放电极结构如何改变ESP性能：煤与生物质混燃飞灰实验解读

解读波兰弗罗茨瓦夫工业大学基于模型静电除尘器的放电极实验研究，为燃煤与生物质协同发电烟气治理提供技术参考

关键词
electrostatic precipitator, discharge electrode, fly ash, biomass co-firing, physico-chemical properties, 静电除尘器, 放电极, 生物质协同燃烧, 工业烟气治理, 颗粒物控制

在以燃煤电厂为主力的国家和地区，静电除尘器（ESP）仍然是控制粉尘排放的“一线装备”。随着煤–生物质混燃比例逐步提升，电站锅炉出口飞灰的物理化学性质发生明显变化，传统按“经验选型”的ESP放电极配置越来越难以保证在细微颗粒段仍然维持高效率捕集。因此，“放电极结构+飞灰性质”这一组合，正在成为工业烟气治理领域的一个关键技术热点。

本文解读的是 M. Jedrusik 与 A. Swierczok 代表波兰弗罗茨瓦夫工业大学传热与流体力学研究所，在 ICESP X（2006，澳大利亚）上发表的《Experimental test of discharge electrode for collecting of fly ash of different physico-chemical properties》实验研究。该工作在可控条件下系统对比了不同放电极型式、不同煤种与生物质协同燃烧工况下飞灰的理化特性及其对ESP除尘效率的影响，为现有机组技术改造以及新建机组ESP设计提供了具有工程指导意义的参考。

