随着中国经济的飞速发展，中国对能源的需求量日益增大，以煤炭为主的能源结构^[1]带来了严重的环境问题. 细颗粒物作为煤炭燃烧的主要污染物之一，是PM2.5超标、雾霾形成的重要原因之一，长期以来严重危害人体健康^[2]. 据统计，中国将近一半的煤炭由燃煤电厂所消耗^[3]. 因此，有效控制燃煤电厂的颗粒物排放，对改善大气环境有重要意义.

静电除尘器作为脱除颗粒物的有效手段，被广泛应用在能源、冶金等行业^[4-6]. 静电除尘器利用电晕放电产生的正负离子和电子使粉尘荷电，荷电粉尘受电场力作用向除尘板运动，最终附着在除尘板上，从而达到除尘的效果^[6]. 根据颗粒荷电理论^[7-9]，颗粒荷电主要通过正负离子在电场中的迁移和热运动扩散实现. 由于离子的电迁移和扩散特性与离子种类和数量密不可分，研究静电除尘器在不同烟气成分下放电反应的规律，有助于认识和掌握静电除尘器内部放电机理，对开展提高静电除尘器工作效率方面的研究具有实际意义.

燃煤电厂的烟气成分复杂，主要包括N₂、O₂、CO₂、H₂O、CO和少量的NO_x、SO_x等气体. 随电厂燃料、燃烧特性、运行工况等情况的不同，烟气成分会发生变化，通常N₂体积分数在70%左右，O₂体积分数在6%左右，CO₂体积分数为12%~16%，水蒸气体积分数为6%~8%，其余气体体积分数的数量级为千分之一甚至更低. 目前，研究者大多针对烟气中体积分数较大的几种气体，研究了其体积分数变化对静电除尘器起晕电压、伏安特性、电场强度、电荷密度等参数的影响. Abdel-Salam^[10]通过建立静电除尘器在湿空气中放电的数值模型，研究了相对湿度对电荷密度、起晕电压和颗粒荷电量等参数的影响. Fouad等^[11]研究了湿度对三电极系统正电晕放电的影响. Bian等^[12]研究了湿度对棒-板式电极负电晕起晕电压的影响. Nouri等^[13]对空气中水蒸气对静电除尘器伏安特性的影响进行了实验研究. Wang等^[14]研究了在湿度和温度共同作用下静电除尘器的负电晕放电特性，开展了湿度对电场和空间电荷密度影响的数值模拟研究. Yawootti等^[15]实验研究了在不同电压下相对湿度对正负电晕放电电流的影响. Wu等^[16]通过实验和数值模拟的方法，研究了向脱硫烟气中加入不同体积分数湿空气来增加颗粒物脱除效率的方法. Han等^[17]研究了在CO₂富集情况下静电除尘器的颗粒物收集情况. Suriyawong等^[18]研究了线-筒式静电除尘器内部在O₂-CO₂、O₂-N₂和N₂-CO₂体系下的放电和除尘效率. Mikoviny等^[19]研究了纯CO₂和CO₂-O₂混合物的负电晕放电规律. Hensel等^[20]研究了在N₂-CO₂-NO-O₂体系下不同CO₂体积分数对正电晕放电特性的影响规律. Höft等^[21]研究了在O₂-N₂体系下O₂体积分数对电晕放电伏安特性的影响.

有研究者提到烟气成分发生变化带来的电晕放电反应和正负离子的变化是影响静电除尘放电特性的重要因素之一^[13-14]，但目前对影响静电除尘器放电特性的放电反应及其相关产物的研究较少. 本研究通过实验和模拟研究，得到静电除尘器在不同烟气组分下的伏安特性曲线，应用COMSOL软件中的等离子模块，建立静电除尘器在不同烟气组分下的负电晕放电数值模型，计算得到放电产生的离子数量随气体成分变化的曲线，分析气体成分对伏安特性以及颗粒荷电的影响.

选取N₂、O₂、CO₂、H₂O组成模拟烟气，建立实验系统和模拟模型.

