ABSTRACT

Wet electrostatic precipitators (WESP) have been widely studied for collecting fine and ultrafine particles, such as diesel particulate matter (DPM), which have deleterious effects on human health. Here, we report an experimental and numerical simulation study on a novel string-based two-stage WESP. Our new design incorporates grounded vertically aligned polymer strings, along which thin films of water flow down. The water beads, generated by intrinsic flow instability, travel down the strings and collect charged particles in the counterflowing gas stream. We performed experiments using two different geometric configurations of WESP: rectangular and cylindrical. We examined the effects of the WESP electrode bias voltage, air stream velocity, and water flow rate on the number-based fractional collection efficiency for particles of diameters ranging from 10 nm to 2.5 μm. The collection efficiency improves with increasing bias voltages or decreasing airflow rates. At liquid-to-gas (L/G) as low as approximately 0.0066, our design delivers a collection efficiency over 70% even for fine and ultrafine particles. The rectangular and cylindrical configurations exhibit similar collection efficiencies under nominally identical experimental conditions. We also compare the water-to-air mass flow rate ratio, air flow rate per unit collector volume, and collection efficiency of our string-based design with those of previously reported WESPs. The present work demonstrates a promising design for a highly efficient, compact, and scalable two-stage WESPs with minimal water consumption.

Implications: Wet Electrostatic Precipitators (WESPs) are highly effective for collecting fine particles in exhaust air streams from various sources such as diesel engines, power plants, and oil refineries. However, their large-scale adoption has been limited by high water usage and reduced collection efficiencies for ultrafine particles. We perform experimental and numerical investigation to characterize the collection efficiency and water flow rate-dependence of a new design of WESP. The string-based counterflow WESP reported in this study offers number-based collection efficiencies >70% at air flow rates per collector volume as high as 4.36 (m³/s)/m³ for particles of diameters ranging from 10 nm – 2.5 μm, while significantly reducing water usage. Our work provides a basis for the design of more compact and water-efficient WESPs.

摘要

湿式静电除尘器 (WESP) 已被广泛研究用于收集细颗粒和超细颗粒，例如柴油颗粒物 (DPM)，这些颗粒对人类健康具有有害影响。在这里，我们报告了一种基于弦的新型两级 WESP 的实验和数值模拟研究。我们的新设计包含接地的垂直排列的聚合物线，水薄膜沿着线向下流动。由内在流动不稳定性产生的水珠沿着弦向下移动并收集逆流气流中的带电粒子。我们使用 WESP 的两种不同几何配置进行了实验：矩形和圆柱形。我们检查了 WESP 电极偏置电压、气流速度、和水流速对直径范围从 10 nm 到 2.5 μm 的颗粒的基于数量的分级收集效率的影响。收集效率随着偏置电压的增加或气流速率的降低而提高。在液气 (L/G) 低至约 0.0066 时，我们的设计即使对细颗粒和超细颗粒也能提供超过 70% 的收集效率。矩形和圆柱形配置在名义上相同的实验条件下表现出相似的收集效率。我们还将基于串的设计的水与空气质量流量比、每单位收集器体积的空气流量和收集效率与之前报道的 WESP 进行比较。目前的工作展示了一种有前途的高效、紧凑和可扩展的两级 WESP 设计，耗水量最少。5微米。收集效率随着偏置电压的增加或气流速率的降低而提高。在液气 (L/G) 低至约 0.0066 时，我们的设计即使对细颗粒和超细颗粒也能提供超过 70% 的收集效率。矩形和圆柱形配置在名义上相同的实验条件下表现出相似的收集效率。我们还将基于串的设计的水与空气质量流量比、每单位收集器体积的空气流量和收集效率与之前报道的 WESP 进行比较。目前的工作展示了一种有前途的高效、紧凑和可扩展的两级 WESP 设计，耗水量最少。5微米。收集效率随着偏置电压的增加或气流速率的降低而提高。在液气 (L/G) 低至约 0.0066 时，我们的设计即使对细颗粒和超细颗粒也能提供超过 70% 的收集效率。矩形和圆柱形配置在名义上相同的实验条件下表现出相似的收集效率。我们还将基于串的设计的水与空气质量流量比、每单位收集器体积的空气流量和收集效率与之前报道的 WESP 进行比较。目前的工作展示了一种有前途的高效、紧凑和可扩展的两级 WESP 设计，耗水量最少。在液气 (L/G) 低至约 0.0066 时，我们的设计即使对细颗粒和超细颗粒也能提供超过 70% 的收集效率。矩形和圆柱形配置在名义上相同的实验条件下表现出相似的收集效率。我们还将基于串的设计的水与空气质量流量比、每单位收集器体积的空气流量和收集效率与之前报道的 WESP 进行比较。目前的工作展示了一种有前途的高效、紧凑和可扩展的两级 WESP 设计，耗水量最少。在液气 (L/G) 低至约 0.0066 时，我们的设计即使对细颗粒和超细颗粒也能提供超过 70% 的收集效率。矩形和圆柱形配置在名义上相同的实验条件下表现出相似的收集效率。我们还将基于串的设计的水与空气质量流量比、每单位收集器体积的空气流量和收集效率与之前报道的 WESP 进行比较。目前的工作展示了一种有前途的高效、紧凑和可扩展的两级 WESP 设计，耗水量最少。我们还将基于串的设计的水与空气质量流量比、每单位收集器体积的空气流量和收集效率与之前报道的 WESP 进行比较。目前的工作展示了一种有前途的高效、紧凑和可扩展的两级 WESP 设计，耗水量最少。我们还将基于串的设计的水与空气质量流量比、每单位收集器体积的空气流量和收集效率与之前报道的 WESP 进行比较。目前的工作展示了一种有前途的高效、紧凑和可扩展的两级 WESP 设计，耗水量最少。

含义：湿式静电除尘器 (WESP) 可非常有效地收集来自各种来源（如柴油发动机、发电厂和炼油厂）的废气流中的细颗粒。然而，它们的大规模采用受到高用水量和超细颗粒收集效率降低的限制。我们进行了实验和数值研究，以表征新设计的 WESP 的收集效率和水流量依赖性。本研究中报告的基于串的逆流 WESP 提供基于数量的收集效率 >70%，每个收集器体积的空气流速高达 4.36 (m ³ /s)/m ³适用于直径范围为 10 nm – 2.5 μm 的颗粒，同时显着减少用水量。我们的工作为设计更紧凑和节水的 WESP 提供了基础。