正脉冲电晕等离子体除臭：走出实验室的工业化路径

POSCO ICT 基于板-杆式正脉冲电晕放电的废弃物干化回收烟气除臭试验解读

关键词
正脉冲电晕放电,非热等离子体,板杆电极,除臭系统,静电除尘,工业烟气治理

近十多年，非热等离子体技术在工业烟气治理和废气除臭领域持续升温，从早期的小型介质阻挡放电（DBD）装置，到面向工程应用的高压电晕反应器，行业一直在寻找“一种既紧凑又能做大”的工业化解决方案。静电除尘（ESP）技术体系下发展出的板-杆式正脉冲电晕放电除臭，正是在这一背景下重新受到关注的路线之一。本文解读的研究，来自韩国 POSCO ICT Product Development Team，由 Hyong Won Lee 和 Joo Sung Kim 完成，是一项针对“板-杆型正脉冲电晕除臭系统”的中试级试验工作，重点考察其在废弃物干化回收装置烟气中的除臭效果以及系统放大（scale-up）的可行性。

传统 DBD 型非热等离子体除臭系统的优势在于结构紧凑、容易模块化，但其典型电极间隙较小、流道狭窄，导致气流在电极间的流动分布不均，压降和流场组织成为放大应用的瓶颈[1–4]。对于废弃物处理、污泥干化、餐厨垃圾资源化等此类典型“高含水、高腐蚀、成分复杂”的恶臭工况，如何在保持较高非热等离子体活性物种生成效率的同时，又能实现大流量、耐腐蚀、便维护的工程化布置，是行业关心的焦点。本次 POSCO ICT 的试验工作选择了板-杆式正脉冲电晕这一路径，试图在工艺空间、电场强度与气体停留时间之间做出一个工程上可接受的折中方案。

在系统设计方面，该中试装置针对的工况是废弃物干化回收装置烟气，设计处理风量为 2000 Nm³/h，这一规模已经接近小型实际工程装置而非单纯实验台架。反应器为不锈钢 SUS-316L 板壳，尺寸约为 2.0 m（高）×2.1 m（长）×1.6 m（宽），在此体积下，经过合理的气流分布设计，等离子体反应器内的气体停留时间控制在约 5 s 左右。这一“5 秒量级”的停留时间，是非热等离子体除臭系统中比较典型、且更接近实际工程的设定，在实际烟气工况下既能保证足够的放电接触时间，又能兼顾整个废气处理线的处理能力匹配。

从电气设计看，该试验采用的是典型的正极脉冲电晕放电模式：板极作为阴极，杆极作为阳极，通过高压整流和脉冲电源叠加方式，在板-杆间建立直流叠加脉冲的高电场。系统配置一台直流 30 kVA 高压电源和一台 20 kVA 脉冲电源，通过板-杆结构几何优化，将模块电容控制在 13.3 nF 左右，在保证放电稳定性的前提下尽量提高单位体积能量输入。该装置在直流模式下的设计电场强度约为 7.5 kV/cm，在直流叠加脉冲模式下可达到约 15 kV/cm（50 Hz），实测运行条件下正脉冲电压可达 42 kV 量级。依据电场—能量关系，可以用经典电容储能公式 W = 1/2·Cr·V² 估算放电单次能量，并结合电流、电压实测值进行对照，从而评估脉冲工况下的能量耦合效率[5–6]，这对于后续进行能耗对比、优化电源控制策略至关重要。

就工况特征而言，该废弃物干化回收烟气的恶臭物质组成具有较强的代表性。入口气体的分析结果显示，氨气约占总恶臭物质浓度的 60%，硫化氢约占 30%，甲硫醇占比约 2%，其余为少量挥发性有机化合物（VOCs），包括二甲硫、二甲二硫、低碳醛类、芳香烃（苯系物）、酮类、酯类和有机酸等，总恶臭物质浓度约 118 ppm。这类“氨+含硫气体+少量 VOCs”的组合，在垃圾焚烧厂、厨余垃圾干化、污泥烘干等场景中极为常见，是非热等离子体除臭系统的典型测试对象[7]。

在板-杆式电晕反应器结构上，研究团队采用单排或多排杆极布置于接地板极之间的形式，板极作为外壳一部分，既充当阴极又作为烟气通道边界。这种设计延续了静电除尘器电场结构的思路，有利于后续与 ESP 除尘电场集成或在同一壳体内进行功能耦合。与 DBD 不同，板-杆电晕反应器的流道尺度较大，压降相对较低，更适合数千到数万 Nm³/h 量级的工程放大。同时，采用 SUS-316L 等耐腐蚀材料，可以兼顾高湿度、含酸性气体等腐蚀性工况，解决了不少 DBD 装置在腐蚀环境下寿命短、维护成本高的问题。

在经过 3 个月的连续运行试验后，POSCO ICT 对入口与出口烟气进行了多轮采样和气相色谱/质谱分析，给出了各主要恶臭组分的去除效率。从结果来看，整体恶臭物质总去除率约为 59%，说明超过一半的恶臭分子在反应区被裂解或者转化为无臭或低臭的中间产物与终产物。在各组分中，VOCs 显示出较为突出的去除效果：甲硫醇、二甲硫、二甲二硫、醛类（如乙醛、丙醛、丁醛、戊醛）、芳香烃（如苯、甲苯、二甲苯）、酮类（如甲乙酮、甲异丁酮）以及醋酸丁酯等，普遍达到接近 100% 或 80%以上的去除率，印证了正脉冲非热等离子体对有机恶臭物质具有较高氧化、裂解效率的特点[7]。

