多区脉冲供电ESP背晕放电建模：高比电阻烟尘治理的新抓手

基于布达佩斯理工大学Iváncsy等的多区静电除尘与背晕建模研究解读

关键词
ESP, modeling, back corona, pulse energization, 多区静电除尘, 高比电阻粉尘

在铝冶炼、氧化铝焙烧等高温工况下，含尘烟气的粉尘颗粒以氧化铝（Al2O3）为主，平均粒径约为5 μm，入口粉尘浓度可达20–30 g/m³，烟气温度通常在250–280 ℃。这类粉尘的一个关键特征，是比电阻极高，通常在5×10¹¹–10¹² Ω·m量级[1]。对于静电除尘器（ESP）而言，高比电阻烟尘几乎等同于“高难度工况”——在常规直流供电条件下，非常容易诱发背晕放电，导致电压–电流特性畸变，电场难以提升，最终表现为除尘效率迟迟上不去。如何在不大幅改造设备的前提下，借助供电方式优化、区段分区控制等手段，把这类工况“吃透”，已成为当前电除尘行业的技术热点。

本文结合布达佩斯理工大学流体力学系Tamás Iváncsy、Jenő Suda、Kiss István与Berta István发表的《Modeling of Back Corona in Pulse Energized “Multizone” Precipitators》[1–4]，从行业应用视角对其多区脉冲供电ESP背晕建模方法和案例进行系统解读，重点关注背晕机理、多区建模思路以及对实际工程（尤其是氧化铝烟气治理）的启示。

这项研究所针对的典型对象，是带预除尘旋风的铝冶炼烟气系统。经旋风预分离后，仍有大量平均粒径约5 μm的氧化铝粉尘进入静电除尘器。测得粉尘比电阻在5×10¹¹–10¹² Ω·m范围内，这个水平已直逼或超过经典经验中容易出现背晕放电的临界区间（ρ≥10¹² Ω·m）[3]。研究者通过实测电除尘器在“空载”（无粉尘）与“实载”（氧化铝粉尘覆盖）两种情况下的V–I曲线，对背晕的存在进行了佐证：在无粉尘时，V–I曲线随电压平滑上升；而在有粉尘覆层时，电流在中高电压区域反而下降，典型地表现为电压–电流特性的压扁甚至回落，这意味着继续提高电压已无法换来更高的荷电和捕集效率，反而受限于背晕放电的“天花板”。

为定量评估不同供电方式（尤其是脉冲供电）和多区运行策略对除尘性能的影响，Iváncsy团队构建并改进了一个数值静电除尘器模型，核心包括两个模块：一是电场与荷电模块，通过积分方程方法求解拉普拉斯–泊松方程，迭代计算空间电荷与电场分布，并同时考虑扩散荷电和场致荷电；二是流场与颗粒输运模块，用于模拟带电颗粒在气流与电场作用下的迁移、沉积与浓度分布[1]。该模型原本为稳态，用于描述连续气流和稳定直流供电下的电场与粉尘行为。要模拟脉冲供电与背晕等非稳态现象，就必须把时间维度引入计算过程。

