从静电除尘到流光放电等离子体：一条能否重塑烟气治理的技术路径

基于埃因霍温理工大学Yan等团队在ICESP IX上的研究：利用HPPS与DC/AC流光放电改造ESP，实现多污染物协同控制的可能性

关键词
electrostatic precipitation, corona plasma, DeNOx, DeSO2, streamer, HPPS, DC/AC, 工业烟气治理, 多污染物协同控制

在传统燃煤电厂、水泥、钢铁等行业，静电除尘器（ESP）已经成为颗粒物控制的标准配置，但面对PM2.5、NOx、SO2以及汞等重金属的严格排放要求，仅靠常规ESP和单一脱硫、脱硝单元，很难在成本可控的前提下实现多污染物协同减排。如何在既有静电除尘设备基础上，通过等离子体强化手段提升整体烟气治理性能，正成为行业关注的技术方向。本文将解读埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology）K. Yan、G.J.J. Winands、S.A. Nair、E.J.M. van Heesch、A.J.M. Pemen团队在ICESP IX会议论文“From Electrostatic Precipitation to Corona Plasma System for Exhaust Gas Cleaning”中的关键研究进展，重点聚焦流光放电（streamer corona）等离子体在工业烟气治理中的工程化路径。

作者明确指出，电气放电最重要的特征之一，就是能够产生电子、离子和活性自由基。静电除尘利用的是“离子–颗粒带电–电场驱动”这一链条，而非热等离子体烟气治理则依赖“自由基–氧化还原反应–污染物转化”这一路径。过去20年间，业界曾多次尝试将脉冲电晕等离子体与ESP集成，用于粉尘、SO2、NOx及重金属的同步去除[1–6]，但受制于脉冲电源成本高、系统匹配难、寿命与能效难以兼顾等问题，始终停留在示范阶段。近年日本、韩国、中国陆续建成了50–100 kW级的示范装置[7–9]，普遍采用磁脉冲压缩技术，单个脉冲宽度约200–500 ns，说明该路线具备工程可行性，但距离大规模商用仍有差距。

Yan等团队从“放电物理+电源–反应器匹配”两个维度切入，提出了两种工业化取向明显的供能方式：一是利用超短脉冲的混合脉冲电源系统（Hybrid Pulsed Power System, HPPS）实现“同时流光”激发；二是通过直流叠加高频交流（DC/AC）方式实现“随机流光”激发，弱化对传统脉冲电源的依赖。他们认为，基于现有实验与示范数据，已经足以指导工业规模的流光电晕等离子体系统设计，用于DeNOx、DeSO2及除尘，并可通过改造既有ESP实现多污染物协同治理。

在非均匀电极结构（针–板、线–板、线–管等）中，当施加正电压超过起始电压时，电子雪崩会演变为流光放电：一个高电离度的小尺度等离子体“流光头”从阳极向阴极高速推进，典型速度为10^5–3×10^6 m/s，等离子体区直径约100 μm，通道内电场约5–7 kV/cm（空气）或更高（烟气）。如果外加电压足够高，流光可以贯穿极间形成通道，后续电流沿通道维持，演变为所谓“二次流光”甚至向辉光、火花过渡；如果电压不足，则在到达对极前停止。因此，对反应器而言，要获得充分空间尺度的流光等离子体，必须保证一个足够的“建通电压”，这个电压既可以由脉冲电源提供，也可以通过DC/AC叠加形成。

在HPPS方式下，系统采用20–50 ns超短脉冲，脉冲上升沿极快。当高压脉冲施加到线–管或线–板反应器时，沿高压线几乎同时产生大量平行流光通道，时间差主要由电压沿线传播时间决定，量级为ns级。这种“同时流光”意味着单位长度上会出现高达数百安培的尖峰电流，功率密度可达数百MW/m；典型参数如峰值电流≤600 A/m，单脉冲单位长度能量≤3 J/m，对应每个流光约3 mJ。与此相对，DC/AC供能时，沿电极线的流光在时间上呈随机分布，单个流光电流仅为10–200 mA，峰值功率约3 kW/流光，流光直径更细（约20–50 μm），平均传播速度约2×10^5 m/s。作者将前者定义为“同时流光激发”，后者定义为“随机流光激发”。

从工艺角度看，两种方式的差异在于：HPPS可以在给定反应器截面内实现更高的等离子体功率密度，有利于处理高流量、大负荷的烟气，但对脉冲电源提出严格要求——既要具备足够高的峰值电压和功率，又要将脉冲宽度控制在接近一次流光寿命的范围内，以避免能量沿二次流光或火花通道“浪费”，还要兼顾电磁兼容（dI/dt极高）和开关器件寿命。相反，DC/AC方式使用的电源更接近传统高压直流电源叠加高频逆变器，峰–峰值交流电压只要超过1 kV，叠加在一定的直流偏置上，即可在喷嘴–板、锯齿–板、线–板等结构中稳定地产生随机流光[10–13]。由于流光在时间上离散，单位体积平均功率密度有限，但其优点是电源成本和复杂度显著降低，电晕模式受气体组分和电极微小偏差的影响也小得多，更适合现有ESP的“轻度改造”集成。

