ESP供电模式对静电除尘器细颗粒捕集效率的影响

布达佩斯理工与经济大学（电力工程系、流体力学系）关于脉冲与直流供电下ESP性能比较的模型研究

关键词
静电除尘器, 细颗粒, 脉冲供电, 直流供电, 空间电荷, 节能降耗, 排放达标

在PM2.5监控与排放治理日益严格的背景下，静电除尘器（ESP）对细颗粒的捕集性能成为工业烟气治理的焦点。本文改写并扩展了布达佩斯理工与经济大学研究团队关于供电模式对ESP捕集效率影响的工作，针对脉冲供电（impulse）与连续直流（DC）供电两种典型模式，通过时域模型分析了细颗粒（≤2.5 μm）在电场与流场耦合作用下的充电、迁移与沉积行为，旨在为浆纸、钢铁、水泥与化工等行业的减排与节能降耗提供参考（作者：Tamás Iváncsy、István Kiss、Jenő Suda、István Berta；单位：Budapest University of Technology and Economics[1-3]）。

原有稳态模型主要通过迭代计算电场、流场与颗粒轨迹来获得平衡分布，但难以直接描述脉冲供电的时间变化特性。为此，研究团队在前期模型基础上，将网格节点上的物理量与时间步关联，建立了可以在时间域内重算电场分布、空间电荷密度与颗粒充电动态的数值方法。模型保留了常用的电流－电荷关系与电势求解框架，并考虑了离子移动率、颗粒饱和电荷与库宁校正等因素对迁移速度的影响，同时采用边界层近似和湍流混合长度模型求解二维速度场与颗粒浓度传输方程[1-3]。

在时步选择上，研究基于三项原则：离子通过半通道的时间远小于时间步；时间步小于高压脉冲的“ON”时长；时间步小于入口气速与网格长度比率（vx/dx）。数值试验采用峰值20 kV的脉冲电压，脉冲“ON”时长30 ms，总周期50 ms，对比了连续DC下的稳态响应与脉冲模式下的瞬态行为。模拟结果显示，当电压“ON”时，电晕电流使颗粒迅速带电并形成显著的离子空间电荷；当电压“OFF”时，尽管离子空间电荷消失，已带电颗粒仍保留电荷并在残余电场与流场作用下继续迁移，从而在整个周期内维持一定的沉降效率（见原图示）[4]。

这些发现表明，脉冲供电不仅在能耗上具有潜在优势，还能通过周期性的充电-迁移过程提高对细颗粒的捕集效率，尤其是在控制PM2.5类颗粒方面表现突出。但模型也指出，对微秒量级短脉冲的适用性需要进一步验证与计算精细化。模型的模块化结构允许扩展不同脉冲形态、不同电极几何（如极线、带刺杆）与工况参数的敏感性分析，为现场工程优化提供工具[5]。

面向中国市场，艾尼科（Enelco）在静电除尘器极板设计、极线布局与电场优化方面具有多年实践积累，可将上述时域模拟结果与现场检修、运行数据结合，帮助浆纸、钢铁、水泥和化工企业实现排放达标与运行成本优化。比如，在炼钢高温烟气与水泥窑尾气治理中，通过采用合适的脉冲频率和占空比，可以在保持或降低平均能耗的同时，提高对直径小于2.5 μm颗粒的去除率，从而减少二次清灰频次与维护成本。

此外，脉冲供电配合电场均匀化、极板表面涂层与静电场梯度控制，有助于减少电晕放电不稳定和粉尘回弹问题，延长设备寿命并降低运维复杂度。基于模型输出，艾尼科可为客户提供定制化的改造方案，包括极距优化、极线结构改进与脉冲电源参数设定，确保在不同工业工况下实现节能降耗与达标排放的双重目标。

总之，将稳态ESP模型拓展到时域的脉冲供电分析，不仅补充了对空间电荷与带电颗粒耦合效应的理解，也为工业现场采用脉冲供电策略提供了理论依据与设计思路。未来工作可围绕更短脉冲尺度、多电极组合与现场工况耦合开展，以支持中国重点行业在PM2.5治理与低碳目标下的技术升级与运行优化。[6-7]

参考文献
[1] Kiss I., Suda J., Kristóf G., Berta I.: The Turbulent Transport Process of Charged Dust Particles in Electrostatic Precipitator, 7th International Conference on Electrostatic Precipitation, Kyongju, Korea, 20-25 September 1998.
[2] Kiss I., Suda J., Szedenik N., Berta I.: New Results in ESP Modelling, Electrostatics, 1999. 10th Int. Conf. Cambridge, Inst. Phys. Conf. Ser. 163, pp. 299-305.
[3] Suda J., Kiss I., Lajos T., Berta I.: Study of Particle Dispersion and Turbulence Modification Phenomena in Electrostatic Precipitators, 8th International Conference on Electrostatic Precipitation (2001) Birmingham, Alabama, USA, Proceedings A1-3, p.8.
[4] Berta I.: Efficient operation of industrial electrostatic technologies and their development. PhD thesis, Budapest, 1987.
[5] Gallimberti I.: Recent advancements in the physical modelling of electrostatic precipitators. Journal of Electrostatics, Vol. 43, pp. 219-247, 1998.
[6] A.D. Moore: Electrostatics and its applications.
[7] Chang J. S.: Electrostatic Charging of Particles. In Handbook of Electrostatic Processes (Chang – Crowley – Kelly), Chapter 3. Marcel Dekker Inc., New York, 1995, pp. 39-49.

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