双筒静电除尘器：破解船舶柴油颗粒物低比电阻难题

基于日本富士电机与多所高校的双筒ESP试验研究，重新审视船舶与柴油发电排放控制路径

关键词
electrostatic precipitator, diesel particulate matter, marine emissions, double cylinder ESP, re-entrainment, 船舶烟气治理, 柴油机尾气后处理

随着国际海事组织（IMO）排放法规日趋严格，船舶与大型柴油发电机组的颗粒物（PM）控制正从“是否治理”转向“如何高效治理”的新阶段。对于工业环保工程师而言，一个长期存在却不够受重视的难点正在被重新摆上台面：低比电阻柴油颗粒物在传统静电除尘器（ESP）中的可控性和可靠性。

这类低比电阻微粒广泛存在于船舶主机、辅机以及岸基柴油发电机的烟气中，与燃用重油、低硫燃油或者部分劣质燃料油密切相关。它们在常规静电除尘器中极易发生“感应带电后脱落”，即二次飞扬或再夹带（re-entrainment），导致大粒径段效率急剧下降。这使得很多船舶用ESP项目在高粉尘负荷、高烟温工况下，难以稳定实现预期的总效率和质量排放控制目标。

针对这一痛点，日本富士电机系统（Fuji Electric Systems Co., Ltd.）、东京城市大学（Tokyo City University）、神奈川工业大学（Kanagawa Institute of Technology）等单位开展了双筒型静电除尘器（Double Cylinder Type ESP，简称 W-Cylinder ESP）的系统研究，重点考察其在船舶和柴油发电烟气工况下对低比电阻柴油PM的控制效果。本文基于 Hitomi Kawakami、Masataka Yoshida、Akinori Zukeran、Yoshiyasu Ehara、Takashi Inui、Toshiaki Yamamoto 等作者发表的研究，对这一新型双筒ESP的结构理念、实验方法及关键结果进行技术解读，帮助行业读者评估其在海运减排与船舶脱白、岸电替代等场景中的应用潜力。

在研究思路上，作者首先回顾了以往抑制再夹带的多种技术路径，包括覆盖介质薄膜的收尘极、雾化水协同控制、将ESP作为团聚器使用、静音放电型ESP、梯度力强化收集以及低频交流场ESP等[1-7]。这些方法在一定条件下可降低再夹带，但在高粉尘负荷、高温船舶烟气等极端工况下仍存在适用性和稳定性问题。随后，研究团队引入电流体力学（EHD）增强ESP的概念[8-9]，并在此基础上提出了结构更为简洁的双筒型ESP，通过流场分区与压差引导，专门对付低比电阻颗粒引起的再夹带现象[10-11]。

实验部分选用一台排量约 6728 cc 的柴油发动机空压机（Denyo DIS-685SB，燃用A重油），在转速约 1200 rpm 下运行，以模拟船舶主机或大功率柴油发电机组典型工况。实验烟气温度在 220–334 ℃ 之间，静电除尘器内部气流速度约为 10 m/s，属于高温、高速、粉尘负荷较高的苛刻应用场景。研究分别搭建了传统单筒结构 ESP（S-Cylinder ESP）和新型双筒结构 ESP（W-Cylinder ESP），采用相同的负极直流高压（约 −4.8～−6.1 kV），对比评估两者在颗粒数浓度和质量浓度维度上的除尘性能。

在颗粒物测试方法上，作者采用了经典的“数浓度+质量浓度”双线条方案：40–500 nm 粒径段使用扫描迁移率颗粒谱仪（SMPS）测量超细颗粒数浓度，300–17000 nm 粒径段使用光学粒径谱仪（Welas 2000）测量粗细颗粒谱；同时，配合低流量采样器（LVS）进行滤膜称重，获得总质量浓度和质量效率、滤膜颜色变化等直观指标。由于柴油颗粒物浓度较高，为保证测量稳定性与仪器安全，研究在采样前通过稀释系统将烟气约 10 倍稀释，然后分别在ESP进口和出口进行同步测量，通过上下游数浓度比值计算粒径分级效率。

