喷雾电晕与接地放电极：黏性微细烟尘治理的新路径

基于东北师大环境科学与工程学院团队在 ICESP IX 上关于接地喷水电晕除尘技术的系统研究

关键词
Spraying corona discharges, Grounding discharge electrodes, Purifying flue gas, adhesive dusts, 静电除尘器, 湿式静电除尘

在餐饮油烟、沥青烟气、柴油机尾气等复杂烟气源中，大量粒径在亚微米到数微米之间的黏性颗粒和雾滴，是传统静电除尘器（ESP）和布袋除尘器都很难“啃动”的对象。黏附性强、易堵塞、易包覆放电极，是这类污染物的典型特征：ESP 中放电线被油泥包裹后电晕熄灭，布袋滤料被糊袋甚至糊死，设备难以长期稳定运行。这一难题直接推动了行业对新型电除尘技术的探索，其中，“喷雾电晕 + 接地放电极”的湿式/半湿式静电除尘技术，正逐渐成为一个值得关注的技术风向。

在 ICESP IX 会议上，东北师范大学环境科学与工程系许德轩、林珊珊、王玉佳、郭志明、葛伟立团队发表的《Study on Spraying Corona Discharge Technology with Grounding Discharge Electrodes for Purifying Flue-gas》系统研究了接地喷水电晕技术的放电特性和除尘、除污效果，对湿式与半湿式两种工况给出了实验数据和物理机制解释，为后续工程化设计提供了理论基础。

这项研究的核心概念是：在静电除尘器中，将集尘极接正高压，而喷淋放电极及整套供水系统全部接地，通过水膜和喷雾在放电极表面形成“水线”或“水针”，在高压场诱导下同时产生电晕放电和电流体动力学（EHD）喷雾，构建一个同时具备高荷电液滴、非热等离子体和自清洗能力的复合除尘场。这种构型一方面大幅降低了供水系统的高压绝缘难度，另一方面针对黏性粉尘、细微颗粒和异味有机物表现出优越的处理潜力。

在湿式喷雾电晕实验中，研究团队采用板–线结构：两块不锈钢高压极板悬挂安装，间距 300 mm，高度约 900 mm，宽度 500 mm；放电极为直径 1 mm、长度 700 mm 的不锈钢丝，其表面连续流下来自上部配水管的水，形成一条接地“水线”。当正极性直流高压加在极板上时，极板与接地水线之间形成非均匀电场，由于水线表面曲率半径极小，局部场强骤升，水面在电场力与重力共同作用下出现典型的 Taylor 锥，进而演化为多股细小水丝。随着电压升高到电晕起始电压以上，这些水丝末端不仅存在 EHD 雾化喷射，还叠加了电晕离子轰击引起的水花溅射，形成多分散喷雾云团。

显微分析表明，在放电极–极板距离为 50 mm，高压约 12.7 kV、稳定电晕条件下，喷雾中大量液滴直径约为 100 μm，直径大于 80 μm 的液滴质量占总液滴质量的 99.6% 以上，仅有少量毫米级大滴。这意味着在喷雾电晕条件下，主导颗粒捕集的是中等粒径、易被电场控制的液滴群，而不是细小 mists，这一特征对后续防止二次水雾排放具有积极意义。

从 I–V 特性看，湿式喷雾电晕的起始电压明显低于干式电晕。干式时放电线直径为 1 mm，而喷雾状态下决定局部场强的实际“电极”是细水丝，其直径可小于 0.2 mm，等效锐度更高，因此更易起晕。在同等电压下，湿式喷雾状态的总电流也显著高于干式，原因在于除了传统的离子电流和电子电流外，还叠加了携带电荷的水滴电流以及极板水膜回流形成的“漏电流”。当供水量减小时，两种工况的电流值逐渐接近，进一步印证了水滴电流的贡献。

在电荷传递机理上，湿式喷雾电晕不同于传统 ESP 的“气相荷电”。水线表面在负极性电晕下聚集大量负电荷，形成带电水滴刚脱离水面即带有初始电荷。随后在靠近放电极的高电场、富电子/负离子区，这些水滴又经历电场荷电和扩散荷电过程。尤其是高能自由电子对大液滴和小液滴都有高效荷电作用，使得多数液滴可接近饱和荷电状态。高度带电的水滴在电场中迁移速度快，与烟气中粉尘颗粒发生电–流体耦合的团聚过程，大幅提升了微细颗粒的捕集效率，这一“荷电液滴–粉尘凝并”机制在传统干式 ESP 中基本不存在。

