Bi-Corona静电除尘技术：破解ESP冲突的新路径

基于Balcke-Duerr与RWE Power在褐煤电站的Bi-Corona ESP实证研究解读

关键词
Bi-Corona, ESP, 静电除尘器, 工业烟气治理, 褐煤电站, 细颗粒物

在传统静电除尘器（ESP）领域，一个长期存在又始终难以彻底解决的核心矛盾，是“粒子荷电”与“粒子收集”之间的物理冲突。要实现高效荷电，需要强烈电晕、电离充分以及较高电流密度；而要实现高效收集，则更依赖稳定而高强度的电场，并不需要过高的电流。这种在同一电场、同一电源条件下无法兼顾的矛盾，被作者概括为“ESP冲突”。如何在不采用复杂昂贵的两级静电除尘结构的前提下，获得类似甚至更优的性能，一直是工业烟气治理领域的重要技术方向。

Balcke-Duerr GmbH联合RWE Power AG开展的Bi-Corona® ESP（Bi-Corona Technology, BCT）研究，正是试图在现有ESP结构与供电条件下，突破这一“ESP冲突”。作者Werner J. Frank和Thomas Riepe基于其早期在Walther&Cie的专利构思，将Cottrell式ESP中“荷电与收集同时进行”的单一场功能，重新划分为在同一高压母线下串联布置的“强化荷电区（Hi-DE）”与“强化收集区（Lo-DE）”，从而在一台常规ESP中引入类似“两级电除尘”的机理，却无需双套高压电源和复杂结构。这一Bi-Corona静电除尘思路，对于燃煤电站尤其是高灰分褐煤、高难分离细颗粒治理，具有重要工程应用价值。

Bi-Corona技术的基本思想，是在同一高压供电回路内，通过放电极（DE）几何形状和空间布置的差异化设计，将单一电场沿气流方向划分为数个子区：首先是以高电晕电流和强电离为目标的Hi-DE区域，用于快速、高效地给细颗粒荷电；随后是以高场强、低电流和稳定收集为目标的Lo-DE区域，尽量降低再电离、反电晕和再飞扬。相比传统Cottrell式“一场兼顾荷电与收集”，Bi-Corona更接近功能分区的ESP结构，却仍然保持“一套高压系统、多种场功能”的简化优势，这一点对于既有电除尘器改造尤为关键。

为验证这一概念的可行性和工程适用性，Balcke-Duerr首先在常温环境下建设了三通道全尺寸实验电场（LTF），对不同放电极组合的电压-电流特性进行系统测试。在LTF上，研究团队选择统一的管式放电极作为基本构型，通过是否布置放电刺、放电刺朝向及间距变化，区分Hi-DE与Lo-DE电气特性。在双通道Bi-Corona布置中，Hi-DE区采用加倍极距以获得高电流密度，后续Lo-DE区维持单通道极距，模拟“强荷电+精细收集”的组合。更具工程意义的是，后续实验发现，即便在单通道（Single Lane，SL）结构下，将电场中部分板极对前移为Hi-DE区，也未出现预期中的严重电晕闪络现象，即便场强超过5–6 kV/cm仍能保持稳定。这一结果推翻了行业此前“高电流密度预荷电必然导致整体场强受限”的固有顾虑，使单通道Bi-Corona在现有ESP改造中的可行性大大提升。

在完成LTF阶段的几何与电气优化后，Balcke-Duerr与RWE Power在一座燃褐煤300 MW机组上布置了全尺寸Pilot EP试验装置。该Pilot EP布置在锅炉A机组两电场ESP（ESPA）之后的旁路烟道中，与主烟道并联抽取部分烟气。Pilot EP内部划分为完全对称、可独立运行的两条气流通道：一侧为传统参比结构（Ref EP），采用常规锯齿形放电极与Sigma III收尘极组合；另一侧为Bi-Corona结构（BiCo EP），在同样的极间距与收尘极条件下，沿气流方向依次布置Hi-DE与Lo-DE区域，从而可在相同工况和颗粒性质下，直接对比两种技术路线的除尘性能。

试验选取自锅炉空预器至ESPA出口之间不同位置的烟气，通过调节ESPA第二电场的投运与否，获得不同入口含尘浓度与粒径分布。研究结果显示，当Pilot EP入口含尘浓度较高时，两侧除尘效率差异相对有限；而随着入口含尘浓度降低、颗粒级配向更细粒径集中时，Bi-Corona侧的Deutsch“k值”提升更加显著，即Bi-Corona技术在“低浓度、细颗粒、难捕集段”表现出更大的优势。作者进一步使用PALAS公司的WELAS®在线粒径监测系统，对两侧出口颗粒数目分布和分级效率进行分析，结果表明Bi-Corona结构在亚微米至数微米粒径段的捕集效率明显优于传统结构，这与之前在LTF上对“强化荷电区+强化收集区”机理的预期高度吻合。