对于无机恶臭物质，氨气与硫化氢的去除效果存在一定差异。硫化氢的去除率可达到约 84%，说明在高能电子轰击、活性氧/羟基自由基作用下，H₂S 易被氧化为元素硫、硫酸雾滴或其它含硫中间产物，从嗅觉角度显著减弱臭味。而氨气的去除率约 46%，明显低于硫化氢和多数 VOCs。研究人员推测，一部分氨并非被完全氧化，而是通过物理吸附、与其它酸性气体反应生成无挥发性的铵盐（如 NH₄₂SO₄、NH₄HSO₄ 等）而“转移相态”，因此在气相检测上表现为去除不高，但在颗粒或壁面沉积中有所体现。由于本研究并未对固相产物进行系统分析，氨和硫化氢的详细转化机理仍有待进一步研究验证。

值得注意的是，有机酸（如丙酸）和部分支链醛类在本次试验中去除率较低甚至接近 0，这提示在惰性气氛、相对较低能量密度或反应路径不充分的条件下，一些强极性、沸点较高的组分不易完全矿化，可能需要与后端吸附、湿法洗涤或生物滤池除臭单元进行组合，以实现整体恶臭强度的达标控制。这也再次印证了工程界的普遍共识：非热等离子体更适合作为“前端预处理或深度治理单元”，而非“一步到位”的单一终端工艺。

综合实验结果，POSCO ICT 研究团队得出了几项对行业具有启示意义的结论：其一，板-杆式正脉冲电晕等离子体可以稳定应用于工业级废气除臭系统，特别是在 DBD 装置难以放大、易受流场限制的场合，板-杆结构具有明显的放大优势；其二，正脉冲电晕对有机恶臭物质（尤其是含硫 VOCs 与芳香烃）表现出很高的去除效率，适合作为 VOCs 型恶臭治理的关键单元；其三，总体恶臭物质去除率超过 50%，在废弃物干化回收这类高污染负荷工况下属于较为可观的水平，但氨和部分有机酸的转化机理尚不清晰，需要后续通过在线/离线分析结合物种模拟予以深入研究；其四，板-杆式结构源自静电除尘器电晕电场的成熟设计思路，结构简单、易于采用模块化拼装，在工程实践中有利于与 ESP、湿法脱酸等单元进行串并联组合，具备较好的系统集成与规模放大潜力。

从行业视角看，该试验工作的重要意义在于，它用一个接近工程边界条件的 2000 Nm³/h 级别中试装置，给出了板-杆正脉冲电晕等离子体在恶臭治理上的真实表现，而非局限于“小流量、理想组分”的实验条件。这为正在进行烟气治理升级改造的垃圾焚烧厂、餐厨垃圾处理厂、污泥干化项目等提供了有价值的技术信号：一方面，可以考虑将板-杆电晕等离子体模块与现有静电除尘、电袋复合除尘等技术形成工艺耦合，利用原有烟道和电场空间降低改造成本；另一方面，在高湿度、强腐蚀、臭味成分复杂的场景中，这类结构简单、耐腐蚀的非热等离子体反应器，可能比精细复杂的 DBD 装置更具工程可靠性和可维护性。

结合国内外非热等离子体治理技术的整体发展趋势可以预见，未来围绕板-杆正脉冲电晕除臭技术，工程界和研究界还将围绕三个方向展开：其一是“机理深化”，通过细致的物种分析与数值模拟，厘清氨、硫化氢及有机酸的转化路径，为能耗优化和副产物控制提供基础；其二是“系统集成”，把非热等离子体与吸收、吸附、生物滤池等单元进行组合，实现“源头削减+末端抛光”的协同效果；其三是“电源与控制优化”，在保证放电稳定的前提下，通过脉冲波形、占空比和电场分区控制，尽可能提高单位能耗下的除臭效率，为大规模工业应用建立可靠的经济性边界。POSCO ICT 这项板-杆式正脉冲电晕除臭中试研究，正是朝着这一方向迈出的具有代表性的一步。

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参考文献
[1] Penetrante BM, Schultheis SE. Non-thermal plasma techniques for pollution control. Berlin: Springer-Verlag; 1991.
[2] Daniels SL. On the ionization of air for removal of noxious effluvia (Air ionization of indoor environments for control of volatile and particulate contaminants with non-thermal plasmas generated by dielectric-barrier discharge). IEEE Transactions on Plasma Science. 2002;30(4):1471-1481.
[3] Lee HW. DBD deodorant pilot system development research report. POSCON; 2009.
[4] Methods for producing uniform gas flow in processing equipment. British Chemical Engineering. 1963;July:359-363.
[5] Parker KR. Electrical Operation of Electrostatic Precipitators. IEE Power and Energy Series 41. London: The Institution of Electrical Engineers; 2003.
[6] Parker KR. Applied Electrostatic Precipitation. Bracknell: Bracknell Academy & Professional; 1997.
[7] Urashima K, Chang JS. Removal of volatile organic compounds from air streams and industrial flue gas by non-thermal plasma technology. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2000;7(5):602-614.