要将流光放电真正用于工业烟气DeNOx/DeSO2和粉尘控制，关键在于电源与反应器的匹配。Yan等通过等效电路与实验测量，提出了一套系统化的设计步骤：首先以反应器电容、等效阻抗为基础，确定在给定平均功率和重复频率下的最佳输出阻抗及脉冲宽度；随后通过叠加直流偏置提升总峰值电压，使反应器等效阻抗与电源输出阻抗匹配，从而实现能量高效耦合；同时，以一次流光持续时间为尺度优化脉冲宽度，避免进入二次流光阶段。该逻辑通过一个10–30 kW、输出阻抗约20 Ω、脉冲半宽约50 ns的HPPS样机得到了验证，实验表明，在1 000 pps重复频率下，通过合理设置直流偏置与脉冲幅值，可以在不诱发二次流光和火花放电的前提下，将能量高效转入一次流光通道，显著提高单位能耗下的自由基产量[18,21–24]。

值得注意的是，当系统设计参数偏离上述“窗口”时，电源–反应器之间会出现明显振荡，不仅降低能效，还可能损坏高压开关。Yan等给出的一个有趣判断是：如果将这些振荡能量通过电容或电感耦合结构有效回收，等离子体激发方式就会自然从“脉冲模式”转向“DC/AC模式”，电源–反应器整体趋向一个谐振振荡系统。文中给出的两种典型DC/AC电路拓扑（电容耦合与电感耦合）即基于这一思路，适配不同的开关模式技术，从而在不使用超短脉冲源的前提下获得可控的流光等离子体功率。

在烟气治理应用构想上，作者提出了一个值得行业关注的整体方案：在燃烧源后依次布置“等离子体–I + ESP/袋滤器 + 等离子体–II”三级系统。第一级等离子体反应器（可为干式或半干式）利用高密度正离子、活性电子与紫外辐射，对PM2.5及更细颗粒进行高效充电和团聚，对单质汞等重金属进行氧化，并部分氧化NO与SO2，从而显著提升下游ESP或袋滤器对超细颗粒和金属的捕集效率。传统模型多基于稳定的离子–颗粒相互作用[35]或低压尘埃等离子体[36]，并不能很好描述流光放电极短时间内10^14–10^15 cm^-3数量级的电子与离子对颗粒荷电的作用，但可以合理预期，流光主导的电子荷电将弥补常规DC电晕在超细颗粒带电效率上的不足[33,34]。

第二级等离子体反应器则以NOx和SO2向铵盐肥料（NH4NO3和(NH4)2SO4）转化为主。文中基于前期大量工艺与机理研究[2,5,6,19,20,31,37]，总结了典型的气–液相反应路径：在气相中，通过O、O3、OH、HO2等自由基将NO氧化为NO2、N2O3、N2O4及更高氧化态氮氧化物，进一步溶解生成亚硝酸、硝酸；在液相中，通过H2O2或等离子体生成的氧化性物种，将S(IV)氧化为S(VI)，同时等离子体强化NH3吸收，最终形成硫酸铵与硝酸铵。作者指出，在合理控制工艺条件、避免NOx“循环反应”（NO+O→NO2与NO2+O→NO+O2反复）前提下，等离子体脱硝的比能耗可降至约20 eV/NO，当系统以SO2脱除为主时，总能耗有希望压缩到2 Wh/Nm³以下，而在同时脱硫脱硝工况下，可将总能耗控制在2–4 Wh/Nm³，比早期工业试验的10–15 Wh/Nm³显著降低[3,4]。

需要强调的是，如果打算将第二级反应器产物作为肥料安全利用，前端等离子体+ESP/袋滤器必须尽可能截留有毒痕量金属和颗粒物，将粉尘排放控制在10 mg/m³以下，否则重金属将与肥料一同进入土壤。作者坦言，这一集成方案目前仍停留在工艺构想阶段，对于长期土壤环境与作物安全影响仍需大量研究[26–29]，但从烟气治理工艺与既有设备改造潜力看，通过流光等离子体对ESP进行“功能升级”，实现PM2.5–SOx–NOx–Hg等多污染物协同控制，已经具备明确的工程发展方向。

综合来看，这项工作最具工程价值的启示在于：一方面，在高功率密度要求下，通过严格的电源–反应器匹配与超短脉冲（HPPS）技术，可以在不发生火花击穿的前提下，实现高效的一次流光等离子体产生，用于大型燃煤或垃圾焚烧机组的深度烟气治理；另一方面，对于大量存量ESP资产，通过DC/AC流光供能改造，在不大幅增加电源成本和复杂度的前提下，即可获得一定的等离子体强化效果，提升细颗粒、前驱物及部分重金属的治理能力。对于当前正处在排放标准日趋严格、改造资金有限、希望在“电除尘+等离子体+脱硫/脱硝”之间寻求最优组合的行业企业而言，这一研究为未来的工艺和设备路线提供了可操作的技术框架。

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