静电除尘器数值与实验对比：电场、荷电与除尘性能分析

基于Alstom Växjö高压试验台与COMSOL有限元仿真对ESP基本物理现象的验证

关键词
静电除尘器, ESP, 电场仿真, 颗粒迁移速度, 空间电荷, 钢铁除尘, 水泥行业治理

在工业烟气治理中，静电除尘器（ESP）仍是大颗粒与亚微米颗粒控制的核心设备。随着排放标准趋严与设备运行成本受关注，借助数值仿真结合试验验证电场与荷电分布的内在规律，对ESP的优化设计与运行具有重要现实意义。本文改写并总结了Andreas Bäck、Joel Cramsky在Alstom Power Sweden AB完成的研究，通过COMSOL Multiphysics有限元求解器对ESP内部电势、场强与电荷输运方程进行稳态求解，并与Växjö高压试验台的实验数据进行比对，揭示若干影响除尘性能与耐闪络极限的关键因素（作者与机构：Andreas Bäck, Joel Cramsky；Alstom Power Sweden AB）[1]。

在数值方法上，研究以泊松方程联合电荷连续性方程为基础，并在电极边界采用Peek的起电场与Kaptzov近似作为基准边界条件，从而在二维模型中准确再现线状放电电极的对称性。为提高物理自洽性，模型还引入了离子扩散项，并采用典型离子迁移率（约1.8×10−4 m2/Vs）[6]。数值结果经由Alstom二十世纪九十年代内部程序与COMSOL内部不同求解器交叉验证，与Penney–Matick的实验电势数据比较也显示良好一致性，证明了该类FEM方法可可靠预测电势场与电流密度分布[7]。

在试验平台方面，Växjö高压台为冷态模拟但复制了商用ESP的结构细节：两并列气道、可切换螺旋或直线放电电极、每帘四块宽800 mm的轮廓化集尘板（场长3.2 m，高度4 m，集尘面积51.2 m2），放电线径2.7 mm。供电既可用传统T/R（200 mA，200 kVp），亦可用高频SIR（200 mA，125 kVp），后者提供接近理想直流，显著减少纹波引起的峰值电压与闪络风险[9]。

主要研究成果包括：一是轮廓化集尘板的局部几何 perturbation 会导致局部场强显著增强，试验与仿真均表明上部G型轮廓处局部场强可达约1.2×106 V/m，成为闪络起始点；二是数值能重建I–V特性并解释T/R与SIR之间由于纹波导致的差异：SIR下直线电极的计算与试验吻合最好，而T/R的50 Hz纹波使峰值电压远高于平均电压，从而在相同平均电流下更易发生闪络；三是利用贴合板面的一次性薄箔测得的电流分布与二维仿真结果高度一致，说明2D模型对直线电极已能准确模拟跨板电流型态[3,10]。

关于颗粒迁移性能，研究采用德意志速率定义并结合数值电场场分布估算2 μm颗粒的平均迁移速度，结果显示随电流密度提升而增大，并在高电流密度时迁移速度与板距呈线性相关（在约1250 μA/m2附近出现分界）。此外，对含尘空间电荷的敏感性分析表明，均匀分布的尘埃电荷会抑制电晕放电：在60 kV与80 kV两种工况下分别于约11 μC/m3与17 μC/m3出现完全电晕淬灭，这与工业中前区需抬高电压以达设定电流的现象相符[11–13]。在对某氧燃烧（oxyfuel）锅炉ESP的案例模拟中，引入沿场长度衰减的尘埃电荷分布后，为达到450 μA/m2的电流密度，仿真所需电压比无尘模型高约6 kV，与现场约5 kV的差值相近，验证了模型的工程相关性[14]。