研究中，作者重点改造了离子空间电荷和粉尘荷电的计算模块，引入时间步长Δt，在供电波形变化周期内进行细分，采用“供给单元法”（donor cell method）来追踪离子在非均匀网格中的传输与复合[2]。该方法在保留局部空间分辨率的前提下，通过不等距网格加强对电除尘通道关键区域（如放电极附近、极板表面）的精细刻画，同时控制计算量。时间步长的选取遵循一个物理性约束：必须远小于离子在最小网格单元内的停留时间dt << ds/(μE)，以保证在每一个时间步上，离子移动与电场变化都能被稳定解析。 在背晕建模方面，研究从两条主线入手：一是计算集尘极表面粉尘层—金属板界面的电场强度随时间的演化；二是在粉尘层电场超过击穿阈值后，刻画反极性离子注入通道所形成的背晕电流及其对颗粒荷电的“去荷电”效应。模型假定：沿板面把除尘板分成若干截面，在每一小段上，粉尘层厚度在给定时间内近似均匀，且厚度增长速度（沉积速率）视为常数；对应段上的冠流电流密度在长度方向上也近似均匀。在这些前提下，可以推导出粉尘层界面电场Em(t)的时间函数，其随沉积厚度和粉尘层充电累积而上升，并在某时刻tkr达到介质击穿场强Ebkr，此时形成通道穿透粉尘层的微放电通道。 为求解背晕电流，作者引用了Gallimberti提出的简化等效电路模型[4]，将粉尘层视作一个电阻–电容并联支路，与正常冠流电源串联。正常冠流电流Ii持续为粉尘层充电，当Em达到Ebkr时，背晕电流Ib被触发，其表达式呈现与电场与粉尘层厚度相关的二次关系。更重要的是，背晕产生的离子极性与正常放电区相反，会大幅削弱颗粒表面电荷。文中通过一个无量纲参数γ（正负极性电流之比）引入背晕对颗粒荷电的影响，颗粒实际荷电量Q′t相对于无背晕情形下的Qt被折减，折减程度取决于正常冠流与背晕电流的相对大小。背晕越强，颗粒等效电荷越低，电迁移速度随之下降，最终表现为收尘率的明显下降[3]。 多区静电除尘器是当前大型燃煤电站、冶金及有色金属行业普遍采用的结构形式，但在建模方面长期存在“算得粗、算不清”的矛盾。传统做法要么将多区ESP视作一个整体，在统一的精细网格上求解电场与流场，但这样一来计算量会迅速膨胀，难以满足工程需要；要么将各区完全独立建模，只在边界间传递平均浓度等参数，而这在脉冲供电等非稳态运行方式下，很难获得随时间变化的准确边界条件，导致模型与实际工况脱节。 Iváncsy等的改进在于：在保持区段独立求解的框架下，引入时间循环，将每个时间步上的区间出口浓度、电荷分布与下一区间入口状态动态耦合，从而实现多区ESP在脉冲供电下的时变行为模拟。通过对供电时序、各区电压和极板振打程序的组合优化，可以在模型中快速筛选出更优的“多区供电策略”，在不增加本体结构复杂度的情况下，显著改善整体除尘效率。 为验证多区、脉冲供电与背晕模型的有效性，作者选取了一台典型的三电场线–板式电除尘器作为案例。该ESP采用线–板极制式，放电极与收尘极间距为150 mm，每区长度3 m，每区9根放电极。烟尘为氧化铝，介电常数取1.76，密度约4000 kg/m³。入口粉尘质量浓度设定为10 g/m³，并划分为2 μm、5 μm和10 μm三个粒径组分，以模拟实际操作过程中常见的多分散粒径分布。 在不发生背晕放电的理想工况下，模型将直流供电电压提升至45 kV进行计算。结果显示，10 μm的大颗粒在第一电场内就能迅速迁移至收尘极，后两电场更多承担对细颗粒的“抛光”作用。对于5 μm和2 μm的粒径组分，沿程收尘效率稳步增加，到出口处整体粒径加权效率已可满足工程需求，这与经典的Deutsch–Anderson理论在高电场、良好荷电条件下的预测相吻合。 然而，一旦将氧化铝高比电阻特性及背晕放电过程引入模型，情况立即发生变化。在同样的结构和入口条件下，背晕导致可用电场强度明显受限，直流供电电压在尚未达到45 kV就已受背晕限制被迫减小。模拟得到的出口粉尘浓度显著上升，整体收尘效率明显劣化，尤其是2 μm细颗粒的穿透率大幅提高，表明背晕在该类高比电阻工况下是主导性的性能瓶颈。 针对这一问题，研究进一步引入脉冲供电策略，对三电场进行多区脉冲供电模拟。以通电占空比ton/T = 60%、导通时间ton = 2 ms为例，在关断—导通周期内，ESP电场经历高场脉冲与低场段交替。模拟结果表明，在合理的脉冲参数下，整体收尘效率相对纯直流供电有显著改善，特别是在最易产生背晕的中下游电场，粒径加权综合效率提升更为突出。原因在于：脉冲供电在导通阶段施加较高峰值电压，使粉尘在短时间内获得较强荷电与较高电迁移速度，而在关断阶段则给高比电阻粉尘层以“泄放窗口”，降低粉尘层积累电压和界面电场峰值，从而在一个平均周期内把背晕抑制在相对较弱的水平[2,3]。多区结构的优势，在于可以针对不同区段粉尘负荷与比电阻状态，分别调整脉冲幅值与时序，从全局上实现“分区优化、整体提升”。 从行业应用角度看，这项研究给高比电阻粉尘工况ESP改造与新建设计带来几条值得关注的技术风向：第一，背晕必须通过基于物理机理的数值模型来定量评估，简单依赖经验电压限值或现场试错，既难以保障排放，又可能造成过度保守设计；第二，多区ESP不能再被“当成一块”粗略处理，多区供电、分区振打、分区电场强度优化等措施，需要以多区建模为基础进行组合设计；第三，脉冲供电在高比电阻工况中的作用，并非简单的“节能型供电”，而是实质上的背晕抑制技术，其参数（占空比、脉冲宽度、峰值电压、重复频率）必须与粉尘比电阻、介电常数和沉积速率等物性与工况参数相匹配，这一“匹配关系”恰恰可以通过文中这类时变多区ESP模型来预先寻优。 