放电电极几何与电除尘器臭氧生成的关系研究

基于武藏工科大学与富士电气系统公司（Y. Ehara 等）的实验结果及行业应用解读

关键词
Electrostatic Precipitator; Ozone; Saw-tooth type Electrode; Corona Discharge; 电除尘器; 工业烟气治理

在隧道、钢铁、化工和浆纸等工业场景中，电除尘器（Electrostatic Precipitator）既是颗粒物控制的核心设备，也是潜在臭氧生成源。臭氧不仅会氧化尾气中的NO提升NO2含量，还会形成光化学污染，因而降低ESP产生臭氧的需求日益增强[1,2]。本研究由武藏工科大学与富士电气系统公司联合开展，通过可控的实验装置系统，系统性评估放电电极几何参数对臭氧生成的影响，为工业烟气治理和电除尘器优化提供实证依据（作者：Yoshiyasu Ehara 等）。

实验采用两级式ESP：前级为预电离区（precharger），后级为平行板收集区。预电离区使用厚度0.1 mm的锯齿（saw-tooth）高压电极、间隙9 mm，接地电极为平板；收集区为平行板结构，对收集电极施加约-7.5 kV，气速约7 m/s，粒径计与臭氧检测仪用于上下游监测与臭氧量测。研究重点为两类几何变量：锯齿尖角（15°、29°、52°）和锯齿数量（27、13、8、6，节距分别为2.5、5、7.5、10 mm）。实验同时记录放电电流、可见光发光面积（用数码相机拍摄）与下游臭氧浓度。

主要发现如下。其一，尖锐尖角（如15°）相比钝角能显著降低下游臭氧浓度；这是因为尖角改变了局部电场分布，使可见放电发光面积缩小，进而减少臭氧的生成面积。实测显示，臭氧浓度与可见放电光学面积呈良好正相关，光区越大，臭氧越多；因此减小放电区面积是抑制臭氧的有效途径。其二，在锯齿数量的对比中，随着锯齿数量减少，臭氧总量降低，但电离区总面积与产生的离子数也随之下降，导致对颗粒电荷化能力下降，收尘效率随之降低。针对工业应用的权衡分析表明，在本实验条件下要实现下游臭氧＜0.06 ppm且收集效率≥80%，拟合结果提示“8个锯齿”是较合适的折中选择；本研究还给出达到80%收集效率时各类锯齿配置对应的放电电流（6、8、13、27齿分别约需0.24 mA、0.14 mA、0.12 mA、0.12 mA），从能耗和臭氧生成两方面考虑，8齿配置在此工况下表现最佳。

此外研究指出，极性选择也影响臭氧生成：正极性的细线电极在臭氧生成上表现较低，但在工业实际中细线易断裂、维护频繁[3]。因此，锯齿型电极在负极性运行下兼顾了结构可维护性与臭氧抑制效果，是较为实用的设计路径之一。

面向中国工业市场，以上结论对浆纸、钢铁、水泥及化工行业具有直接参考价值：通过优化电极尖角与锯齿布置，可在保证捕集效率的前提下降低臭氧排放，帮助企业更容易满足地方与国家的排放标准，减少因臭氧导致的二次污染与监管风险，同时降低因高臭氧而需额外脱硝或除臭系统带来的资本性投入。在节能方面，合理降低放电电流并优化电场分布，可降低运行电耗与电极维护频次，从而降低整体运维成本。

结合行业实践，艾尼科（Enelco）在极板/极线结构设计、电场优化与在线运维策略方面具备丰富积累。以企业级电除尘器改造为例，艾尼科可通过计算电场分布、调整电极几何并结合智能电源控制，实现放电区域精细化管理，既保证颗粒捕集，又抑制可见放电面积与臭氧生成。这种技术路线适用于钢厂高温烟气、浆纸厂细颗粒，以及水泥窑尾气的深度治理。

综上所述，放电电极几何（尖角与齿数）对ESP臭氧生成有显著影响：尖锐尖角与适当减少锯齿数量可有效抑制臭氧，但需兼顾离子产额以维持收集效率。未来在中国工业应用中，建议结合在线监测与数值电场优化，对电极结构做场景化定制，以实现低臭氧、低能耗与低运维成本的综合目标。[1-4]

参考文献
[1] A. S. Viner, P. A. Lawless, D. S. Ensor, L. E. Sparks. Ozone generation in dc-energized electrostatic precipitator. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.28, No.3, May/June 1992, pp.504-512.
[2] A. Yehia, M. Abdel-Salam, A. Mizuno. On assessment of ozone generation in DC coronas. J. Phys. D: Appl. Phys., 2000, 33: 831-835.
[3] K. Takakura. Consideration for the Characteristics of Ozone Generation by Positive and Negative Corona Discharges. J. Electrostatics, 25(2):101-104, 2001.
[4] Y. Ehara, D. Yagishita, T. Yamamoto, A. Zukeran, K. Yasumoto. Relationship between Discharge Electrode Geometry and Ozone Concentration in Electrostatic Precipitator. Proceedings of the 11th International Conference on Electrostatic Precipitation, 2008.