全固态脉冲发生器在脉冲电晕烟气治理中的应用

P.H. Swart 与 R.F. Uys（Tshwane University of Technology & Eskom）关于RIP脉冲压缩、三级压缩器及移动现场试验的研究亮点

关键词
Pulser, Pulse compression, Pulse Corona, DeSOx, DeNOx, Pulse Power, 静电除尘, 烟气治理

在当前钢铁、水泥、浆纸与化工等高排放行业加速推进超低排放与能耗优化的大背景下，脉冲电晕（Pulse Corona）技术作为一种兼具脱硫、脱硝及颗粒物控制潜力的烟气治理方法，受到越来越多工程与科研单位关注。本文改写并总结了P.H. Swart 与 R.F. Uys（Tshwane University of Technology 与 Eskom Enterprises）对一套全固态脉冲发生器（pulser）设计、建造与现场评估的研究成果，并结合行业应用与未来趋势提出针对中国市场的落地建议[1-3]。

本文所述系统以共振逆变脉冲供电（Resonant Inverse Pulser，RIP）为前端，设计目标是利用低压固态开关生成较宽脉宽的能量，再通过多级磁性压缩器将能量时域压缩到亚微秒量级以驱动电晕反应器。RIP 前端能提供最高约513 V 可调直流，前级输出用于以最大3.25 kW 的直流功率产生每脉冲约2 J、最高频率达1 kHz 的能量注入；由于充电阶段脉宽较长（约750 ms），总充电电流低于20 A，从而显著降低主开关的额定要求，有利于采用可靠的功率半导体器件替代传统气体或真空开关[1,3]。

系统关键在于能量的两步转移：先在低压侧通过振荡（ringing）产生峰值高达1.63 kA 的电流，随后在转移阶段经脉冲变压器将能量送至高压侧，转移峰值接近2 kA，转移脉宽约2.56 μs。要满足对电晕反应器10%–90%上升时间小于50 ns 的严格要求，需对初级2.56 μs 的脉冲进行约30 倍的压缩，研究采用三级串联的 Melville Line 磁性压缩器实现该目标，使末端输出脉冲上升沿缩短至数十纳秒级别，从而有效触发瞬态电晕放电并提高活性物种产生效率[1,5]。

为了在持续偏置场下高效注入脉冲能量，研究团队设计了脉冲叠加（pulse superposition）网络：通过串联隔直电容实现脉冲与直流偏置的耦合，并用串联电感将直流偏置稳固地引入反应器，同时并联峰值电容（C_peak）以保证各级压缩器的能量完全传递。为避免压缩器末级在剩余电荷情况下反向饱和，引入了“尾咬”（tailbiter）电感-电阻耗散回路，实现对剩余能量的受控耗散，改善高频重复工况下的稳定性与可靠性[1]。

在直流偏置供电方面，原系统采用50 Hz 变压器整流并配大容量储能电容，但该方案在电弧发生时会导致大电流冲击。为此，研究提出用闭环控制的20 kHz PWM 谐振全桥电流馈入式高压直流电源替代，具备固有电流限制、低输出电容需求并可在脉冲间隙实现电容斜坡充电，从而降低弧光冲击与提升系统寿命[1]。

现场试验方面，该套设备被整合至移动拖车平台用于在线烟气表征与污染减排验证（相关移动平台设计与结果另见文献[2]），实验数据与仿真结果总体吻合，验证了全固态方案在脉冲能量传递及短上升时间实现上的可行性与可靠性。研究也指出，目前该技术对大量饱和磁芯材料的依赖带来较高的采购成本及供应链风险，商业化推广须权衡资本投入与长期运维收益[1,5]。

就中国市场应用而言，脉冲电晕联合直流偏置的方案可直接嫁接到现有静电除尘器（ESP）系统中，尤其在浆纸、钢铁、高炉气、窑炉及化工尾气的脱硫脱硝和有害气态污染物处理上，能提升活性物种生成、强化化学反应同时降低电场工况下的平均电压，减少弧光发生频率，从而帮助企业达到更严的排放标准并降低运维成本。结合艾尼科（Enelco）在极板、极线和电场分布优化方面的工程经验，可通过电场重构与脉冲联动，优化颗粒迁移路径与反应物接触效率，实现资本与运行成本的协同下降。

结论与展望：全固态脉冲发生器与多级磁性压缩器的组合，为实现高重复频率、短上升沿的电晕放电提供了可靠路径。尽管磁芯成本与供应链是推进的主要挑战，随着功率半导体和磁材料技术进步，以及结合本地化制造和像艾尼科这样的除尘工程商的系统集成能力，该技术在中国的钢铁、水泥、浆纸与化工行业有广阔的市场前景。后续工作应聚焦于压缩器的磁芯优化、成本下降途径及与电除尘器的工程化耦合试验，以实现商业化规模的稳定运行与经济性验证[1-5]。

参考文献
[1] P.H. Swart and R. Strydom, “Low maintenance Robust Pulse Power for Pulsed Corona NOx and SOx Control”, Proc. 8th International Conference on Electrostatic Precipitation, Birmingham, Alabama, May 2001.
[2] P.H. Swart, R. Strydom, J.M. van Dyk, K. Dhaver Young, R. Hansen, M. Beeslaar, “Mobile Facility for on-line Flue Gas Characterisation”, Proc. ICESP 9 Conf, Kruger Gate, South Africa, 2004.
[3] P.H. Swart, “A New High-Power Inversion Pulser topology employing reduced semiconductor Ratings”, Special Issue of the Transactions of the South African Institute of Electrical Engineers, Vol. 90, No. 3, 1999, pp. 107-112.
[4] R.J. Smith and R.C. Dorf, Circuits, Devices and Systems, John Wiley & Sons, 1984.
[5] P.H. Swart, “A Study of Critical Aspects in the Optimisation of Pulsed Electromagnetic Energy Processing”, Doctoral Dissertation, Rand Afrikaans University, Johannesburg, South Africa, 1991.