锯齿电极几何与静电除尘器臭氧浓度关系研究

基于武藏工艺大学与富士电气系统公司联合实验的负极锯齿电极优化研究

关键词
Electrostatic Precipitator (静电除尘器), Ozone (臭氧), Saw-tooth type Electrode (锯齿电极), Corona Discharge (电晕放电), 除尘器优化, 烟气治理

随着城市隧道、工业窑炉等密闭或半封闭空间中柴油机尾气与颗粒物排放问题日益受到关注，静电除尘器（Electrostatic Precipitator，ESP）作为工业烟气治理与除尘器优化的重要设备，其运行过程中伴随产生的臭氧（Ozone）对环境与人体健康构成隐忧，因此降低ESP产生臭氧的同时保证除尘效率，已成为行业亟需解决的问题。在本项由武藏工艺大学（Musashi Institute of Technology）与富士电气系统公司（Fuji Electric Systems Co., Ltd.）合作开展的实验研究中，作者Y. Ehara、D. Yagishita、T. Yamamoto、A. Zukeran与K. Yasumoto系统探讨了放电电极几何——尤其是锯齿型（saw-tooth type electrode）——对臭氧生成的影响，并给出适用于低臭氧ESP的设计建议。

实验在两级ESP装置上进行，气流速度设为7 m/s，预电离（precharger）段采用厚度0.1 mm的锯齿高压电极与平板接地电极，放电间隙为9 mm，收集段为平行板结构并施加直流7.5 kV。研究变量包括锯齿顶角（15°、29°、52°）与锯齿数量（27、13、8、6），通过测量出口臭氧浓度（使用EG-2001臭氧监测仪）、上游/下游颗粒计数以及目视记录电晕发光面积来分析臭氧生成机理与除尘效率之间的权衡。实验还记录了在不同放电电流下的集合效率变化，以评估在满足排放和净化效率目标下的电极最优配置。

结果表明：锯齿顶角对总收集效率影响不显著，收集效率随放电电流增大而上升；但臭氧生成与锯齿顶角和放电发光面积呈明显正相关，顶角愈尖（15°）对应的发光面积较小，臭氧浓度亦更低，说明电场局部强化区的分布直接决定臭氧生成的空间与强度。此外，减少锯齿数量会减小产生电离的面积，从而降低臭氧产出，但过少的锯齿又会导致电离面积不足，颗粒电荷量下降，收集效率随之降低。在作者设定的目标（臭氧浓度低于0.06 ppm且收集效率高于80%）下，实验数据显示在此工况下8个锯齿为最优选择：在确保80%收集效率的放电电流条件下，8齿结构的臭氧浓度显著低于6齿，并兼顾了除尘性能与低臭氧输出。同时，研究通过拍摄可见波段的放电发光面积，建立了发光面积与臭氧浓度之间的近线性关系，为现场在线评估臭氧风险提供了简便的指示方法。

对于中国的钢铁、水泥、浆纸与化工等高粉尘排放行业，上述结论具有直接的工程价值：通过合理设计放电电极的局部几何与密度分布，可在不显著增加能耗的前提下，达到更严格的臭氧排放控制与高效除尘。尤其在隧道通风、废气再循环或人口密集区的工业厂房中，控制ESP的臭氧产量有助于降低NO→NO2的二次化学转化与光化学烟雾形成，符合国家日趋严格的环境监管趋势。企业层面上，采用如艾尼科（Enelco）在极板、极线材料、表面处理及电场优化方面的技术积累，可进一步提升电极耐久性、精确调控局部电场并降低维护频次，从而实现节能降耗与运维成本的双重优化。

展望未来，结合数字化和在线监测的趋势，推荐在工业现场推广基于电晕发光监测与电场仿真的电极优化流程：先以有限元方法对局部电场进行模拟，筛选出低放电发光面积且能保证电离强度的电极几何；再用在线臭氧与颗粒计数反馈迭代调整。对艾尼科等设备供应商来说，提供包含极板/极线定制、表面耐磨涂层与电场优化服务的整体解决方案，将更贴近钢铁、水泥、浆纸和化工等行业客户在排放达标、长期运行稳定性及运维成本控制方面的需求。总体而言，通过几何设计与运行参数的协同优化，可实现ESP在保证除尘性能的同时显著降低臭氧生成，为工业烟气治理（烟气治理）与除尘器优化提供具有可操作性的技术路径。

参考文献
1. Andrew S. Viner, Phil A. Lawless, David S. Ensor and Leslie E. Sparks. Ozone generation in dc-energized electrostatic precipitator. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol.28, No.3, May/June, 1992, 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. 11th International Conference on Electrostatic Precipitation.