新型双筒ESP的结构设计是本研究的核心。与传统单筒ESP只存在一个带电空间不同，W-Cylinder ESP引入了“充电空间+收集空间”的双区概念：内圈为放电极和带孔接地极之间的高场强充电空间，主要负责颗粒荷电和一次捕集；外圈为带孔接地极与外壳之间的收集空间，流速显著降低（约为内圈的三分之一或更低），专门用于承接和再捕集由内圈被流场及感应力带走的大颗粒。充电空间中，颗粒先被冠流电场荷电并捕集在带孔极表面，随着表面粉层形成和感应带电，部分颗粒发生团聚形成大颗粒[11]。在高速、高剪切力气流作用下，这些大颗粒更容易脱离电场强区，通过带孔结构在压差作用下被“吸入”外圈收集空间。在外圈，气速下降导致气动力剪切应力大幅减小，再夹带风险被显著压制，大颗粒得以在外筒内被稳固收集。这一设计等于是将“不稳定的带电粗颗粒”从高场强、高流速区域“安全转移”至低流速缓冲区，从而在结构上化解了低比电阻颗粒高再夹带率的核心矛盾。

从实验结果来看，在40–500 nm 的细颗粒段，两种ESP都表现出较高的数效率，典型的效率谷值出现在约150 nm 附近，这是介于扩散充电与场致充电之间的常见效率低谷。研究显示，在约100 nm 左右粒径上，双筒ESP的效率略低于单筒ESP，主要原因与带孔极导致的有效收集面积略减有关。但在 80 nm 以下的超细颗粒段以及 200 nm 以上的亚微米颗粒段，双筒ESP的效率反而优于单筒结构，体现出在高负荷、长周期工况下更好的整体捕集稳定性。

在300–10000 nm 中大粒径段，差异则更加明显。实验表明，在单筒ESP中，随着粒径增大，部分粒径通道出现了“出口浓度高于入口”的反常现象，对应的计算效率甚至为负值，这可以直接被解读为再夹带主导的大粒径段性能塌陷。尤其是大于600 nm 的粒子，由于在电场中已高度团聚且易受流场剪切影响，极易从极板表面脱离再次进入主气流，形成明显的“粗颗粒反弹”效应。而在同样工况下，双筒ESP在大于1000 nm 粒径区间仍然保持了正效率，并且随粒径增大并未出现剧烈掉头，说明通过结构分流与压差引导形成的外圈低速收集区，确实有效打破了传统ESP对低比电阻粗颗粒“收得上、留不住”的技术瓶颈。

在质量效率和长期运行维度上，低比电阻PM造成的问题更为直观。实验基于LVS对采样滤膜进行短周期（如运行15 min）及长周期（运行近1小时以上）跟踪。数据表明，单筒ESP在启动初期，质量效率可以达到约34%，但随着运行时间拉长，滤膜显示的出口颜色逐渐加深，质量效率明显下滑，这与粗颗粒再夹带逐步累积的机制完全吻合。相反，在双筒ESP中，尽管效率也会随时间有所降低，但整体质量效率始终高于单筒结构，且从滤膜颜色对比来看，出口滤膜与进口滤膜的差异始终清晰可辨，体现出更可靠的工程适用性。

对工业应用而言，这项研究的意义不仅在于单一设备效率的提升，更在于为“船舶柴油PM控制如何走向工程稳定”提供了结构性的解决思路。对于需要兼顾大空间受限（烟道布置受限）、高温（200–350 ℃）、油品复杂（重油、低硫油、甚至掺混燃料）的船舶与港口岸电柴油机用户而言，双筒ESP以较为简单的机械结构，引入基于流场差异和压差导向的再夹带治理机制，较好地兼顾了设备紧凑性、能耗与可维护性。这对于未来与SCR、湿法脱硫、船舶脱白一体化系统的串并联组合，也提供了更大的工艺弹性。

综合来看，该研究验证了双筒型静电除尘器在海运与柴油发电排放控制中的技术可行性：在超细颗粒段保持与传统ESP相当甚至更优的效率，在粗颗粒段显著抑制低比电阻颗粒再夹带，并在长时间运行中维持更高的质量效率。对于正在规划或升级船舶尾气后处理系统的船东、设计院及设备供应商而言，这一结构理念值得在后续项目中进行示范应用和本地化工程优化。

参考文献
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[10] Zukeran A, Ikeda Y, Ehara Y, Matsuyama M, Ito T, Takahashi T, et al. Two-Stage Type Electrostatic Precipitator Re-entrainment Phenomena under Diesel Flue Gases. IEEE Transactions on Industry Applications. 1999;35(2):346-351.

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