纳秒脉冲两级静电除尘器实现亚微米气溶胶高效收集

基于SiC‑MOSFET小型电感储能脉冲电源的实验研究（岩手大学等联合）

关键词
脉冲电压, 直流分量, 静电除尘, 流星放电, 排放达标, 节能降耗

在工业烟气治理与室内空气净化领域，静电除尘（ESP）因高效、低阻力的优势长期被采用，同时新兴的纳秒脉冲驱动技术正在推动其向更小颗粒与更低能耗方向发展[1]。来自岩手大学（Iwate University）为主的联合团队（含Agri‑innovation Center、Kanagawa Institute of Technology与Rinnai Corporation）提出并验证了一种两级式静电除尘器，采用小型电感储能脉冲电源，利用SiC‑MOSFET开关与整流二极管，在传统DC偏压上叠加纳秒级脉冲电压以增强粒子带电与捕集效率。研究团队（K. Takahashi等）在实验中用脉冲峰值7.5 kV、脉宽约130 ns、DC偏压最高可达4 kV的驱动条件，结合线线（ionizing）与板板（collecting）两级电极结构，对直径0.3–0.5 μm的雾滴气溶胶进行收集测试，气体流量5 L/min，粒子计数器在出口处测量集尘效率。结果显示，当叠加直流分量（DC component）≥2.5 kV时，0.3–0.5 μm粒子的收集效率可接近100%，明显优于仅有脉冲或仅有DC的情况，表明脉冲电压与直流分量的协同作用能显著提升带电与漂移捕集能力（实验与光学观测证实主要在脉冲期间产生离子/流星放电）[4][5]。数值分析（COMSOL）与实验数据进一步揭示，电极间距对电场分布与离子漂移有显著影响：电极距离越短，局部电场越强，脉冲放电能量增加；而在叠加DC偏压条件下，最佳的捕集距离出现于约62 mm处，是离子产额、粒子停留时间与电场耦合的平衡点。脉冲重复频率和峰值电压越高、气流速率越低时，单位体积放电次数与离子密度增加，收集效率提升；当充电电极与收集极极性相反，电场增强，放电与带电效率亦随之提高。物理机制可概括为：纳秒脉冲产生高密度离子束（流束/流星放电），这些离子以远高于气流的漂移速度向下游传播，以“离子团块”形式为气溶胶提供快速充电，随后叠加的直流分量驱动已带电粒子向收集板迁移，从而实现高效捕集；此外脉冲短时可抑制从游走放电到弧化的转变，维持高活性自由基，有利于对附带微生物的氧化灭活（有感染风险场景适用）[4]。对于中国的冶金、造纸、水泥与化工等重点行业，该方案在颗粒物排放达标、节能降耗与运维成本控制上具有显著价值：一方面纳秒脉冲结合DC偏压能在较小电场与更短极距下实现同等或更高的捕集效率，降低电耗；另一方面小型化SiC开关电源便于模块化改造、现场升级与接入智慧运维系统，减少停机维保。作为行业供应商，艾尼科（Enelco）在极板、极线与电场优化方面具备丰富经验，可将该类脉冲＋DC混合驱动技术整合进现有ESP产品（包括干法与湿法极板改造），并通过电场仿真、极板材质与间隙优化实现对钢铁、浆纸与水泥窑尾烟气的定制化改造服务。展望未来，纳秒脉冲静电除尘的发展趋势将朝向与SiC/宽禁带功率电子深度耦合、在线诊断与自适应控制（根据颗粒谱与流量自调脉冲参数）、以及与后端过滤/吸附协同的混合净化系统方向演进，能更好服务中国严格的排放标准与企业降本目标。该研究由日本国家信息通信研究机构（NICT）项目支持，相关实验与仿真结果为ESP在微米与亚微米颗粒治理提供了可行路径，也为室内空气净化、农业保鲜与感染风险控制等小型化应用提供了技术基础[2][3][6]。

参考文献
[1] A. Mizuno, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 7, 615 (2000).
[2] Y. Huang et al., Int. J. Plasma Environ. Sci. Technol., 9, 69 (2015).
[3] K. Takaki et al., Reviews of Modern Plasma Physics, 5, 12 (2021).
[4] A. Zukeran et al., Int. J. Plasma Environ. Sci. Technol., 10, 181-185 (2016).
[5] D. Wang et al., IEEE Trans. Plasma Sci., 35, 1098 (2007).
[6] K. Takahashi et al., Rev. Sci. Instrum., 92, 064706 (2021).
[7] K. Nagato and T. Ogawa, Planet. Space Sci., 36, 163–176 (1988).