高温高压静电除尘：气体组分与电晕特性的新认知

解读德国卡尔斯鲁厄理工学院 Andrei Bologa 团队关于 HT/HP 电晕放电与氦气混合烟气的系统研究

关键词
corona discharge, electrostatic precipitator, high temperature high pressure, helium, nitrogen, ESP, 工业烟气治理, 氦冷反应堆

在高温高压工况下实现稳定、高效的静电除尘（ESP），一直是燃气轮机余热锅炉、超超临界锅炉以及未来氦冷反应堆等领域的技术瓶颈。传统基于常温常压空气电晕放电经验的设计方法，难以直接外推到 500 ℃、数兆帕甚至 10 MPa 级别的高参数工况。因此，系统厘清“气体组成 + 温度 + 压力”对电晕放电特性和稳定性的影响，是下一代高温高压 ESP 设计的关键前提。

近期，德国 Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院，KIT）的 Andrei Bologa、Hanns‑Rudolf Paur、Helmut Seifert 与 Klaus Woletz 等学者，对高温高压（HT/HP）条件下不同气体和气体混合物中的电晕放电特性开展了系统实验研究[1]。工作对象包括纯合成空气、氮气（N₂）、高纯氦气（He 5.0 与 He 4.6），以及 He–合成空气、He–N₂ 混合气，在 10–15 mm 电极间隙内考察电晕起始电压、击穿电压、电流–电压特性曲线（CVC）及放电稳定性，对高温高压静电除尘器的离子源设计具有直接参考价值。

研究团队搭建了一套专用 HT/HP 电离器试验平台：电离器安装在接地的高压釜内，高压电极采用星形结构，围在内部的为接地电极，电极间距可在 10 mm（双高压电极）与 15 mm（单高压电极）之间切换。高压电源为 ±20 kV、10 mA 直流电源，可分别施加正、负极性电压。釜体配备电加热装置，可将电晕区气体温度从室温提高至 500 ℃；压力范围则从常压调节至约 2 MPa（热态试验），在部分氦气试验中最高可达 10 MPa。实验采用“正向 CVC（从起晕到击穿）”与“反向 CVC（从击穿回到起晕）”两种方式，便于分析电晕放电的滞回及稳定区域边界。

在常温条件下，研究首先对合成空气中的电晕放电进行了系统测试。结果表明，随着气压升高，合成空气中无论正、负极性电晕，起始电压与击穿电压均随之升高。然而，在一定固定电压下，电晕能够存在的压力窗口有限：在较低压力下易产生击穿，而在更高压力时电晕尚未起燃，这与高压下离子迁移率降低、有效漂移区缩小有关。负极性电晕电流显著高于正极性电晕，并且电晕被“压制”（电流消失）的压力上限，负极性可达约 0.6 MPa，而正极性仅约 0.4–0.5 MPa。这与传统气体放电理论中“负极性更易形成稳定电晕”的认识是一致的[1–3]。

在纯氮气中，电晕对电压变化更加敏感，小幅升压即可让电流接近击穿水平，说明在高压氮气环境中 ESP 的电源控制裕度更窄。实验发现，负极性电晕电流仍然远高于正极性；正电晕在约 0.4–0.5 MPa 即被抑制，而负电晕可稳定到约 0.7 MPa。值得注意的是，负极性 CVC 存在明显的滞回环，并且随压力升高滞回面积减小，表明高压有助于电晕的自稳定，但也反映出起弧–熄弧过程中的瞬态行为在 ESP 高压电源选型和保护策略上不可忽略。

在工业烟气治理与未来氦冷核反应堆应用场景中，氦气是极具代表性的工质。Bologa 团队分别在超高纯 He 5.0（≥99.999%）和工业级 He 4.6（≥99.996%）中开展了电晕试验。在 He 5.0 中，负极性电晕可在 1.7 MPa 以内保持稳定，而正极性电流水平整体较低且更容易受击穿限制。相比之下，在 He 4.6 中无论正负极性都可在更宽的压力范围内实现稳定电晕，负电晕最高可工作到 10 MPa，表明在致密氦气中依然可以构建可控的高压静电场，实现稳定离子源。

一个重要发现是：在氦气中，电晕起始电压以及维持一定电晕电流（例如 10 mA）所需的工作电压，均随压力近似线性增加。其电流–电压特性可用二次多项式较好拟合，这与既往研究中“氦气电晕电流与漂移场强之间呈二次关系”的结论吻合[10,19]。从微观机理看，氦气电晕中 He 分子亚稳态是主要的激发载体，正电晕区的主要带电粒子为 He⁺ 和 He₂⁺ 分子离子，而负电晕中载流子迁移率对微量杂质（如 O₂）极为敏感[10,20]。本研究中 He 4.6 较 He 5.0 含有更多残余杂质气体，这反而提升了负电晕电流，说明在 HT/HP 电离器中，气体纯度并非越高越好，必须结合目标应用的放电机理进行综合优化。

对于高温高压 ESP 工程应用，更具现实意义的是气体混合物与高温条件下的行为。研究团队配置了多种 He–合成空气与 He–N₂ 混合气，氦体积分数约为 10% 与 50% 两档。实验发现，适量引入氦气可以显著扩展电晕稳定存在的压力范围，并提高击穿电压。在 He–合成空气体系中，当 He 体积分数约 49% 时，负电晕可稳定扩展到约 1.1 MPa，而正电晕稳定上限约为 0.6 MPa，相比纯合成空气有明显提升。对高温高压静电除尘器而言，这意味着在类似“富氦烟气”或“惰性气体掺混烟气”场景下，通过合理调整气体配比，有望在更高压力下维持可控的强电晕，从而提升微细颗粒荷电效率。