在Pilot EP验证取得积极信号后，RWE与Balcke-Duerr将Bi-Corona技术扩展至全尺寸机组ESP改造。在B机组的一台300 MW锅炉上，项目组选择了与另一台并联ESP（B1）相对的ESP B2，将其第二电场改造为Bi-Corona结构，以在相同锅炉烟气工况下，对比单电场Bi-Corona对整体排放和可见度的影响。由于检修时间紧张，B2第二电场的Hi-DE/Lo-DE布置直接沿用了Pilot EP的单通道思路，但在高度与纵向比例上进行了放大匹配，并未对高压供电和振打控制系统做针对性优化。

改造前后，双方在同一负荷和同类燃料条件下进行了重量法出口粉尘浓度测试及电压电流特性对比。首次结果显示，B2在改造后处理烟气量有所增加，而出口粉尘并未明显优于ESP B1，甚至在个别点略显不利。进一步分析场强-电流曲线发现，B2第一电场存在起晕电压偏高、曲线过于陡峭等异常迹象，疑似存在机械振打或积灰问题，从而恶化了进入Bi-Corona第二电场的入口工况。值得注意的是，尽管存在这一不利因素，Bi-Corona电场本身仍然能够实现更高的场强和稳定的高电流运行，且在整个运行期间未发现因单通道Bi-Corona导致的异常闪络，这一工程实证再次印证了实验室阶段的判断。

在更长时间尺度上，借助两台并联ESP出口烟道的在线不透光度监测，研究团队对改造前后B1、B2的排放可见度进行了统计对比。结果表明，在改造前，采用传统结构的ESP B1整体表现略好于B2；而Bi-Corona电场投运后，在相似工况下，B2的大部分时间段不透光度明显优于B1，尤其是在采用高难度Hambach褐煤燃料、锅炉与ESP工况波动加剧时，B2相对B1的优势更加突出。这与Pilot EP阶段“入口粉尘越低、颗粒越细，Bi-Corona优势越明显”的趋势高度一致，说明Bi-Corona技术对于电站末端低浓度、细颗粒控制具有明显潜能。

不过，研究也揭示了一些工程细节问题。例如，随着运行时间的推移，B2相对于B1的不透光度优势有一定递减趋势，分析认为主要与Lo-DE区域的二次扬尘和再夹带有关。根据现场气固流动与极板布置分析，作者指出若将Hi-DE更靠近电场出口侧布置，增强末端荷电与收集能力，有望降低Lo-DE区域的再飞扬风险。因此，论文中提出了多种不同的Hi-DE分布方案作为后续优化方向，并将“防止再飞扬、优化Hi-DE区域比例与位置、开发更优Lo-DE构型、防止Hi-DE区反电晕、优化振打控制以及与高频电源的协同”作为Bi-Corona下一阶段研发重点。

综合来看，Balcke-Duerr与RWE Power的这项Bi-Corona ESP联合研究，为解决传统静电除尘器的“ESP冲突”提供了一条具有工程可行性的路径。一方面，通过在单一电场内部引入Hi-DE/Lo-DE功能分区，在不增加高压电源系统复杂度的前提下，实现了类似两级ESP的荷电与收集协同效果；另一方面，Pilot EP与全尺寸机组实证均表明，Bi-Corona技术在末端细颗粒、低浓度工况下的除尘性能优于传统Cottrell结构，尤其适合燃褐煤电站、HAM煤耦合燃烧等难工况的ESP升级改造场景。作者预计，在典型的末端电场改造项目中，Bi-Corona有望在相同空间和电源条件下，将出口排放浓度降低约一半，为满足愈加严格的超低排放与超净排放要求提供新的技术抓手。

对于当下正在谋求高效、低成本ESP提效改造方案的钢铁、水泥、燃煤电站等行业，Bi-Corona静电除尘技术的工程案例和运行数据，提供了一个值得持续跟踪的技术方向：通过精细化电场功能分区与电极设计，在不“大拆大建”的前提下，从电场内部结构层面挖掘静电除尘器的极限性能空间。

References:
(1) Frank, W. J., & Riepe, T. (2006). The Bi-Corona®-ESP – A new development to enhance ESP performance. Proceedings of ICESP X, Australia.
(2) PALAS GmbH. WELAS® Aerosol Technology. Product Brochure.

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参考文献
(1) Frank, W. J., & Riepe, T. (2006). The Bi-Corona®-ESP – A new development to enhance ESP performance. Proceedings of ICESP X, Australia.
(2) PALAS GmbH. WELAS® Aerosol Technology. Product Brochure.