对于正在进行超低排放改造或应对新排放标准的企业而言，借助此类多区脉冲供电及背晕数值模型，可以在方案阶段就比较不同供电方式（纯直流、叠加脉冲、多区脉冲）、不同极板振打策略、甚至不同预处理措施（如加湿、硫化调理）带来的综合效果，做到“以算代试”，显著降低现场试验成本和时间。这也意味着，静电除尘器的设计与运维，正从传统的经验驱动加速转向模型驱动与数据驱动，在高比电阻烟尘治理与复杂工况ESP优化上，将形成新的技术竞争高地。 Keywords: ESP, modeling, back corona, pulse energization, 多区静电除尘, 高比电阻粉尘 References: [1] Kiss I., Suda J., Kristóf G., Berta I. The turbulent transport process of charged dust particles in electrostatic precipitators. Proceedings of the 7th International Conference on Electrostatic Precipitation, Kyongju, Korea, 20–25 September 1998: 196–205. [2] Meroth A. M., Gerber T., Munz C. D., Schwab A. J. A model of the nonstationary charge flow in an electrostatic precipitator. Proceedings of the VI International Conference on Electrostatic Precipitation, Budapest, Hungary, 1996: 130–136. [3] Masuda S., Hosokawa S. Electrostatic precipitation. In: Castle G. S. P., ed. Handbook of Electrostatic Processes. New York: Marcel Dekker; 1995: 441–479. [4] Gallimberti I. Detailed mass balance in electrostatic precipitators under industrial operating conditions. Proceedings of the 9th International Conference on Electrostatic Precipitation, Kruger Gate, South Africa, 17–21 May 2004.

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参考文献
[1] Kiss I., Suda J., Kristóf G., Berta I. The turbulent transport process of charged dust particles in electrostatic precipitators. Proceedings of the 7th International Conference on Electrostatic Precipitation, Kyongju, Korea, 20–25 September 1998: 196–205.
[2] Meroth A. M., Gerber T., Munz C. D., Schwab A. J. A model of the nonstationary charge flow in an electrostatic precipitator. Proceedings of the VI International Conference on Electrostatic Precipitation, Budapest, Hungary, 1996: 130–136.
[3] Masuda S., Hosokawa S. Electrostatic precipitation. In: Castle G. S. P., ed. Handbook of Electrostatic Processes. New York: Marcel Dekker; 1995: 441–479.
[4] Gallimberti I. Detailed mass balance in electrostatic precipitators under industrial operating conditions. Proceedings of the 9th International Conference on Electrostatic Precipitation, Kruger Gate, South Africa, 17–21 May 2004.