在 He–N₂ 混合气中，同样观察到电晕稳定性随压力提高而增强，正负电晕起晕–击穿电压差增大，放电电源可调区间加宽。负极性 CVC 依旧表现出明显的滞回环，而且随着压力增加滞回面积先增大，在约 1.5 MPa 处达到峰值。类似的滞回现象此前在“针阵–网格”结构的单极性电晕中已有报道[22]，通常被归因于大量亚稳态 N₂ 分子的积聚和释放。对工业 ESP 设计者而言，这提醒我们在以 N₂ 或富氮烟气为工质时，不仅要关注起晕电压，还要关注放电历史对当前电晕状态的影响，尤其是在采用脉冲供电或快速升降压策略时。

在高温条件下（T 最高至 500 ℃），合成空气中的结果更加贴近实际锅炉烟气。试验显示，在固定压力下提高气体温度，可以显著拓展电晕稳定运行区间：负电晕在 500 ℃ 时的压力上限可达约 1.1 MPa，正电晕则约 0.9 MPa，高于常温工况。这一趋势与经典气体放电理论中“随温度升高、气体密度降低、有效起晕场强下降”的判断相符[1–3]。在氮气中，高温下负电晕在 P>0.3 MPa 后自稳定性增强，最大稳定压力约为 0.8 MPa；CVC 滞回更加明显，且随压力升高而加宽，在间接 CVC（由高压往下降）下电流显著高于正向 CVC，提示在实际 ESP 运行中“由高压回落”往往可以获得更稳定的电晕状态。

对于高温高压氦气，高温对电晕的影响具有一定反直觉性。在 He 5.0 中，升温一方面略微降低了起晕电压，使得相同电晕电流可以在更低电压下获得；另一方面，却缩小了起晕电压与击穿电压之间的安全裕度，电晕稳定性随温度升高而减弱。研究指出，在约 2 MPa、不同温度下的负电晕 CVC 对比，随着温度从 100 ℃ 逐步升至 400 ℃，CVC 曲线整体左移，但允许的安全调压空间变窄，这对氦冷反应堆烟气净化系统的高压电源设计提出了更严苛的控制要求。

值得一提的是，在高温高压氦气电晕试验中，研究人员观察到明显的电流驱动流体（EHD）效应：当电晕启动后，电离区内气体温度下降，而靠近高压绝缘子上部区域温度升高，且温差随压力升高而放大。这说明电晕放电不仅是“荷电过程”，同时还是显著的“气体输运过程”，在密闭高压容器内会诱发可观的气体循环。对于 HT/HP ESP 工程应用而言，这一发现提示，在进行设备热–电联合设计时，应充分考虑电晕驱动流对温度场与浓度场的二次影响，尤其是在氦冷或惰性气体环境中。

总体来看，Bologa 等人的研究为高温高压静电除尘器的设计与优化提供了几条清晰的工程指引：一是在 HT/HP 条件下，负极性电晕更易获得高电流与更宽的稳定区，对高压直流 ESP 更具工程优势；二是氦气及其与空气、氮气的混合能够显著改变电晕特性，合理配比有利于在高压、高温、致密烟气条件下维持强而稳定的电晕放电；三是在氦环境下，气体纯度、微量杂质对负电晕特性有非线性影响，不宜简单套用“越纯越好”的经验；四是高温与高压的耦合使电晕 CVC 呈现明显滞回与非线性特征，这对电源控制策略、绝缘设计以及 EHD 辅助传热/输运应用（如电流驱动流强化换热）均具有重要参考价值。

对于正在开发高温高压 ESP、惰性气体烟气净化以及氦冷反应堆二回路净化系统的工程团队而言，这项工作提供了一套相对完备的实验基准和定性规律框架，有助于从电晕物理出发，重新审视传统 ESP 在极端工况下的设计边界与优化空间。

参考文献
[1] Bologa A, Paur H-R, Seifert H, Woletz K. Influence of gas composition on corona discharge characteristics in the high temperature/high pressure electrostatic precipitator. Karlsruhe Institute of Technology, Germany.
[2] Chang JS, Kelly AJ, Crowley JM. Handbook of electrostatic processes. New York: Marcel Dekker; 1995.
[3] Gallimberti I. Recent advancements in the physical modelling of electrostatic precipitators. Journal of Electrostatics. 1998;43:219–247.
[4] Zhang J, Adamiak K, Castle GSP. Numerical modelling of negative-corona discharge in oxygen under different pressures. Journal of Electrostatics. 2007;65:174–181.
[5] Haidara M, Denat A, Atten P. Corona discharge in high pressure air. Journal of Electrostatics. 1997;40–41:61–66.
[6] Bonifaci N, Denat A, Malraison B. Determination of charge mobility in He gas from current-voltage measurements in point-plane geometry. IEEE Transactions on Industry Applications. 2001;37(6):1634–1640.
[7] Tabrizchi M, Khayamian T. Ion mobility spectrometry in helium with corona discharge ionisation source. International Journal for Ion Mobility Spectrometry. 2001;4(1):52–56.

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/