气流工况下电除尘器负极起晕电压的新认知

基于Trichel脉冲判据的起晕电压计算：Assuit大学团队对线板式电除尘器气流–放电耦合的再梳理

关键词
Wire-duct, Filter, Negative corona, Onset voltage, Gas flow, Pressure distribution, Electrostatic precipitator, Flue gas cleaning

电除尘器（Electrostatic Precipitator, ESP）作为控制工业烟气颗粒物排放的主力装备，在冶金、发电、水泥、造纸等行业已应用数十年[1]。然而，在超低排放与节能改造的大背景下，传统基于静止气体假设的设计方法，正暴露出越来越多的局限。其中一个被普遍低估的因素，就是“气流对负极起晕电压的影响”。

本文解读的研究来自埃及Assuit大学电气工程系与物理系的联合团队（M. Abdel-Salam, A. Hashem），论文题为《Onset Voltage of Corona in Electrostatic Filters as Influenced by Gas Flow》。作者围绕线板式电除尘器的放电极，系统分析了当过滤气体以一定速度掠过放电线时，局部压力场如何改变电晕起始条件，并基于Trichel脉冲（负极脉冲电晕）的复现判据，给出了随气流速度和周向位置变化的起晕电压分布，为ESP在高烟气流速、低压工况下的设计和运行提供了更接近真实工况的理论支撑。

从工程应用看，线板式电除尘器最关键的工况之一就是电晕起始及其稳定维持。电晕电流过低，荷电离子不足，除尘效率急剧下降；过高则击穿风险增加，反复放电导致运行电压被压低。因此，对负极起晕电压的精准把握，是ESP设计院、设备厂、运行业主共同关心的技术焦点。传统方法多将烟气视为静止、均匀的大气压气体，而忽略了高速烟气绕流放电线时形成的边界层、涡街、局部压力和密度变化。Assuit大学的这项工作，正是从“气体放电物理+流体力学”的跨学科视角，对这一问题进行了细致刻画。

在方法上，作者采用“电场计算–气动压力分布–放电物理判据”三级耦合的思路。第一步，通过电荷模拟法（Charge Simulation Method, CSM）计算线板式通道中放电线附近的静电场分布。研究选取单根放电线与两侧收尘极板构成的二维线板结构，将放电线表面电荷用若干等间距线电荷在略小于导线半径的位置等效，极板表面电荷则用位于极板外部的一系列线电荷模拟。利用几何和电位边界条件（放电线电位为施加电压V，极板电位为0），建立线电荷强度与边界点电位之间的线性方程组，通过矩阵求解获得各模拟电荷的大小，进而在任意空间点计算电势与电场强度。数值验证表明，线表面电位误差控制在10⁻⁵量级，极板表面电位误差约为0.01%，与已有文献[5][8]给出的结果高度吻合，说明该方法可以准确反映ESP线板通道内的电场分布特征。

第二步，作者引入流体力学模型分析气流绕圆柱（放电线）的流动对局部压力的影响。在线板式电除尘器中，烟气以速度Wg正交掠过放电线，会在其周围形成边界层，并在一定雷诺数条件下在背风侧出现涡街和湍流。研究引用流体力学经典结论：在边界层内，周向位置ψ（以来流方向为0°）处的截面平均气体速度可近似表示为va=2Wg sinψ（0°≤ψ≤70°），在此角度范围内流动尚未发生分离。结合伯努利方程，可得导线周向上的压力分布P(ψ)=Po+1/2ρoWg²(1−4sin²ψ)。近前缘（ψ=0°）处为前滞点，速度为零，静压达到最大；随着ψ增大，局部速度升高，静压逐渐低于大气压，并在约ψ=70°处达到最低。实验结果表明，当雷诺数足够高时，ψ大于70°后，压力系数基本保持在一个近似常数，因此作者将ψ≥70°范围内的压力视为与ψ=70°处相同。换言之，在高速烟气工况下，放电线周向上会形成明显的“高压区–低压区”分布，这直接改变了局部气体密度与电晕起始条件。

第三步，也是本研究的核心，作者基于Trichel脉冲的“可持续复现”条件来定义负极电晕的起晕电压。负极电晕下，每一次Trichel脉冲对应于一次从放电线表面出发的电子雪崩，其在增强电场区向外发展，留下大量正离子并伴随紫外光辐射。当雪崩终止后，若要形成下一个脉冲，必须再有电子从放电线表面被释放出来。理论和实验表明，在常见电场强度范围内，这一“继发电子”最主要来源于光电发射，而非正离子轰击或场致发射[7]。因此，作者选取“前一雪崩所产生的光子在电极表面诱发的电子数，恰好能再触发一个新的雪崩”这一条件，建立起晕临界判据，并在数学上通过包含一、二次Townsend系数（α，γ_ph）、附着系数η以及光子吸收系数μ的积分关系来表达。积分区间覆盖放电线周围的电离区，该区域的厚度和强度由电场分布和局部气体压力共同决定。

