静电除尘器（ESP）流固两相电流体力学分析与纳米颗粒捕集技术

基于大阪府立大学 M. Okubo 与 H. Fujishima 的三维电流体动力学数值模拟研究（Corresponding: mokubo@me.osakafu-u.ac.jp）

关键词
Electrostatic Precipitator, Ionic wind, Secondary flow, Two-phase flow, Numerical simulation, 静电除尘器, 纳米颗粒, 低压降

随着PM2.5和纳米颗粒问题成为大气与工业排放治理的核心议题，静电除尘器（ESP）以其低压降、高纳米颗粒收集效率的优势，再次受到关注，且在电站、钢铁、纸浆造纸、水泥及化工等行业具有广泛潜在应用价值。大阪府立大学的M. Okubo与H. Fujishima对ESP内的三维两相电流体动力学（electro-fluid dynamic, EFD）进行了系统性的数值研究，揭示了离子风（ionic wind）对气相流场和颗粒运动的影响机制[1]–[4]。本文在行业视角下改写与扩展该研究要点，并结合工业应用与艾尼科（Enelco）电除尘技术特性，展望技术落地路径。

该研究将电场、热流体动力学与颗粒动力学三类方程耦合：电势服从Poisson方程（由Maxwell方程得到），气体流场由不可压Navier–Stokes方程描述，颗粒轨迹采用拉格朗日方法求解。颗粒带电过程分为场充电与扩散充电两类，前者对大于1μm颗粒主导，后者对小于100nm纳米颗粒占优，电荷松弛时间极短，许多颗粒在进入ESP时可近似为饱和电荷状态[9]。数值上作者采用有限差分法求解电场，并以k–ε湍流模型处理高Re条件下的主流湍动，以CFD软件（如FLUENT等）完成耦合仿真[5]–[7]。

三维仿真结果显示：在无主流或低速主流条件下，点放电（tuft/point corona）会在收集区形成有序的“甜甜圈”状回环二次流，推动颗粒向电极表面移动；随着主流速度增加，这些环状流向下游延伸并逐步被主流剪切、扭转形成三维螺旋结构，最终在更高来流下被湍流扩散弱化[3],[5]。研究引入的无量纲EHD数（Nehd）可用于定量评估离子风对主流的相对影响，当Nehd大于约2时，离子风显著增强并可能诱发更强的湍流[10]。此外，废气温度对离子风与收尘效率亦有显著影响：高温有利于电荷密度与黏滞性变化，使二次流更强，对纳米颗粒的影响尤为明显，而场充电随温度上升减弱、扩散充电增强，导致不同粒径颗粒的收集效率呈现复杂温度依赖[6]。

对中国工业的启示是明确的。对钢铁、浆纸、水泥及化工行业而言，应用经过三维EFD优化的ESP可在保证低压降的同时提升纳米颗粒去除率，减少对滤料的依赖并降低运营能耗与维护成本。艾尼科（Enelco）在极板形状、极线（极线/极丝）布局、电场均匀化及孔型极板（hole-type EP）防再悬浮方面的技术积累，可与此类数值仿真结合，通过电极间距、电极投影与电极表面结构优化来降低再悬浮、提高低电阻颗粒（如柴油机颗粒）收集率并便于离线或在线清灰维护[7],[8]。

综上，ESP的未来发展将依赖于精细的电流体耦合模拟与工程化电极设计相结合，针对行业工况（流速、温度、颗粒谱、气体成分）进行定制化方案，可实现排放达标、节能降耗与运维成本优化。建议工业企业与设备供应商基于三维EFD仿真开展示范工程，优先在钢铁、造纸、水泥及柴油机尾气处理等场景试点，以推动ESP在中国市场的更广泛应用。

参考文献
[1] S. Kambara, M. Okubo, et al., Atmospheric Pressure Plasma Reaction Engineering Handbook—Fundamentals of Reaction Process and Actual Simulation, NTS, Inc., 2013.
[2] M. Okubo and H. Fujishima, J. Inst. Electrostat. Jpn., 40 (4), 162–167, 2016.
[3] T. Yamamoto, Y. Morita, H. Fujishima, and M. Okubo, J. Electrostat., 64, 628–633, 2006.
[4] T. Yamamoto, M. Okuda, and M. Okubo, IEEE Trans. Ind. Applicat., 39(6), 1602–1607, 2003.
[5] N. Farnoosh, K. Adamiak, and G. S. P. Castle, J. Electrostat., 68, 513–522, 2010.
[6] Y. Li, C. Zheng, K. Luo, X. Gao, J. Fan, and K. Cen, Chinese J. Chem. Eng., 23, 633–640, 2015.
[7] K. Kawakami, A. Zukeran et al., J. Jpn. Inst. Mar. Eng., 46(5), 111–117, 2011.
[8] H. Kawakami, A. Zukeran, K. Yasumoto, T. Inui, Y. Ehara, and T. Yamamoto, Int. J. Plasma Env. Sci. Tech., 6(2), 104–110, 2012.
[9] The Institute of Electrostatics Japan, Electrostatics Handbook, Ohmsha, Ltd., 1985.
[10] T. Adachi and T. Okubo, J. Inst. Electrostat. Jpn., 11(4), 246–254, 1987.
[11] T. Kuwahara, K. Yoshida, T. Kuroki, K. Hanamoto, K. Sato, and M. Okubo, Plasma Chem. Plasma Process., 34(1), 65–81, 2014.
[12] K. Nakajima, K. Takahashi, M. Tanaka, T. Kuroki, and M. Okubo, J. Phys. Conf. Series, 646(1), 012056, 2015.