电除尘器臭氧生成与放电电极几何关系研究

基于武藏工大与富士电气系统公司实验的锯齿形高压电极参数优化与低臭氧设计要点

关键词
静电除尘器, 臭氧, 锯齿形电极, 冠状放电, 钢铁行业, 烟气治理

在隧道、钢铁、化工和浆纸等重污染行业中，静电除尘器（ESP）是烟气固相颗粒物控制的常用设备，但其伴生的臭氧（O3）生成会影响隧道内空气质量并促进NO向NO2的转化，带来二次污染和健康风险。这篇由武藏工大（Musashi Institute of Technology）与富士电气系统公司（Fuji Electric Systems Co., Ltd.）联合完成的实验研究（作者：Y. Ehara 等）系统评估了放电电极的几何形状对ESP臭氧产生的影响，为工业应用中的低臭氧设计提供了可操作性建议[1-4]。

研究在一套两段式实验ESP中进行：预电离区（precharger）采用锯齿形高压电极对气流充电，收集区为平行板结构，气速7 m/s，电极间距9 mm，收集区高压板施加DC 7.5 kV，预电离区对高压电极施以负直流电压。作者改变了锯齿电极的尖角（15°、29°、52°）和锯齿数量（27、13、8、6），用数码相机记录可见放电光亮面积，并用臭氧监测仪与粒子计数器测量下游臭氧与颗粒去除效率。实验表明，放电电流增加时除尘效率普遍上升，但电极尖角对收集效率影响不显著；尖角较小（更尖锐）的锯齿电极在相同放电电流下产生的臭氧更低，且臭氧浓度与可见放电光亮面积呈明显正相关，提示臭氧生成主要受活跃放电区域尺寸支配。

在锯齿数量的测试中，随着锯齿数量减少，臭氧生成量趋于降低，但离子产生面积的减少会导致除尘效率下降。研究以“臭氧低于0.06 ppm且除尘效率>80%”为目标，估算在本实验条件下的最佳配置为8个锯齿：在保证≥80%收集效率的同时实现显著低臭氧输出。可见，电极几何的优化需要在臭氧生成与电荷产生能力之间权衡。

对中国钢铁、水泥、化工和浆纸等行业而言，该结论具有直接工程意义：通过合理设计电极尖角与单元锯齿密度，可在不显著增加能耗或复杂性的前提下，降低ESP臭氧排放，有助于完成排放达标、减少NO2生成并降低隧道与厂区内的光化学污染风险。企业可借助电场仿真和放电成像来量化放电区并指导几何设计。艾尼科（Enelco）在极板/极线、电场优化与材料防腐方面的技术积累，可为国内项目提供下列支持：基于现场工况定制锯齿几何与间距、实施电场均匀化改造、结合臭氧在线监测与运行参数优化，最终实现运行成本与维护成本的双重降低。

展望未来，低臭氧ESP的发展趋势包括：更精细的电极微几何设计与表面处理、正负极性组合放电策略、与光催化或活性炭等臭氧分解单元的耦合、以及在线放电区监测与自适应调节控制。对于中国重点行业，这些技术能在确保颗粒物控制效率的同时，满足日益严格的环境监管与健康安全要求。

作者与机构：Yoshiyasu Ehara, Daiki Yagishita, Toshiaki Yamamoto (Musashi Institute of Technology); Akinori Zukeran, Koji Yasumoto (Fuji Electric Systems Co., Ltd.)。原研究成果为工业烟气治理尤其是隧道与重工业场景下的ESP低臭氧设计提供了可复制的工程参考[1-4]。

参考文献
[1] A.S. Viner, P.A. Lawless, D.S. Ensor, L.E. Sparks. Ozone generation in dc-energized electrostatic precipitator. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol.28, No.3, May/June 1992, pp.504-512.
[2] A. Yehia, M. Abdel-Salam, A. Mizuno. On assessment of ozone generation in DC coronas. J. Phys. D: Appl. Phys., 2000, 33: 831-835.
[3] K. Takakura. Consideration for the Characteristics of Ozone Generation by Positive and Negative Corona Discharges. J. Electrostatics, 25(2), 2001, pp.101-104.
[4] Y. Ehara, D. Yagishita, T. Yamamoto, A. Zukeran, K. Yasumoto. Relationship between Discharge Electrode Geometry and Ozone Concentration in Electrostatic Precipitator. 11th International Conference on Electrostatic Precipitation, 2007.