基于电晕自由基淋洗的NOx深度脱除：从实验机理走向工程应用

解读大分大学与麦克马斯特大学联合提出的Corona Radical Shower System NOx去除特性研究

关键词
Corona Radical Shower System,NOx removal,corona discharge,streamer,ammonia slip,静电除尘,等离子体脱硝

随着超低排放与碳减排政策持续收紧，如何在含尘、含SOx等复杂烟气条件下实现高效NOx脱除，正成为火电、水泥、钢铁等行业的技术焦点。传统选择性催化还原（SCR）在高粉尘工况下催化剂易中毒、堵塞，而以电晕放电、介质阻挡放电和电子束为代表的等离子体烟气治理技术，则因对粉尘、SOx不敏感而受到关注[1-12]。本次解读的Corona Radical Shower System（电晕自由基淋洗系统）研究，正是围绕“在强粉尘、复杂烟气下提高NOx去除效率与能效”的行业痛点展开，为静电除尘与烟气脱硝一体化提供了新的思路。

论文《NOx REMOVAL CHARACTERISTICS OF CORONA RADICAL SHOWER SYSTEM》由日本大分大学（Oita University）工学部电气电子工程系的Toshikazu Ohkubo、Seiji Kanazawa、Yukiharu Nomoto，以及加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）工程物理系的Jen‑Shih Chang和大分大学的Takayoshi Adachi联合完成。作者基于管式喷嘴电极结构，构建了Corona Radical Shower System，通过调节种子气（seed gas）与被处理烟气的流量，系统研究了电晕放电电流‑电压特性与NOx去除特性之间的耦合关系，这对于工程上优化电晕反应器设计、提升NOx去除率与能耗水平具有重要启发意义。

该系统的核心思想，是在管式喷嘴电极尖端形成稳定的正极流光电晕（positive streamer corona），并通过注入含NH3、N2、O2或CO2等成分的种子气，使反应区内的自由基环境和反应路径发生可控变化。与传统单纯利用烟气自身成分激发放电不同，Corona Radical Shower System将“种子气注入”和“电晕自由基反应”耦合，使NOx脱除从被动依赖烟气条件，转变为主动可调的过程。这种设计不仅瞄准高效脱硝，同时也关注能量利用效率与下游系统适应性，是典型的电晕等离子体烟气治理技术升级方向。

在研究方法方面，作者使用带喷嘴的管式电极结构，维持流稳的正极流光电晕放电，通过精确控制烟气流量和种子气流量，测量电晕放电的电流‑电压曲线（I‑V特性），并同步记录NOx出口浓度、氨逃逸情况以及NOx去除率等指标。与常规静电除尘器（ESP）研究仅关注收尘效率和比集电面积不同，该研究更侧重于放电特性与化学反应效率的关系，体现了从“充电+捕集颗粒”向“放电+诱导气相反应”的功能延伸。实验通过改变气体停留时间（即处理气体在电晕活性区内的停留时间），以及改变不同配比的NH3种子气浓度，系统分析了NOx向N2、H2O与NH4NO3气溶胶的转化行为，并探索了电晕工况的最佳操作区间。

实验结果表明，Corona Radical Shower System的电流‑电压特性存在两种明显不同的工作模式，并且这两种模式对NOx去除性能产生重大影响。第一类是单调型（monotonic）I‑V曲线，即电压升高时电流平滑增加，对应较为稳定的流光电晕状态；第二类则是非单调型（non‑monotonic）I‑V曲线，在某些电压区间电流出现回落或者突变，反映出放电形态的转变或局部不稳定。研究发现，非单调型I‑V特性下所对应的放电模式，反而能够实现更高的NOx削减速率，其最大NOx减排速率明显高于单调型工况。这对于工程应用很有价值——传统设计往往倾向于“越稳定越好”，而该结果提示：适度的放电形态“激活”可能释放更强的自由基反应能力，从而提高NOx去除效率。

