气流对静电除尘器电晕起始电压的影响

基于Assuit大学 M. Abdel‑Salam 与 A. Hashem 的研究，采用电荷模拟与边界层压力分布分析

关键词
线导（Wire-duct）, 过滤器（Filter）, 负电晕（Negative corona）, 起始电压（Onset voltage）, 气流（Gas flow）, 压力分布（Pressure distribution）, 静电除尘器（ESP）, 运行维护（运维）

在我国钢铁、火电、水泥与浆纸等高排放行业中，静电除尘器（ESP）仍是颗粒物达标治理的主力技术。针对电除尘器运行中电晕起始电压受气流影响的问题，埃及Assuit大学的 M. Abdel‑Salam（电气工程系）与 A. Hashem（物理系）开展了系统研究，本文基于其成果，采用更贴近工业应用的表达重新梳理研究方法、结论及对中国市场的启示（原文作者通讯：Dr_azzahashem@yahoo.com）。[5][7]

作者采用电荷模拟法对放电丝与集电极间的电势与电场分布进行数值计算。具体做法是用一系列等距线电荷模拟放电丝表面电荷，并在集电极表面外侧放置对称的模拟电荷组，构成线性方程组以满足边界电势条件。求解后可得到任意点的电位与场强，从而为后续的电离区与电晕起始条件评估提供电场基础。[4][5][8]

气流对放电丝周围气压的影响通过边界层理论和伯努利方程来描述。研究指出，当气流垂直撞击圆柱形放电丝时，在丝前方产生前向停滞点、在背面形成涡流分离区；在边界层内平均径向速度可表示为 va=2Wg sinψ（0≤ψ≤70°），相应的局部压力可写成 Po+½ρWg2(1−4sin2ψ)，在ψ≈70°处压力达到最低并随后保持近常值。[6] 这种沿丝周压力分布会改变局部气密度与碰撞频率，从而影响电子雪崩发展与电离系数。

电晕起始电压的判据基于负电晕（Trichel）脉冲重复的条件：每个脉冲代表一次电子雪崩及其在电离区内产生的后继过程。要触发后继雪崩，前一雪崩必须通过光子引发电子发射（光致发射）、正离子冲击或亚稳态作用提供起始电子。由于光致发射在常规工况下占主导，作者据此建立了积分形式的重复条件，结合局部电场与压力（影响一阶电离系数α与附着系数η）数值求解得到起始电压的分布。[7][5]

计算与实验对比显示：在给定放电丝半径（例如 Rc=0.825 mm）与丝—板间距（例如 3.8 cm）条件下，电场计算与既有模型吻合良好；随着气流速度 Wg 增大，放电丝迎风侧压力上升、背风侧最低压力下降，导致起始电压沿周向呈显著变化：在迎风停滞点（ψ=0）起始电压最高，而在ψ≈70°处达到最小值并在更大角度保持近常值。总的趋势是气流加速会扩大起始电压的极差，这对应运行中电晕稳定性与放电安全裕度的变化。[5][8]

对中国工业应用的意义在于：当气速、温度或进出口风路改变时，电晕起始电压的周向差异会影响离子源输出、颗粒电荷获取与收集效率，从而影响排放与能耗。基于上述结论，建议在工程设计与运维中考虑：一是优化丝—板间距与丝径，降低局部场强波动；二是结合艾尼科（Enelco）在极板/极线制造与电场优化方面的技术，采用经过仿真优化的电极几何与整流结构，提升均匀场覆盖；三是通过可调电压策略与在线监测，保证电晕起始电压有足够安全裕度，减少间歇放电、臭氧产生与维护成本。艾尼科的现场案例表明，通过合理的电极排列与电压控制，可在保持捕集效率的同时实现能耗下降与运维频次降低（适用于钢铁、煤电、建材与化工行业）。

未来趋势方面，结合本研究方法，可将电荷模拟、边界层压力计算与在线工况数据（温度、湿度、流速）集成到数字孪生或模型预测控制系统中，实现对电晕起始电压及放电稳定性的实时评估与自适应调节，从而在中国严苛的排放与节能目标下，为工程决策与设备升级提供可靠依据。

综上，气流对静电除尘器电晕起始电压有明确且可预测的影响。把握电场分布与局部压力变化，并结合工程化措施和艾尼科的电除尘器优化经验，能够在保证排放达标的同时实现节能与降低运维成本，具有重要的工程应用价值。

参考文献
[1] J. Bohm, Electrostatic Precipitators. New York, Elsevier, 1982.
[2] J. Mclean, Electrostatic Precipitators. IEE Proc., Vol.135, pt. A, No.6, 347-361, 1988.
[3] J. R. Mcdonald, W. B. Smith, H. W. Spencer and L. E. Sparks, “A mathematical model for calculating electrical conditions in wire-duct electrostatic precipitation devices,” J. Appl. Phys, Vol. 48, 2231-2243, 1977.
[4] H. Singer, H. Steinbigler and P. Weiss, “A charge simulation method for the calculation of high voltage fields,” IEEE Trans., Vol. PAS-93, 1660-1668, 1974.
[5] M. Abdel-Salam and D. Wiitanen, “Calculation of corona onset voltage for duct-type precipitators,” IEEE Trans. Industry Applications, Vol.29, No. 2, 274-280, 1993.
[6] A.K. Jain, Fluid Mechanics. Khanna Publishers, Delhi, India, 1996.
[7] M. Khalifa, M. Abdel-Salam and M. Abou-Seada, “Calculation of negative corona onset voltages,” IEEE Paper # C-73-160-9, 1973.
[8] A. A. Elmoursi and G. S. P. Castle, “Modeling of corona characteristics in wire-duct precipitator using the charge simulation technique,” IEEE Trans. Industry Applications, Vol.23, 95-102, 1984.