模拟烟气伏安特性实验系统如图1所示，由给气、测量、高压电源和线板式静电除尘器等组成. 给气部分模拟实际烟气中的N₂、O₂、H₂O和CO₂ 4种气体成分. 通过七星D07 型质量流量器（mass flow controller，MFC）和DO8-4F型流量显示器控制各种气体的比例. 测量部分为丰控TH180W1 型温度湿度计. 高压电源部分为大连泰斯曼科技TRC2020 型高压负直流电源. 线板式静电除尘器线板间距为2 cm.

实验通过调整恒温水浴温度，使加湿氮气达到饱和湿度，通过改变干湿两路氮气的体积流量比，达到调整模拟烟气相对湿度的目的. 使用负直流电源上的电流计可以得到电流示数.

建立模拟烟气成分的负电晕放电反应模型如图2所示. 模型长100 mm，高40 mm，放电极位于上、下极板中间，放电极半径为0.5 mm，上、下极板接地.

计算模型背景气体为N₂、O₂、CO₂和H₂O. 其中等离子化学反应模型^[22-25]包括N₂、O₂、CO₂、H₂O、O、O₃、H、H₂、C、CO共10种中性粒子，N₂⁺、O₂⁺、H₂O⁺、CO₂⁺ 4种正离子粒子，e、O₂⁻、O⁻、CO₃⁻、CO₄⁻、O₂⁻（H₂O）、CO₃⁻（H₂O）、CO₄⁻（H₂O）共8种负离子和电子，放电反应主要包括13个电子碰撞反应、40个重粒子反应和15个壁面反应.

实验和模型计算背景温度设置为300 K，压力为1.013×10⁵ Pa. 探究O₂和CO₂影响规律时，O₂和CO₂体积分数之和为20%，分别取值为5%、10%和15%，水蒸气体积分数为1.8%，即相对湿度（relative humidity，RH）为50%；探究相对湿度影响规律时，O₂和CO₂体积分数均为10%，H₂O体积分数为0.88%（RH=25%）、1.8%（RH=50%）、2.6%（RH=75%），剩余气体成分是N₂.

如图3所示为实验和模拟得到的不同CO₂-O₂体积分数下的伏安特性曲线. 可以看出，随着CO₂体积分数增大和O₂体积分数的减小，起晕电压升高，伏安特性曲线的增长率提高，说明CO₂体积分数增大，电晕放电的效果增强. 当电压小于9 kV时，电流随CO₂体积分数增大而减小；当电压大于9 kV时，电流随CO₂体积分数增大而增大. O₂和CO₂分子电离反应所需的电离能分别是12.0 eV和13.7 eV，O₂分子比CO₂分子更容易电离，因此CO₂体积分数增大后，静电除尘器的起晕电压升高.

如图4所示为在不同体积分数下CO₂-O₂净电离系数-约化场强曲线. 净电离系数定义为Γ=α−η，其中α为汤生电离系数，η为气体对电子的吸附系数. 约化场强定义为E_y=E/N，其中E为电场强度，N为气体粒子数密度. 由于CO₂具有更高的汤生电离系数α和净电离系数τ，当电压足够高时，CO₂能电离出更多电子，促进电晕放电. 因此，当电压增大时，CO₂体积分数增大会使电流具有更快的上升趋势，放电电流更大.

如图5所示为实验和模拟得到的在不同相对湿度下的伏安特性曲线. 可以看出，当相对湿度增大时，起晕电压降低. 当电压较低时，电流随着相对湿度增大而增大，当电压增大时，电流随相对湿度的增大而减小. 这是因为H₂O和N₂的电离能分别为13.0 eV和15.6 eV，H₂O分子发生电离所需的电离能更小所以更容易电离.

如图6所示为在不同相对湿度下的净电离系数-约化场强曲线. 可以看出，相对湿度增大，使混合气体的汤生电离系数、净电离系数增大，更有利于气体分子电离出电子，促进电晕反应进行，起晕电压降低，低电压也使电流随相对湿度增大而增大. 当电压继续增大时，起晕电压对放电特性的影响减小，离子迁移率成为影响电流大小的主要因素. 因此随电压升高，相对湿度增大，电流减小.