与之紧密相关的是气体停留时间这一关键参数。作者指出，被处理气体在电晕活性区域内需要达到某一阈值停留时间，才能实现高效NOx脱除。实验给出的阈值停留时间约为8（文中以无量纲形式给出，实质对应一定的流量‑空间尺度比），低于这一阈值时，自由基与NOx的反应不充分，NOx去除率显著下降；当停留时间超过该阈值后，NOx去除效率明显提升，并进入高效转化区间。对于正在推进高烟速、紧凑布置的电除尘/等离子体一体化设备的工程设计方而言，这一发现直接提示：“过高烟速+过短反应区”组合将不可避免牺牲NOx脱除性能，适当拉长有效放电区长度或优化气流组织，是维持高效率NOx去除的前提。

在种子气作用方面，研究重点考察了引入含氨（NH3）的种子气后，对NOx脱除率和氨逃逸的影响。等离子体脱硝的关键在于通过高能电子激发产生OH、O、N等活性自由基，再与NO、NO2发生级联反应，最终生成N2与H2O。然而，如果NH3供给不当，容易导致大量NH3未参与反应而直接排放，造成氨逃逸，进而对下游静电除尘器、湿法脱硫系统及烟道腐蚀带来新的问题。作者通过系统扫描不同NH3配比，发现通过优化附加气体中的氨浓度，可以显著降低烟气中的漏氨（ammonia slip），即在维持或提升NOx去除率的同时，将NH3逃逸控制在可接受范围。更具工程指导意义的结果是，当UNH3/UNO（即单位NO对应的NH3摩尔比）大于1.5时，系统最高NOx去除率可达到100%，实现完全转化。这表明，在合理的过量配氨与合适的电晕能量投入下，Corona Radical Shower System在理论上具备“零NOx排放”的潜力。

从行业应用视角看，该研究虽然仍处于实验室规模，但对当前“静电除尘+等离子体脱硝”一体化发展路径具有多方面启示。其一，管式喷嘴+种子气注入的结构容易与现有管式电除尘器集成，有望在不大幅改造烟道结构的前提下，叠加NOx去除功能，对老旧机组改造具有现实意义；其二，I‑V特性的双模式与停留时间阈值这两个发现，为工程上设计电场尺寸、烟气流速、放电极布置及电源控制策略提供了明确的量化依据；其三，通过精细控制NH3种子气流量，在实现高NOx去除率的同时有效抑制氨逃逸，为后续与湿法脱硫（FGD）、湿式电除尘（WESP）联用减少二次污染提供了工艺保障。从更宽广的行业趋势看，Corona Radical Shower System代表了静电除尘技术向“多污染物协同治理”和“等离子体‑化学一体化反应器”的演进方向，是高粉尘、高SOx工况下NOx治理值得重点关注的一条技术路线。

总体而言，该研究以严谨的实验设计，清晰揭示了电晕电流‑电压特性、气体停留时间、种子气组成与NOx去除效率之间的内在联系，为今后开发高效、低能耗、低氨逃逸的电晕等离子体脱硝装置提供了重要基础数据和设计思路。对于正在布局静电除尘与烟气脱硝深度整合的环保装备企业和电厂技术人员而言，深入理解Corona Radical Shower System的机理与参数敏感性，将有助于在下一轮超低排放与碳减排升级中把握技术主动权。

参考文献
[1] Ohkubo T, Kanazawa S, Nomoto Y, Chang J S, Adachi T. NOx Removal Characteristics of Corona Radical Shower System. In: Proceedings of the International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP). Oita University & McMaster University; year not specified.
[2] Chang J S, Urashima K, et al. Removal of NOx and SOx from Flue Gases by Discharge-Induced Plasmas. Various experimental and theoretical studies, 参见ICESP及相关期刊论文[1-11].
[3] Chang J S, et al. Flue Gas Treatment by Electron Beam Techniques. 电子束处理含尘烟气中NOx与SOx的理论与实验研究[12].

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