湿式静电除尘器中NOx同步脱除：直流电晕放电与水膜协同机理解析

基于波兰科学院与帕多瓦大学关于直流电晕放电中NO2分解与NO/N2O生成规律的实验研究解读

关键词
NOx removal, DC corona discharge, wet electrostatic precipitator, water film, OH radicals, flue gas treatment, multi-pollutant control

在工业烟气治理领域，如何在静电除尘（ESP）除尘效率稳定的前提下，提高NOx和SO2等气态污染物的协同脱除效率，正在成为行业技术升级的关键方向。其中，湿式静电除尘器（Wet ESP）由于具备抑尘、脱雾和一定气体净化潜力，逐渐从“终端除尘设备”向“多污染物协同治理平台”演化。围绕这一趋势，电晕放电、OH自由基化学与水膜界面反应的耦合机理，成为近期工业环保技术和学术研究的共同热点。

本文解读的研究工作来自波兰科学院流体流动机械研究所（Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences）与意大利帕多瓦大学电气工程系（Università degli Studi di Padova, Dipartimento di Ingegneria Elettrica）的联合实验研究团队，作者为 M. Dors, J. Mizeraczyk, J. Konieczka, T. Czech 和 M. Rea。他们围绕“直流电晕放电作用下、带水膜电极条件中NO2的分解行为，以及NO和N2O的生成特征”，系统研究了H2O对NOx转化的影响，为湿式静电除尘器中实现低成本NOx减排提供了重要实验依据和工艺思路。

从行业背景来看，目前多数关于烟气中NOx（NO+NO2）非催化电化学去除的研究，无论是利用电子束技术，还是利用电晕放电、介质阻挡放电等等离子体技术，核心逻辑都指向一点：通过推动含氧自由基、尤其是OH自由基的产生，进而将NOx和SO2氧化为易被吸收或捕集的中间产物。大量研究表明，水蒸气是自由基化学的关键来源之一，在电晕放电、电子束辐照等环境下，H2O可以裂解生成OH、H等高活性粒子，从而驱动NOx与SO2的二次反应过程[1–6]。因此，如何在工程装备中有效“放大”H2O相关的自由基效应，成为湿式电除尘与非平衡等离子体耦合技术的核心问题之一。

本研究的独特之处，在于将电晕放电直接施加到“带水膜的金属平板电极”上，这与工业湿式静电除尘器的集尘极工况高度相似：收集极表面持续由水或浆液润湿，形成薄水膜，不仅用于冲刷粉尘、酸雾和气溶胶，也为等离子体-液体界面反应提供了物理载体。作者通过构建针板式直流电晕放电反应器，在可控实验条件下模拟含NO2、N2、O2、CO2的烟气环境，系统考察了电流强度、水的存在与否，对NO2分解、NO和N2O生成以及整体NOx浓度变化的综合影响，所得规律对湿式ESP在实际燃煤、垃圾焚烧和钢铁烧结烟气中的应用具有重要参考价值。

在实验装置方面，研究团队采用了典型的针–板式直流电晕反应器结构：由35根正极针电极组成放电极，另一侧为不锈钢平板电极，其表面覆盖一层连续水膜，模拟湿式静电除尘器的水膜收集极。气体混合物由N2、O2、CO2和一定浓度的NO2组成，用以模拟低温烟道气中NOx已大量被氧化为NO2的典型工况。文献指出，当排烟在较低温段（约60℃）经过长距离烟道输送时，NO会在过量氧气存在下向NO2转化，此时NOx组分中NO2可占到约99%。正是基于这一工况特点，该研究聚焦NO2为主的NOx转化规律，更贴近湿式ESP通常布置在尾部烟道、低温区的工程应用场景。

电晕放电采用直流正极性模式，放电电流从0 mA逐步调节至7 mA，覆盖了从无放电到稳定电晕放电的典型工程电流范围。通过这一电流区间的扫描，作者能够分析电晕强度不同条件下的NO2分解效率、NO与N2O的生成量变化，从而确定一个对NOx总量最为有利的工况点。关键对比变量是：电极平板是否为干燥金属，或者被连续水膜覆盖。通过比较这两种工况，研究直接评估了H2O参与放电过程后，对NO2分解和NO生成路径的影响。

在检测方法方面，气体混合物进入针板反应器前，首先配比控制N2、O2、CO2与NO2的体积分数，出入口气体均通过气相分析仪在线监测NO2、NO、N2O以及总NOx浓度，必要时辅以湿度、温度等参数测量，以构建完整的物质转化图谱。实验过程中，通过改变放电电流与是否存在水膜两个因素，逐点记录各污染物浓度变化，进而从宏观上反演放电等离子体与水膜界面化学对NOx的综合作用机制。