针对螺旋放电电极的三维仿真表明，要取得足够分辨率需数十万网格单元并在电极表面使用非线性电荷注入边界条件（可用形式Γ(E)=α(E−E_ON)来近似，α大时逼近Peek–Kaptzov行为）。三维结果再现了螺旋电极在板面上的结节式电流分布，且数值显示螺旋在相同电流下所需电压较直线电极低约2 kV（实验差异可能来自电极建模与板型简化）[3,4]

对中国工业应用的启示显而易见：在浆纸、钢铁、水泥与化工等行业，采用基于FEM的电场与电荷耦合仿真可以在设计阶段识别闪络敏感区、优化极板轮廓与极线布置、评估高尘负荷下的电晕抑制风险，从而实现排放达标、降低能耗和减少运维成本。艾尼科（Enelco）在极板与极线设计、电场优化、SIR/高频供电集成、在线电流分布监测与智能运维等方面的技术累积，可为中国用户提供从仿真到实装、从节能改造到长期运维的整体解决方案。未来趋势包括更紧密的气体流场-电荷耦合（CFD+PDEs）、数字孪生和AI驱动的故障预测、脉冲或高频供电技术的工业化推广，以及更精细的尘埃电荷-浓度耦合模型，这些都将推动ESP在低排放与低成本运行上的升级。

综上，结合商用FEM工具与高压试验数据可以有效解析ESP的基本物理过程，并为工程设计与现场调试提供可靠的定性与半定量指导，尤其对于需要满足更严格排放与运行优化的中国重污染行业具有重要参考价值。

参考文献
[1] COMSOL Multiphysics – User’s Guide; Version: October 2010 COMSOL 4.1.
[2] Peek J R, F. W.; Dielectric Phenomena in High Voltage Engineering. 3rd ed.; McGraw-Hill; New York; 1929.
[3] Egli, W.; Kogelschatz, U.; Persson, T.; Three-dimensional corona current distribution in complex ESP configurations; ICESP VI; Budapest, Hungary; June 1996.
[4] Egli, W.; Kogelschatz, U.; Gerteisen, E. A.; Gruber, R.; 3D computation of corona, ion induced secondary flows and particle motions in technical ESP configurations; Journal of Electrostatics 40&41; 1997; pp.425-430.
[5] Kogelschatz, U.; Egli, W.; Gerteisen, E. A.; Advanced computational tools for electrostatic precipitators; ABB Review 4; 1999; pp.33-42.
[6] Davis, J. L.; Hoburg, J. F.; Wire-duct precipitator field and charge computation using finite element and characteristics method; Journal of Electrostatics 14; 1983; pp.187-199.
[7] Penney, G. W.; Matick, R. E.; Potentials in D-C corona fields; Trans. AIEE 79; 1960; pp.91-99.
[8] Abdel-Salam, M.; Al-Hamouz, Z.; Finite-element analysis of monopolar ionized fields including ion diffusion; Journal of Physics D: Applied Physics 26; 1993; pp.2202-2211.
[9] Ranstad, P.; Porle, K.; High frequency power conversion: A new technique for ESP energization; EPRI/DOE International Conference on Managing Hazardous and Particulate Air Pollutants; Toronto, Canada; August 1995.
[10] Porle, K.; On back corona in precipitators and suppressing it using different energization methods; ICESP III; Abano-Padova, Italy; October 1987.
[11] Stomberg, H.; Åkerlund, C-E.; On the influence of field strength in wire-plate electrostatic precipitators with regard to the electrode configuration and dust space charge; Journal of Electrostatics 17; 1985; pp.85-94.
[12] White, H. J.; Industrial Electrostatic Precipitation; Addison-Wesley; Reading MA; 1963.
[13] Lindau, L.; Matts, S.; Some space charge problems encountered with large electrode spacing; ICESP II; Kyoto, Japan; November 1984.
[14] Bäck, A.; Grubbström, J.; Ecke, H.; Strand, M.; Pettersson, J.; Operation of an electrostatic precipitator at a 30 MWth oxyfuel plant; ICESP XII; Nürnberg, Germany; May 2011.