研究从一个非常现实的背景出发：根据当时的波兰能源法，电力行业需要在 2010 年前将可再生能源占比提高到 5.75%。这意味着大量燃煤机组会通过煤–生物质混燃方式完成配额，相应地，ESP需要处理一种“新类别”的混燃飞灰。该类飞灰在粒径分布、比电阻以及化学组成上，都与传统单一燃煤飞灰存在显著差异，直接影响电晕放电、荷电迁移速度以及再飞扬行为。如果仍沿用原有放电极结构和设计假设，往往会在细颗粒（尤其是 <10 μm 段）出现效率明显下滑，从而对电厂达标排放和超低排放改造形成掣肘。 为了从机理上厘清放电极结构与飞灰性质对ESP性能的耦合影响，作者搭建了一套透明有机玻璃模型静电除尘器。该模型为单电场结构，活性电场长度 2×1000 mm，高度 450 mm，气流通道间距 400 mm，放电极间距 170 mm，便于在近似工业气速条件下对电晕放电状态和粉尘运动进行可视化观察。收尘极采用平板结构，放电极则设计成可快速更换，以对比不同放电极配置的性能差异。 实验中选用了两种典型放电极：一类是工程应用广泛的带刺钢带型放电极（spiked band），另一类是管状+双尖刺组合式放电极（RDE，rigid discharge electrode），电晕特性更“刚性”，能够在较高电压下维持稳定放电。高压电源采用 0–100 kV 可调直流电源，输出电流做平滑整流；气速通过 CTA 热式风速仪控制，进灰浓度约 0.2 g/m³，以振动给料器连续加料。在ESP入口与出口分别进行等速采样，采用多孔探头和高效滤纸进行重量法测试，计算总除尘效率。 这项实验的一个亮点是，飞灰样本覆盖了多种典型工况： A：硬煤粉炉飞灰 B：硬煤循环流化床（CFB）飞灰 C：硬煤+10%生物质 CFB 混燃飞灰 D：褐煤 CFB 飞灰 E：褐煤粉炉飞灰 这些飞灰的化学组成、比电阻、粒径分布差异显著。以表征参数为例，比电阻从 3.2×10⁷ Ω·cm（褐煤CFB飞灰D）到 4.4×10⁸ Ω·cm（褐煤粉炉飞灰E）跨越了一个数量级，SiO₂、CaO、Na₂O、SO₃ 等组分含量也存在明显差别。通过筛分和离心颗粒分析，作者给出了 1–1000 μm 的粒径分布曲线，可以看到褐煤粉炉飞灰E在 <10 μm 的细颗粒段质量分数较低（约17%），而典型硬煤飞灰A、D在该段的比例分别达到约28%和35%。扫描电镜照片则进一步展示了不同飞灰在颗粒形貌上的差别，为理解其荷电与粘附行为提供直观依据。 在模型ESP上，研究首先测量了两种放电极在空气条件下的伏安特性。结果表明，RDE 型刚性放电极在相同电压下可以提供更高的电流输出，说明其平均场强以及单位长度电晕放电能力更强。这为后续观察其在高电场下改善迁移速度、提升捕集效率提供了基础解释。 随后，作者针对不同飞灰样本，分别在带刺钢带放电极和RDE放电极条件下，测量了随电压变化的总除尘效率曲线。几个对工程实践非常有价值的发现如下： 其一，从“易除尘性”看，褐煤粉炉飞灰E在两种放电极下都表现为最容易被捕集的对象。其原因主要在于：一方面，E的细颗粒含量较低，对ESP最敏感的亚微米和数微米区段占比有限；另一方面，E具有较高比电阻和较低K₂O、Al₂O₃含量，在本实验条件下表现为更有利于形成稳定粉尘层与电场分布。对比硬煤与褐煤飞灰时，传统“高比电阻一定更难收”的判断，并不能简单套用在所有工况，需要结合粒径分布和化学成分一体分析。 其二，不同放电极对同一飞灰的适应性并不相同。在硬煤工况中，硬煤CFB飞灰B在RDE放电极下的效率优于带刺钢带，而硬煤粉炉飞灰A则在带刺钢带放电极下表现更好。这一现象从工程角度释放了一个非常重要的信号：放电极结构的优化不能“一刀切”，而应结合锅炉类型（PC vs CFB）、飞灰比电阻、粒径谱等参数进行定制化匹配，特别是在进行ESP技术改造或电场数不足的老机组上，单纯提高电压并不等同于性能最优。 其三，针对SO₃与Na₂O含量的影响，作者选取硬煤粉炉飞灰A（SO₃≈0.2%，Na₂O≈0.48%）和褐煤CFB飞灰D（SO₃≈2.8%，Na₂O≈3.61%）进行了对比。两种飞灰在 <10 μm 段的细颗粒含量相近，但在含硫、含钠成分上差异明显。实验结果表明，在相同放电极结构下，高SO₃和高Na₂O含量有利于提高除尘效率，这与工业实践中通过注入硫酸氢铵或钠盐进行烟气调质以改善粉尘比电阻、消减反电晕的经验是一致的[5]。该结果再次印证：对于边界工况，配合适度的烟气调质，可以显著拓宽ESP的稳定运行区间。 其四，就当前行业非常关心的煤–生物质混燃问题而言，实验表明，在10%生物质掺烧比例下，飞灰C相较于硬煤CFB飞灰B，在整体化学组成上并未发生本质变化，K₂O、Na₂O、SO₃、Cl 等关键电气参数并未大幅偏移。这也反映在除尘效率上：无论是带刺钢带还是RDE放电极，混燃飞灰C与纯硬煤飞灰B的效率曲线基本接近，未观察到“效率断崖式下降”的现象。结合其他波兰研究[6]，甚至在生物质掺烧比例提高到约15%时，总体化学组成仍然保持在ESP可接受范围内。 更值得注意的是，尽管生物质掺烧本身对化学组成与ESP效率影响有限，但对同一混燃飞灰C而言，不同放电极结构带来的性能差异却非常明显。实验中，同样是混燃飞灰C，随着供电电压提升，RDE放电极在整个电压区间的效率均高于带刺钢带放电极。这一结果直接指向一个对电厂具有操作意义的结论：在推进煤–生物质协同发电时，与其过度担忧混燃飞灰自身“难收集”，不如将技术改造资源集中于ESP内部的“硬件优化”，包括放电极型式升级、电场气速调整以及适度烟气调质，从而在不增加电场箱体数的前提下释放设备潜能。 综合上述实验结果，作者给出了几条具有普适意义的结论：（1）在相同放电极条件下，飞灰中SO₃和Na₂O含量越高，总体除尘效率越好；（2）含K₂O和Al₂O₃较低的飞灰，更容易被两种放电极型式高效捕集；（3）在10%生物质掺烧比例下，对飞灰化学组成和ESP捕集效率的影响并不显著；（4）在同一混燃飞灰条件下，放电极结构优化对ESP性能提升的作用是明确且可观的。 从工业环保与烟气治理的视角看，这项工作虽基于小型单电场模型，但在方法上具有代表性：以可控条件下的物理模拟试验，将飞灰理化性质、放电极电晕特性与除尘效率进行了系统关联，为ESP工程设计中日益重要的“灰场适应性设计”提供了可量化的依据。对于正在推进深度超低排放改造、煤–生物质协同燃烧、乃至未来氢掺烧与多燃料灵活适应的电站机组而言，这类研究提示我们：放电极不只是一个“标准件”，而是影响ESP性能上限的核心变量之一。 在实践层面，电厂和环保工程公司在评估现役ESP改造方案时，应该把放电极型式、电晕电流密度分布与飞灰特性纳入整体设计框架，而非仅从电场面积、电场数或比集尘面积等传统指标出发。同时，结合在线飞灰监测和运行数据，对比理论模型与实际捕集效率，可以逐步建立基于工况–飞灰参数–电极结构的经验数据库，为后续的智能化控制与数字孪生提供数据基础。这正是工业静电除尘技术从“经验设计”走向“定制化、数据驱动设计”的关键一步。 参考文献 [1] Jedrusik M, Swierczok A. Experimental test of discharge electrode for collecting of fly ash of different physico-chemical properties. Proceedings of ICESP X, Australia, June 2006. [2] Jedrusik M, Gajewski J.B., Swierczok A. Effect of the particle diameter and corona electrode geometry on the particle migration velocity in electrostatic precipitators. Journal of Electrostatics, 2001, 51–52: 245–251. [3] Jedrusik M, Swierczok A, Teisseyre R. Experimental study of fly ash precipitation in a model electrostatic precipitator with discharge electrodes of different design. Powder Technology, 2003, 135–136: 295–301. [4] Lillieblad L, Strand M, Porle K. Conditions for electrostatic precipitators after biomass fired boilers. Proceedings of the 9th International Conference on Electrostatic Precipitation, Mpumalanga, South Africa, 17–21 May 2004, B08. [5] Parker K.R. Applied Electrostatic Precipitation. London: Blackie Academic and Professional; 1997. [6] Zuwala J. Uwarunkowania techniczne dla wspolspalania węgla z biomasa [Technical conditions for co-firing coal with biomass]. Czysta Energia, 2006, 2(54): 28–30.

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/