在O₂体积分数为10%、RH为50%条件下计算得到的电势分布如图7所示，空间电荷密度分布如图8所示. 在放电达到稳态后，在电极棒附近呈现正电荷，正电荷密度最大值可以达到5.52×10⁻⁴ C/m³，随着到放电极距离的增大，正电荷逐渐减少. 随着距离继续增大，空间电荷变为负电荷，此后电荷密度呈现先增大后减小的趋势，最大值为−2.06×10⁻⁴ C/m³.

分析静电除尘器负电晕电荷分布特征：放电极附近由于电场强度较高，具有较高能量的电子与中性分子碰撞，发生电离反应生成大量正离子和自由电子，正离子在电场力的作用下集中在放电极处，形成了放电极附近呈现正电荷的现象；电子在电场力的作用下向远离放电极的方向迁移；电子在迁移的过程中与中性分子发生碰撞，有一定概率与分子结合形成负离子，负离子在电场力的作用下继续向高电势方向运动，因此远离放电极的空间呈现负电荷分布.

用n（i）表示物质i的数密度，X、Y分别表示静电除尘器模型的水平、垂直坐标. 如图9所示为在不同O₂/CO₂体积分数下静电除尘器模型Y轴方向的电子密度变化趋势，由放电极到收尘极为Y轴正方向. 可以看出，由于CO₂分子比O₂分子的净电离系数高，随着CO₂体积分数增大和O₂体积分数的减小，电子密度呈现显著的上升趋势，峰值分别是4.98×10¹²、6.82×10¹²、1.45×10¹³ m⁻³. 电子密度增大，一方面使电子电流增大，另一方面促进了负离子的生成，增大了离子电流. 这两方面导致随CO₂体积分数增大，电流迅速增大.

CO₂分子具有吸附性，与O⁻和O₂⁻离子反应，形成CO₃⁻和CO₄⁻离子，并进一步与水反应并生成质量和碰撞横截面积更大的水合离子CO₃⁻（H₂O）和CO₄⁻（H₂O），反应如下：

(1) ${O^ - } + {\rm C}{{\rm O}_2} + {M} \longrightarrow {{\rm {CO}}_3}^- + {{\rm{M}}}$

(2) $ {{\rm O}_2}^ - + {\rm C}{{\rm O}_2} + {M} \longrightarrow {{\rm {CO}}_4}^ - + {{\rm{M}}} $

(3) ${{\rm {CO}}_3}^ - + {{\rm H}_2}{\rm O} + {M} \longrightarrow {{\rm {CO}}_3}^ - \left( {{{\rm H}_2}{\rm O}} \right) + {{\rm{M}}}$

(4) ${{\rm {CO}}_4}^ - + {{\rm H}_2}{\rm O} + {M} \longrightarrow {{\rm {CO}}_4}^ - \left( {{{\rm H}_2}{\rm O}} \right) + {{\rm{M}}}$

式中：M为气体环境中的中性分子，包括N₂、O₂、H₂O和CO₂等.

如图10所示为在不同O₂/CO₂体积分数下静电除尘器模型Y轴方向的CO₃⁻和CO₄⁻离子的数密度. 可以看出，随着CO₂体积分数增大，CO₃⁻和CO₄⁻离子的数密度均有提高. CO₃⁻离子的数密度的峰值分别是2.43×10¹⁴、2.61×10¹⁴和3.63×10¹⁴ m⁻³；CO₄⁻离子的数密度的峰值分别是6.00×10¹³、1.12×10¹⁴和1.40×10¹⁴ m⁻³. 可见，当CO₂体积分数增大时，由于反应物体积分数增大，对式（1）和式（2）的反应有明显的促进作用.

由于空气中存在水蒸气，CO₃⁻和CO₄⁻离子会通过式（3）和式（4）与水分子结合形成质量较大的水合离子团CO₃⁻（H₂O）和CO₄⁻（H₂O），数密度如图11所示. CO₂体积分数增大，促进式（3）和式（4）的反应，CO₃⁻（H₂O）离子的数密度的峰值分别是8.93×10¹³、9.57×10¹³和1.33×10¹⁴ m⁻³；CO₄⁻（H₂O）离子的数密度峰值分别是1.10×10¹³、2.06×10¹³、2.58×10¹³ m⁻³.