实验同时关注了电极自清洗与集尘极表面状态对运行稳定性的影响。研究团队在高压集尘板表面事先涂覆一层黏性湿粉煤灰，然后在板间距 300 mm、喷淋量约 464 ml/(min·m)、高压 55 kV、电流 530 μA 条件下运行约 3 分钟。结果显示，原本被黏结粉尘覆盖的深色区域被水膜完全冲刷干净，只留下被水冲洗后的金属光泽。这表明在湿式喷雾电晕工况下，一方面放电极依靠持续水膜实现在线自清洗，避免油烟或焦油等黏性物包覆熄晕；另一方面集尘极形成的连续流动水层也能防止高比电阻粉尘引发反电晕和低比电阻粉尘回弹，实现“带水收集 + 即时带走”的协同效果。

值得注意的是，这套系统中的循环水并非单纯的“冲洗介质”。由于水膜和喷雾要穿越非热等离子体区，水相中会富集部分由电晕放电产生的活性物种，如臭氧（O₃）、过氧化氢（H₂O₂）等。作者引用了喷雾电晕杀灭大肠杆菌的相关研究[7]，并通过靛蓝染料脱色实验验证了该系统对水相有机污染物的氧化降解能力：在 30 mm 气隙、25 kV 高压下循环处理 30 min，靛蓝溶液脱色率可达 80.8%。与之类似，已有研究显示在水存在条件下的直流电晕有利于 NOx 的吸收与还原[8]。这意味着湿式喷雾电晕不但可以“洗尘”，对恶臭、色度和部分可溶性气态污染物同样具有治理潜力，为今后“一塔多效”工艺整合提供了思路。

与湿式不同，半湿式喷雾电晕则定位于“轻量化加湿 + 强化荷电”的应用场景，适用于含少量液相或潮湿粉尘的烟气。东北师大团队采用点–板结构进行半湿式实验：针状放电极由直径 0.5 mm 的不锈钢丝切削成长度 2 mm 的锐针，从玻璃细管伸出，水通过针筒外壁缓慢渗流，在点极表面形成可控薄水层或短水线，极板间距通常设为 100 mm。

在正高压加载于极板、点极接地的条件下，研究者系统考察了喷淋流量对电晕电流的影响。结果表明：当流量小于约 600 μl/min 时，点极周围主要为“包覆水膜状态”，随着流量升高，点极等效曲率半径增大，场强略降低，电晕电流呈下降趋势。在这一阶段，主导喷雾机制是正离子轰击引起的水花溅射，喷雾量有限，基本不产生连续 EHD 雾化。当地表水流量超过 600 μl/min 时，水开始从点极延伸成一小段“水线”，放电极从点极–板转变为短水线–板结构，电晕电流随流量上升而增强，此时 EHD 雾化机制占主导，与前述湿式工况机理趋同。

半湿式模式下，集尘极表面仅有少量液体或潮湿粉尘层，喷雾量控制在“不产生废水排放”的区间内，更多是通过适度提高粉尘层含湿率，降低粉饼黏结强度和比电阻，配合极板振打、气流扰动控制粉尘的可剥离性。这种工况特别适合不具备完善废水处理条件、但又面临细颗粒物与黏性粉尘双重挑战的工业场合，如部分燃油锅炉、沥青拌合站、非电行业中低硫烟气治理等。

总体来看，喷雾电晕与接地放电极的组合在技术上具有若干行业意义突出的优势：其一，放电极和供水系统整体接地，从根本上避免了带高压水路的绝缘和安全难题，提升工程可实施性；其二，持续的喷水使得放电极长期保持洁净，即使面对油烟、焦油、树脂烟气等工况，也能维持稳定电晕放电，适应性优于传统干式 ESP；其三，液滴穿越高浓度离子–电子区并获得高荷电量，使荷电液滴–粉尘凝并成为核心捕集机制，在 PM₂.₅ 及亚微米颗粒控制上具有潜在优势；其四，湿式模式下形成的导电水膜允许使用非金属集尘极材料，在理论上有望缓解严重腐蚀工况下金属极板寿命问题；其五，喷雾粒径以 >80 μm 为主，液滴易被极板捕集不易随烟气带出，可在实现高效除尘的同时避免“水雾蓝烟”风险；其六，在循环水系统中叠加了非热等离子体对水相和气相污染物的协同处理能力，为“一体化除尘–脱色–除味–抑菌”的装置开发提供基础。

随着“超低排放”“超净排放”和“近零排放”标准在部分地区逐步收紧，传统干式静电除尘器在细颗粒、黏性粉尘和多污染物协同控制上的边界愈发明显。以喷雾电晕为代表的湿式/半湿式 ESP 新技术，尤其是接地喷水放电极这一构型，为行业提供了兼顾安全性、可改造性和多污染物控制潜力的一个方向。东北师范大学团队在 ICESP IX 上的这项研究，虽然仍处于样机与实验室阶段，但其关于放电机理、粒径分布、荷电特性和循环水处理效应的一系列基础数据，已经在工程界引发关注。对于正在评估油烟、焦化、化工有机废气与高黏细尘治理方案的业主和设计单位而言，这一技术路径值得纳入中长期技术储备与示范工程的考量清单中。

参考文献
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