在综合电场与压力场之后，气体折合场强E/p、折合电离系数α/p等关键放电参数随周向和气流速度发生变化，从而改变Trichel脉冲复现条件，进而得到不同ψ和不同Wg下的起晕电压Vo(ψ,Wg)。计算采用了与经典文献[8]相同的结构尺寸：放电线半径0.825 mm，线–板间距3.8 cm。结果首先在静止气体情形下对比前人工作，电位与电场沿对称轴和极板表面的分布曲线与已有模型高度重合，验证了数值方法的可靠性。

随后进入气流工况的分析。随着流速Wg提高，前滞点（ψ=0°）处的局部压力明显高于大气压，折合气体密度上升，相应的电晕起始场强提高，导致该位置的起晕电压显著升高；而在背风侧附近（大约ψ=70°及之后），局部压力低于大气压，等效气体密度下降，放电更易发生，起晕电压随之下降。作者的计算结果显示：对于同一气流速度，起晕电压沿导线周向先从ψ=0°处的最大值逐渐下降，在ψ≈70°附近达到最低，此后基本保持稳定。这一分布趋势随着Wg增加而更加明显，高速烟气工况下“前高后低”的起晕电压环向差异更为突出。

从工业烟气治理角度看，上述结论具有多重启示。其一，线板式电除尘器在高烟气流速（例如锅炉提效改造、增大通风量）下，局部起晕电压并非统一抬升，而是在来流一侧被抬高、背风侧被降低。这意味着局部电晕可能首先在背风侧启动并占主导，对电场分布、荷电均匀性和电晕电流分布都会带来影响。其二，对于超低排放改造中常见的“减小线–板距、提高场强”策略，如果不考虑气流引起的局部低压区，可能会在背风侧更早触发强电晕甚至击穿，从而制约整体运行电压。其三，在高海拔、低绝压、低氧含量和高流速的综合工况下，本研究提供的“气流–压力–起晕电压”链条，有助于更精细地评估ESP可达的运行电压窗口，为异地标定与本地适配修正提供理论依据。

此外，该研究还间接提示：线板式电除尘器的结构优化（如放电极布置角度、极线形状、流场均布措施）可以与气动设计协同考虑，利用“合理引导绕流”，在不显著增加能耗的前提下，为关键区域创造更有利的电晕起始条件。未来若能将本研究中采用的电荷模拟、电晕起晕判据，与CFD三维流场仿真和含尘气溶胶特性（粉尘粒径分布、电阻率等）结合，将有望发展成为更贴近工程现实的“多场耦合ESP数字孪生模型”，为工业烟气治理的精细化设计和在线优化控制提供技术基础。

总体来看，Assuit大学团队的工作，在电晕起晕理论中引入了明确的气流与压力分布因素，基于Trichel脉冲复现判据构建了可计算的起晕电压模型，并通过与经典线板式电场分布研究的对比验证了方法可靠性。对于处在排放限值持续收严压力下的工业企业和设备供应商而言，理解并利用“气流影响起晕电压”的物理机制，有助于在既有设备条件下挖掘更大的运行弹性，同时为新建与改造项目提供更有科学依据的设计边界条件。

参考文献
[1] Böhm, J. Electrostatic Precipitators. New York: Elsevier, 1982.
[2] McLean, J. Electrostatic precipitators. IEE Proceedings A, 1988, 135(6): 347–361.
[3] McDonald, J. R., Smith, W. B., Spencer, H. W., Sparks, L. E. A mathematical model for calculating electrical conditions in wire-duct electrostatic precipitation devices. Journal of Applied Physics, 1977, 48: 2231–2243.
[4] Singer, H., Steinbigler, H., Weiss, P. A charge simulation method for the calculation of high-voltage fields. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1974, PAS-93: 1660–1668.
[5] Abdel-Salam, M., Wiitanen, D. Calculation of corona onset voltage for duct-type precipitators. IEEE Transactions on Industry Applications, 1993, 29(2): 274–280.
[6] Jain, A. K. Fluid Mechanics. Delhi: Khanna Publishers, 1996.
[7] Khalifa, M., Abdel-Salam, M., Abou-Seada, M. Calculation of negative corona onset voltages. IEEE Paper C-73-160-9, 1973.
[8] Elmoursi, A. A., Castle, G. S. P. Modeling of corona characteristics in wire-duct precipitators using the charge simulation technique. IEEE Transactions on Industry Applications, 1987, 23(1): 95–102.

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