从CO₂/O₂体积分数变化对离子产物的影响分析可以看到，当CO₂体积分数增大时，放电产生的负离子的平均质量呈现增大的趋势，根据Mason-Schamp的离子迁移率理论^[26]

(5) $\mu {\rm{ = }}\frac{3}{{16}}\frac{{Z{\rm{e}}}}{{{n_0}}}{\left( {\frac{{2{\text{π}} }}{{{m_{\rm{i}}}m/({m_{\rm{i}}} + m) \cdot kT}}} \right)^{1/2}}\frac{{\left( {1 + {\alpha _0}} \right)}}{{{\Omega _0}}}.$

式中：μ为离子迁移率，Ze为离子带电量，e为一个电子的电量，n₀为气体分子的数密度，m_i表示离子的质量，m表示分子质量，k是玻尔兹曼常数，T表示气体的热力学温度，α₀是修正系数，Ω₀是平均碰撞截面积. 离子迁移率受到分子数密度、离子和中性分子质量、温度和离子的平均碰撞截面积的影响. 当CO₂体积分数增大、O₂体积分数降低时，一方面静电除尘器中中性分子的平均质量增大；另一方面，离子平均质量和碰撞横截面积增大，使离子迁移率降低.

分析可知，虽然当CO₂体积分数增大、O₂体积分数减小时，CO₂分子与其他离子结合形成的离子团数量明显增加，使离子平均质量和平均碰撞横截面积增大，降低了离子迁移率. 但是，当电压足够高时，CO₂电离能力更强，能电离出更多电子，促进负离子的生成，这是影响放电电流的主要因素.

在电晕放电过程中，H₂O分子表现出极强的吸附性，可以与O₂⁺、H⁺、O₂⁻、CO₃⁻等离子结合，形成O₂⁺（H₂O）_n、H⁺（H₂O）_n、O₂⁻（H₂O）_n、CO₃⁻（H₂O）_n等水合离子. 研究表明，对于正电晕放电来说，空间中主要的正离子是H⁺（H₂O）_n^[27]；对于负电晕放电来说，空间中主要的负离子是O₂⁻（H₂O）_n和CO₃⁻（H₂O）_n^[28]. 根据离子迁移率理论，这些水合离子团由于离子质量和碰撞横截面积较大，会降低离子迁移率使电流减小.

如图12所示为O₂⁻（H₂O）、CO₃⁻（H₂O）和CO₄⁻（H₂O）3种水合离子团的数密度分布情况. 随着相对湿度增大，O₂⁻（H₂O）离子的峰值分别是3.29×10¹⁴、5.06×10¹⁴、6.18×10¹⁴ m⁻³；CO₃⁻（H₂O）离子的峰值分别是5.42×10¹³、9.57×10¹³、1.28×10¹⁴ m⁻³；CO₄⁻（H₂O）离子的峰值分别是1.34×10¹³、2.06×10¹³、2.52×10¹³ m⁻³. 可见，当相对湿度增大时，空间中一水合离子的数密度会明显上升并通过反应形成多水合离子. 以A⁺和A⁻表示A分子的正离子和负离子，反应式如下：

(6) ${{\rm{A}}^ + }{\rm{{({H_2}O)_n}}} + {\rm{{H_2}O}} + {{\rm{M}}} \longleftrightarrow {{\rm{A}}^ + }{\rm{{({H_2}O)_{n + 1}}}} + {{\rm{M}}}$

(7) ${{\rm{A}}^ - }{\rm{{({H_2}O)_n}}} + {\rm{{H_2}O}} + {{\rm{M}}} \longleftrightarrow {{\rm{A}}^ - }{\rm{{({H_2}O)_{n + 1}}}} + {{\rm{M}}}$

由于水合离子团的平均质量和碰撞横截面积较大，使离子迁移率降低，H₂O分子会降低起晕电压，有利于形成电晕放电，但是在高电压时，不同湿度的气体都已经形成稳定的电晕放电，起晕电压的影响逐渐减小，离子迁移率的降低成为影响电流的主要因素. 因此高电压时，放电电流随相对湿度增大而降低.

颗粒荷电主要有场致荷电和扩散荷电2种机理^[7-9].

