，为工业烟气治理提供更具弹性的技术选项。

关键词中需要自然出现：湿式电除尘器、静电除尘器、导电复合材料、WESP、电弧腐蚀、超低排放、生物质锅炉、垃圾焚烧等词汇，使行业读者能够迅速将研究成果与自身工程实践场景建立联系，从而进一步推动这一新型材料在国内湿式静电除尘工程中的示范与应用。

参考文献
[1] Parker, K. WESPs and Fine Particle Collection. Proceedings of the 8th International Conference on Electrostatic Precipitation, Birmingham, AL, USA, 14–17 May 2001.
[2] Pasic, H., Alam, M. K., Bayless, D. J. Membrane Electrostatic Precipitator. US Patent 6,231,641, 15 May 2001.
[3] Bayless, D. J., et al. Membrane-based Wet Electrostatic Precipitation. Journal of the Air & Waste Management Association, 2005, 55(6): 784–791.
[4] Pritchard, G. The Chemical Reactivity of Carbon Fiber-Reinforced Composite Materials. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 1975, 5(1): 55–81.
[5] Morosko, J. M. Composite Discharge Electrode for Electrostatic Precipitator. Master Thesis, Russ College of Engineering and Technology, Ohio University, March 2007.
[6] Khairul Alam, M. Carbon Fiber Discharge Electrode. Patent Application, 8 July 2010.
[7] McGrath, P. Internal Confidential Report from Bellshire Technologies Inc. to TurboSonic Inc., 9 March 2009.

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