静电除尘器臭氧控制：放电极结构优化的新思路

基于武藏工业大学与富士电机联合试验的两级ESP电极形状与臭氧生成对比研究

关键词
静电除尘器, 臭氧生成, 电晕放电, 电极结构, 隧道通风, NO2控制

在隧道粉尘与柴油机烟气治理领域，静电除尘器（ESP）已经成为高效捕集微细颗粒物的核心装备。但伴随高压电晕放电而来的臭氧生成问题，正越来越多地成为行业设计与运维的“隐形痛点”。一方面，臭氧是强氧化剂，过量排放不仅对人体有害，还会推动NO向NO₂转化，导致近地面光化学烟雾加重；另一方面，在城市大型地下隧道中，ESP往往与NOx、NO₂深度治理设施串联布置，过高的臭氧出口浓度会直接干扰下游脱硝、NO₂吸收或催化系统的工艺平衡。

围绕“如何在不牺牲除尘效率的前提下降低臭氧生成”，日本武藏工业大学与富士电机系统公司在ICESP X（2006年，澳大利亚）上联合发布了一项非常有代表性的实验研究[1]。该研究从电晕放电机理和电极结构入手，对比了不同放电极形状（放电线、薄板边缘、锯齿边缘）在两级ESP中的臭氧生成特性与收尘性能，为目前行业在隧道ESP、两级电除尘和后端NO₂控制系统的协同设计提供了颇具启发性的技术方向。

这项研究由Ehara Y., Ito K., Takagi Y.（武藏工业大学）与Zukeran A., Yasumoto K.（富士电机系统株式会社）共同完成，试验对象是一台典型的两级静电除尘器：前级为预荷电段，用于给颗粒荷电；后级为平行板收集段，用稳定电场将荷电颗粒捕获。研究团队刻意将变动因素聚焦在“预荷电电极形状”和“极性”两大关键维度，在基本保持收尘电场条件不变的前提下，系统对比各工况的电晕放电行为、臭氧浓度和除尘效率。

在预荷电段中，作者设置了三种典型的高压放电极结构：

第一类为传统的放电线电极，直径0.4 mm，搭配对面接地平板电极，这是目前工业ESP中应用最成熟、最广泛的结构形式；

第二类是0.1 mm厚薄板侧缘型电极，让电晕主要集中在“锋利边缘”而非圆线表面；

第三类是同样以0.1 mm厚金属板制成的锯齿型电极，通过周期性锯齿尖端形成一系列局部强化电场的发射点；

三种预荷电结构下游均接同一组平行板收集极。试验烟气来源为柴油机尾气，采用空气稀释后送入ESP，气流速度控制在约7 m/s，基本契合隧道ESP工程中的典型流速区间。为便于横向对比，各类电极在预荷电段均分档设置相同的放电电流（0.02–0.08 mA），收集段则固定施加7.5 kV直流电压。

在实验方法上，这项工作有两个值得行业特别关注的细节。其一，研究团队通过数字摄像头，长曝光拍摄不同电极形状在正、负电晕下的放电发光图像，直观呈现了电晕分布差异，如丝状电晕、片状辉光或局部尖端放电等，这些都是臭氧生成机制的重要“可视化线索”。其二，实验在接地侧串入10 kΩ电阻，通过示波器记录电流波形，分辨单个放电脉冲的幅值与频率。臭氧生成能力与电子能量分布和放电脉冲特性密切相关，通过波形对比可以更精确地解释不同电极形状为何会在相同电流下呈现出截然不同的臭氧生成水平。

对于传统放电线型ESP，在正极性下，电晕呈连续的“薄雾状”辉光，电流波形以大量幅值很小的脉冲为主；在负极性下，则表现为频繁的强脉冲放电，电晕发光呈现大量随机闪烁的亮点。在相同平均电流下，正、负极性的收尘效率基本相当，但负极性的臭氧浓度明显更高。这一发现与电晕理论是一致的：负电晕中高能电子团和强脉冲容易引发更多的O₂裂解，从而提高臭氧生成速率。这也解释了工程实践中常见的“负电晕线极ESP臭氧偏高”现象。