(8) ${\left(\frac{{{\rm d}{Q_{\rm{p}}}}}{{{\rm d}t}}\right)_{\rm f}} = \frac{{\rho {\mu _i}{Q_{\rm s}}}}{{4{\varepsilon _0}}}{\left( {1 - \frac{{{Q_{\rm p}}}}{{{Q_{\rm s}}}}} \right)^2}.$

(9) ${\left( {\frac{{{\rm{d}}{Q_{\rm p}}}}{{{\rm d}t}}} \right)_{\rm d}} = \frac{{\text{π} \rho d_{\rm p}^2{v_i}}}{2}\exp \left( - \frac{{{Q_{\rm{p}}}e}}{{2\text{π} {\varepsilon _0}{d_{\rm{p}}}kT}}\right).$

(10) ${Q_{\rm{s}}} = \text{π} {\varepsilon _0}\left(1 + 2\frac{{{\varepsilon _{\rm{p}}} - 1}}{{{\varepsilon _{\rm{p}}} + 1}}\right)Ed_{\rm{p}}^2.$

式中：Q_p为颗粒荷电量，ρ为空间电荷密度，μ_i为离子迁移率，ε₀为真空介电常数，d_p为颗粒直径，ν_i为离子热运动速率，Q_s为场致荷电的饱和荷电量，ε_p为颗粒的介电常数.

从式（2）~（4）中可以看出，离子迁移率、电场强度和空间电荷密度是影响细颗粒物荷电的主要电学参数. 对于特定结构和尺寸的静电除尘器来说，当电压固定，气体成分发生变化时，电场强度变化相对较小，难以影响颗粒的荷电过程. 因此，气体成分变化时，离子迁移率和空间电荷密度是影响颗粒荷电大小的主要参数.

如图13所示为不同气体成分对空间电荷密度ρ的影响. 可以看出，当CO₂体积分数增大，O₂体积分数减小时，空间电荷密度呈现明显的增大趋势. 原因有2个：1）CO₂体积分数增大后，自由电子数量增加，促进了负离子的生成；2）CO₂体积分数增大后，空间中离子平均质量增大，离子迁移率降低，负离子向极板迁移速率降低而在空间中聚集，使空间电荷密度增大. 相对湿度增大时，空间电荷密度也呈现增大趋势. 主要原因是水合离子增多，离子迁移率大幅降低，大量负离子会聚集在空间中，使空间电荷密度增大.

现有文献指出，直径小于0.2微米的颗粒物荷电以扩散荷电为主，大于0.2微米的颗粒物荷电以场致荷电为主^[29]. 以扩散荷电为主的颗粒，空间电荷密度增大，会提高空间中的电子和离子由于热运动而与颗粒碰撞的概率，有利于增强其扩散荷电量，提高脱除效率. 以场致荷电为主的颗粒，当CO₂体积分数和相对湿度增大时，除尘器中空间电荷密度增大，离子迁移率降低，由于饱和荷电颗粒的电量与离子迁移率、电荷密度无关，当2种气体体积分数变化时，主要影响大颗粒的荷电速率，如果荷电时间充足，其荷电量变化相对较小.

（1）负电晕放电的电荷密度分布特征：在放电极附近富集正离子，宏观上呈现正电荷的特征；随着距离增大，负离子远多于正离子，表现出负电荷.

（2）低电压下，电流随着CO₂体积分数增大、O₂体积分数减小而降低；高电压下，电流随着CO₂体积分数增大、O₂体积分数减小而增大. 原因是CO₂电离能较高，起晕电压较高，但是CO₂有更高的净电离系数，电压足够大时，能电离出更多电子，促进电晕反应，增大放电电流.

（3）水分子有更低的电离能和更大的汤生净电离系数，因此水分子增多将促使起晕电压降低. 相对湿度增大时，低电压下H₂O有利于电晕的形成，使电流增大；高电压下H₂O与其他负离子结合形成大量水合离子，离子迁移率大大降低，使电流减小.

（4）CO₂体积分数和相对湿度增大，会使空间电荷密度增大，有利于提高以扩散荷电为主的小颗粒的荷电量；对以场致荷电为主的大颗粒，荷电量变化相对较小. 因此烟气中适量的CO₂体积分数和相对湿度有助于提高静电除尘器中细微颗粒物的脱除效率.