实验结果清晰表明：在相同电晕放电条件下，引入水（即在收集极形成水膜）显著提高了NO2的分解程度，同时抑制了NO的生成量。换句话说，有水参与的情况下，NO2不仅被更充分地分解，而且原本可能通过部分转化生成的NO也减少，整体上使得气体中的NOx（NO+NO2）浓度下降更加明显。与干燥金属电极放电对比，水膜电极条件下的NO2转化表现出更高的效率和更有利的产物分布，这与OH自由基在体系中的增加高度吻合。

从机理角度看，水膜参与电晕放电，一方面气相中的H2O在高能电子和电场作用下发生解离，生成OH、H等自由基；另一方面，放电区附近的水膜界面也可能作为反应和溶解吸收的“二次反应场”，使得部分NO2和中间产物溶解于水中或在液相/气液界面进一步发生氧化、还原或水合反应。这些过程叠加后，等效表现为：NO2的分解率提高，而向NO方向的还原通道被抑制，从而削弱了“NO反弹”现象，提高了净NOx去除率。值得注意的是，实验同时监测到N2O的生成，但总体上在有水参与的体系中，并未观察到N2O显著累积的风险，表明在当前工况下，N2O仍属于次要副产物。

电流对NOx去除效果的影响表现为“存在最优值”而非“越大越好”。研究发现，在放电电流约为4 mA时，体系对NO2和NOx的去除效果达到最佳：此时NO2分解最为充分，NO生成被有效控制，综合NOx浓度降幅最大。电流过低，自由基产量受限，NO2转化不足；电流过高，则可能由于能量利用效率下降、副反应增加或局部气体过热等因素，导致NOx转化路径向NO和其他中间产物转移，反而不利于总NOx削减。这一“4 mA最优点”的发现，对工程应用中电场分区设计、电流控制策略具有直接借鉴意义：对于湿式静电除尘器的电晕系统，应围绕“最佳NOx减排电流密度”进行参数优化，而非一味追求高电流运行。

将这些结果放在工业湿式静电除尘器和非平衡等离子体烟气治理的发展路径上来看，有几点对行业具有现实指导意义。其一，水膜不仅是湿式ESP的“冲洗介质”，更是参与放电化学反应的“活性界面”，在合适的电场强度和电流控制下，可以显著放大OH自由基等反应物种的产生，从而为NOx和SO2的协同脱除创造条件。其二，装置布置位置应尽量处于NO已高度氧化为NO2的烟道段（通常为较低温尾部烟道），将该类“NO2主导工况”视作电晕–液膜协同脱硝的优势窗口。其三，在工程改造与新建项目中，如果期望通过湿式ESP实现多污染物协同治理，应在电源设计、极配结构、烟气湿度控制等方面围绕“提高OH自由基生成”“增强气液界面反应”展开系统优化，而不仅仅停留在传统的除尘指标上。

综上，波兰科学院与帕多瓦大学的这一实验研究以直流电晕放电为核心，通过对比干燥电极与水膜电极工况，揭示了H2O在电晕放电中促进NO2分解、抑制NO生成、降低总NOx浓度的关键作用，并发现约4 mA为当前实验条件下NO2和NOx去除效果最优的放电电流区间。对工业界而言，这项研究为“湿式静电除尘器+电晕放电”的一体化低温脱硝技术提供了基础数据和设计思路，也为后续将湿式ESP从“末端除尘设备”升级为“多污染物协同治理平台”提供了有力的技术支撑。

Keywords: NOx removal, DC corona discharge, wet electrostatic precipitator, water film, OH radicals, flue gas treatment, multi-pollutant control

参考文献
[1] Dors M, Mizeraczyk J, Konieczka J, Czech T, Rea M. Removal of NOx in a DC corona discharge used in wet precipitators. Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences; Università degli Studi di Padova, Dipartimento di Ingegneria Elettrica.
[2] Mizeraczyk J, et al. Removal of SO2 and NOx from exhaust gases by plasma-chemical processes. Journal of Advanced Oxidation Technologies.
[3] Penetrante BM, Hsiao MC, Bardsley JN, et al. Electron beam and electrical discharge processing for the removal of SO2 and NOx from flue gas. Radiation Physics and Chemistry.
[4] Chang JS. Non-thermal plasma for multi-pollutant control in flue gas treatment. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.
[5] Kim HH. Nonthermal plasma processing for air-pollution control: A historical review, current issues, and future prospects. Plasma Processes and Polymers.
[6] Malik MA, Schoenbach KH, Dobbeling K, editors. Electrical Discharges for Environmental Purposes: Fundamentals and Applications. Nova Science Publishers.

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