从电除尘到冠状放电等离子体：工业烟气协同治理新路径

荷兰Eindhoven理工大学提出的HPPS与DC/AC两类激励技术及其在DeNOx、DeSO2和粉尘同步治理中的工程化前景（作者：K. Yan等）

关键词
冠状放电等离子体, 电除尘器, DeNOx, DeSO2, PM2.5, ESP改造, 半湿DC/AC, HPPS

随着中国“碳达峰、碳中和”与更严格的大气污染物排放标准的推进，工业锅炉和窑炉尾气中PM2.5、SOx、NOx、汞及微量金属的协同控制成为紧迫课题。冠状放电等离子体（streamer corona plasma）因其能同时产生高能电子、离子和活性基团，被视为对传统电除尘器（ESP）进行改造升级、实现多污染物协同治理的有力路线之一。荷兰Eindhoven理工大学（Eindhoven University of Technology）的K. Yan等人系统讨论了用于工业烟气处理的两类电源激励与反应器匹配策略，为工程化放大提供了可参考的设计思路[1]。

研究指出，实现高效等离子体化学处理，核心在于如何产生并控制“主初级流束”（primary streamer）以及电源与反应器间的能量匹配。作者提出并比较了两种激励方法：一是基于超短脉冲的混合脉冲电源（HPPS），典型脉冲宽度在20–50 ns、重复频率可达几十到上千pps，适合同时产生大量并行、几乎同步的流束（simultaneous streamers），单根线长度单位峰值电流可达数百A/m，从而实现高瞬时功率密度；二是以直流偏压叠加高频交流（DC/AC）为特征的半湿/半干工艺，频率可在10–60 kHz范围，产生沿高压电极随机产生的流束（random streamers），每个流束能量较小但对电源要求更低、成本更友好，并减少高幅值脉冲产生的电磁兼容（EMC）问题[2,3]。

在工程匹配方面，文中强调：要获得高效能量转移需同时满足最小峰值电压与适配的输出阻抗，脉冲持续时间应与初级流束寿命相匹配，以避免产生二次流束或引发电弧；对DC/AC方案需将峰值电压控制在使流束无法持续桥跨电极的最大值以下，以防止长时间电流导致的击穿。对于工业放大，可采取多通道并联或多开关HPPS拓扑来扩展平均功率[4,5]。

应用层面，研究和工业试验表明，等离子体预处理可显著改善ESP或布袋除尘器对亚微米颗粒（PM2.5）的抓取效率，原因在于流束通道中高密度的正离子与活性电子可增强颗粒带电与凝聚；同时，氧化性基团能将元素汞和部分微量金属氧化为易捕集形态，从而与后端湿法/干法脱硫、选择性催化还原（SCR）或吸收联用，形成协同去除体系[6,7]。作者还指出，在以氨为还原剂的体系中，等离子体能将SO2/NOx部分氧化并促进液相中S(IV)向S(VI)的转化，使最终产物具备作为硫酸铵/硝酸铵类肥料回收的可能性，但需严格控制上游有害金属和颗粒的去除以保证肥料安全性[8]。

结合中国工业现状，浆纸、钢铁、水泥、化工等行业普遍存在高温烟气与复杂成分，这些工况非常适合采用ESP改造为“等离子体+ESP/BF”耦合系统。国内外企业（如艾尼科Enelco以及相关电源厂商）在高压电源、极板/极线设计与电场优化方面已有成熟经验，可为改造提供电场优化、极板间距和电极排列的工程化方案，从而在保证排放达标的同时降低能耗与运维成本。实际工程中，等离子体能耗已从早期报道的10–15 Wh/Nm3降低至2–4 Wh/Nm3级别，NO转化能耗可降至约20 eV/NO，说明通过匹配电源、反应器与工艺流程可以实现经济可行的工业应用[6,9]。

需要强调的是，尽管现有试验与小/中试数据支持放电等离子体在多污染物协同控制上的潜力，但要在中国大规模推广仍需解决系统长期运行的电极老化、二次污染（如副产物控制）、肥料安全性评价以及与现有脱硫脱硝系统的协同运行优化等问题。因此建议从工业示范、标准化设计、在线监测和维护策略等方面开展系统化研发与示范工程。总之，将冠状放电等离子体技术与电除尘器、吸收/催化工艺耦合，为实现工业烟气的低碳、低排放治理提供了可行且有前景的工程路径，值得在中国重点行业中加速工程化试验与产业化推广。

作者与单位：K. Yan, G.J.J. Winands, S.A. Nair, E. J. M. van Heesch, A. J. M. Pemen，Eindhoven University of Technology, The Netherlands。[1]

参考文献
[1] K. Yan, G.J.J. Winands, S.A. Nair, E.J.M. van Heesch, A.J.M. Pemen, “From Electrostatic Precipitation to Corona Plasma System for Exhaust Gas Cleaning”, Eindhoven University of Technology, The Netherlands, (原文综述与工程化讨论).
[2] K. Yan, “Corona plasma generation”, PhD Thesis, Technische Universiteit Eindhoven, The Netherlands, 2001.
[3] K. Yan, S. Kanazawa, T. Ohkubo, Y. Nomoto, “NOx removal characteristics of a corona radical shower system under DC and DC/AC superimposed operations”, IEEE Trans. on IAS, 37(5) (2001) 1499-1504.
[4] K. Yan et al., “A novel circuit topology for pulsed power generation”, Journal of Electrostatics, 58 (2003) 221-228.
[5] E.M. van Veldhuizen and W.R. Rutgers, “Pulsed positive corona streamer propagation and branching”, J. Phys. D: Appl. Phys. 35 (2002) 2169-2179.
[6] X.W. Ren et al., “Recent advances on pulsed power sources for exhaust gas cleaning”, Proc. 10th Conf. on Electrostatic Precipitation, Guangzhou, China, 2003.
[7] S. Hosokawa et al., “PPCP pilot plant experiments for decomposition of dioxins”, Proc. 3rd Int. Symp. on Non-Thermal Plasma Technology for Pollution Control, 2001.
[8] R. Li, K. Yan, J. Miao, X. Wu, “Heterogeneous reactions in flue gas Desulfurization by non-thermal plasmas”, Chemical Engineering Science, 53 (1998) 1529-1540.
[9] J.S. Clements et al., “Combined removal of SO2, NOx, and fly ash from simulated flue gas using pulsed streamer corona”, IEEE Trans. on Industrial Applications, 25 (1989) 62-69.