电荷增强滤除PM10：纤维过滤与滤饼脱落研究进展

清华大学PACE课题组（YAO Qiang 等）关于带电颗粒对滤除机理、单纤维沉积与滤饼脱落的系统研究

关键词
PM10, Filtration, Charged Particle, Dust cake, Single Fiber, cake detachment, reverse flow cleaning, 电除尘器, 极板优化

随着我国城市大气颗粒物（PM10）治理要求日趋严格，燃烧源尾气中可吸入颗粒的高效稳定去除成为行业关注的核心。清华大学热能与动力工程系PACE小组近期围绕带电颗粒（Charged Particle）在滤料上的沉积与滤饼（Dust cake）行为开展了系统实验与数值研究，为袋式除尘、电除尘器（ESP）与复合治理方案提供了重要参考（见文献[1-5]）。

研究由多层次试验组成：在滤器台架上，作者采用Si珠与实际锅炉粉尘做为测试颗粒，在2.40–2.52 m/min的过滤速度下比较了聚丙烯纤维介质A与膜式滤料QR033对带电与中性颗粒的压力降演化。结果显示，膜式滤料在中性颗粒下的压力降增加率为53 Pa/g·m2，而在带电颗粒预处理（On）下仅为29 Pa/g·m2，表明电荷能优化滤饼结构、降低单位质量负荷时的压降增长（见文献[2]）。但对于纤维介质A，带电颗粒更易出现快速堵塞与压降突增的负面影响。

单纤维显微观实验结合高倍率CCD观察揭示了带电颗粒聚集的形态差异：预极化或预充电颗粒沿纤维形成直链或带分支的链状结构，而摩擦电荷颗粒则更易出现树枝状团聚。实验中使用粒径近1.4–1.7 μm（VMD）粉尘，20 μm直径聚丙烯纤维作为捕获对象，发现链结构对捕获效率与再生特性有显著影响（见文献[3]）。

为理解微观机制，研究团队基于JKR接触理论开展三维DEM模拟，分析纤维阵列间距（W）对沉积速率与树枝最大长度的影响。模拟与实验在无量纲时间尺度上给出了定性一致性：更紧密的纤维阵列（W=4）因透气性降低，能显著提高沉积速率并加速树枝生长（见文献[4]）。

在在线反吹清灰（reverse flow cleaning）与滤饼脱落测试中，作者按VDI 3926建立台架并比较了常规过滤与带电颗粒过滤的清灰行为。总体观察到：带电颗粒形成的滤饼孔隙率更高（约0.85 vs 0.80），厚度更大但质量相近；在相同滤面状态下，带电滤饼反而更难通过反吹延展性分离，呈现更多小碎片化脱落，需更高的局部脱落应力（见文献[5]）。这提示带电预处理虽能提高初始截留与形成更疏松滤饼，但对在线清灰和运行维护提出新的挑战。

结合实务与产业应用来看，该研究对浆纸、钢铁、水泥与化工等高粉尘工况具有直接启示：一方面，可通过颗粒预充电与膜式滤料组合，降低压降增长速率、提升亚微米效率，从而有助于排放达标与节能降耗；另一方面，针对纤维介质的电荷效应需优化清灰策略与滤料选型以降低运维成本。艾尼科（Enelco）在电除尘器极板、极线与电场均匀化方面具有长期技术积累，可为上述复合系统提供极板/极线布置优化、脉冲功率与场均匀度调控的定制化改造方案，从而在ESP+袋式/膜式的混合工况中实现排放与能耗的平衡。

未来发展建议包括：一是将DEM与CFD耦合，用以指导滤料微观结构设计与间距优化；二是开发适配带电颗粒特性的在线清灰控制策略（可变脉冲、局部增强反吹等）；三是在工业案例中验证ESP预充电结合膜式滤料的长期运行稳定性与总体经济性。对于需要兼顾高效除尘与低运维成本的钢铁、水泥与电厂客户，基于清华PACE成果并结合艾尼科电场优化的系统改造将具有较高推广价值。

结论上，带电颗粒处理在提升初始过滤效率与形成疏松滤饼方面展现优势，但也带来了清灰难度的增加。将滤料工程、电荷预处理与电除尘器结构优化相结合，是实现PM10长期稳定达标和降低全生命周期成本的关键路径（参见文献[1-5]）。

参考文献
参考文献：
[1] YAO Q, LI S Q, SONG Q, HUANG B, XU H W, LIU G Q. Research Progress of the Control Technology of the PM10 from Combustion Sources. 11th International Conference on Electrostatic Precipitation, 2008.
[2] Huang B., Yao Q., Xu H.-W., Li S.-Q. Evolutions of Pressure-drop and Penetration for Pre-charging and neutral Particles on Fibrous and Membrane Filter. International Conference & Exhibition for Filtration and Separation Technology, Wiesbaden, 2005.
[3] Huang B., Yao Q., Li S.-Q., Zhao H.-L., Song Q., You C.-F. Experimental Investigation on the Particle capture by a Single Fiber using Microscopic Image. Powder Technology, 2006, 163:125-133.
[4] Li S.-Q., Marshall J. S. Discrete-element Simulation of Micro-particle Deposition on a Cylindrical Fiber in an Array. Journal of Aerosol Science, 2007, 38:1031-1046.
[5] Xu H.-W., Xiong G., Yao Q. Experimental study of cake detachment in cake filtration and electro-static enhanced cake filtration. World Filtration Congress, 2008.

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