当放电线被纤薄的金属板边缘替代（薄板型电极）后，在正极性运行时，放电图像与放电线类似，同样呈现沿边缘扩散的辉光电晕，电流波形也仍以小脉冲为主；在负极性运行下，虽然仍可见点状闪烁放电，但单个脉冲幅度整体低于线极ESP。更关键的是：在正、负极性下，薄板边缘型电极的整体收尘效率几乎与线极ESP持平，而臭氧浓度却出现了显著下降，尤其在正极性下相对于负极线极具有明显优势。从工艺角度看，这意味着在不增加设备体积和能耗的情况下，通过改变预荷电电极形状，就可以在维持收尘性能的同时拉低臭氧“背景值”，为后续NO₂控制留出更安全的工艺窗口。

锯齿型电极的表现则更具“极性敏感性”。试验表明，在负极性下，锯齿尖端产生的是众多幅值较小、分布均匀的放电脉冲，其峰值明显低于线极和薄板型负电晕，电晕亮斑集中在各个尖端位置；在正极性下，尖端放电同样存在，但当电压升高到约11 kV以上时容易出现击穿放电，限制了可用电压窗口。从综合性能看：

在负极性运行中，三种电极的收尘效率整体相近，但锯齿型电极对应的臭氧浓度最低，可视为“负极性工况下的最优方案”；

在正极性运行中，锯齿型的收尘效率明显低于线极与薄板型，同时受限于击穿电压，其可操作范围也较窄，不利于工程应用放大。因此，在正电晕ESP中，锯齿型更适合作为特殊工况或局部强化用途，而非通用结构。

将三种电极形状在两种极性下的结果汇总比较，结论可以高度概括为：

在正极性下，薄板边缘型预荷电电极兼顾高除尘效率与低臭氧生成，是替代传统放电线的优选方案；

在负极性下，锯齿型电极以最低臭氧生成、接近线极的收尘效率脱颖而出，是负电晕系统中控制臭氧的最佳结构组合；

无论何种结构，负电晕普遍比正电晕产生更多臭氧，而放电脉冲波形的“强弱、粗细”与臭氧水平高度相关，这为后续通过脉冲电源、波形控制进一步“精细化管理臭氧”提供了思路。

从行业风向看，这项发表于2006年的工作具有明显的前瞻性，对当前几类热点场景仍有直接参考价值：其一，在城市长大隧道中，ESP后通常布置NO₂吸收或选择性催化氧化系统，臭氧过量会抬高NO₂生成，倒逼下游更高负荷运行。通过在预荷电段采用薄板边缘（正极性）或锯齿负晕结构，可以在源头削减“无效臭氧”，减轻全线通风与尾气治理系统的协同压力；其二，在两级ESP用于超细颗粒物（PM₂.₅、PM₀.₁）控制时，往往需要较高的电晕强度和荷电效率。选用合适的电极形状和极性组合，有望在保持高粒子荷电效率的同时，将臭氧生成控制在法规和下游工艺可接受范围内；其三，在工业烟气超低排放改造中，ESP与脱硝、湿法洗涤或干式吸收工艺的耦合日益紧密，掌握“电极结构—放电波形—臭氧生成”的内在关系，正在成为系统集成商和总包单位提升方案竞争力的关键技术点之一。

综合来看，Ehara等人的研究清晰地展示了：臭氧生成并非静电除尘器运行的“必然代价”，而是可以通过电极结构设计和极性策略进行优化、权衡和控制的工艺变量。对于正在推进隧道ESP改造、两级电除尘升级和NO₂深度治理集成项目的工程团队而言，结合自身烟气特性与场地约束，重新审视预荷电段的电极选型和极性配置，已经不再只是设备细节，而是决定系统综合性能和后处理友好度的重要“风向标”技术。

参考文献
[1] Ehara Y, Ito K, Takagi Y, Zukeran A, Yasumoto K. Reduction of Ozone Generation in Electrostatic Precipitator. Proceedings of ICESP X; 2006 Jun; Australia.

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