電凝并捕集柴油機(jī)顆粒物的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析

盧振生 劉洪源 王 磊 蘇曉婷 孟繁龍 王迎輝

（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

柴油機(jī)尾氣所產(chǎn)生的顆粒物（PM，Particulate Matter）主要分為PM2.5（當(dāng)量直徑小于2.5μm）和PM10（當(dāng)量直徑小于10μm），二者均會對大氣造成污染且損害人類的身體健康[1]。當(dāng)微納米級PM進(jìn)入人體后，通過呼吸系統(tǒng)對肺部氣體交換產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，導(dǎo)致咳嗽、呼吸困難以及肺癌的發(fā)生，甚至引發(fā)心臟病等疾病[2]；而且從相關(guān)研究中可知，PM中存在著大量的苯基基團(tuán)，其中多環(huán)芳烴是人們癌癥發(fā)生率的直接影響因素，PM 的高比表面積特性會使其表面更容易吸附重金屬等有害物質(zhì)[3,4]?；陔姇灧烹姷碾娔⒓夹g(shù)捕集柴油機(jī)PM具有處理量大、容易滿足實際工作條件、使用簡單、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點[5]，在柴油機(jī)后處理技術(shù)中得到廣泛關(guān)注。

一、電凝并捕集PM工作原理

目前，關(guān)于PM凝并技術(shù)的研究熱點主要有：電凝并技術(shù)、光凝并技術(shù)、熱凝并技術(shù)、磁凝并技術(shù)、聲凝并技術(shù)、化學(xué)凝并技術(shù)和湍流邊界層凝并技術(shù)，其中，電凝并技術(shù)是最為有效且被廣泛應(yīng)用的PM凝并手段[5]。電凝并是指使PM顆粒物在多種態(tài)勢的高壓電場中增積荷電，進(jìn)而引發(fā)PM顆粒物間的凝并效應(yīng)[6]。目前，電凝并技術(shù)中主要凝并方法效果最好的是直流電場與交變電場中異極性荷電顆粒凝并、同極性荷電顆粒凝并這三種凝并方式[7]。

電凝并技術(shù)捕集PM的過程為：當(dāng)PM顆粒物進(jìn)入荷電區(qū)，荷電區(qū)在高壓電場的條件下釋放大量的自由電子（濃度數(shù)量級約為1015～1018），PM與自由電子發(fā)生彈性和非彈性碰撞，將PM進(jìn)行大量荷電，使其PM之間產(chǎn)生引力，在此過程中PM的粒徑將會不斷生長；隨后帶電PM進(jìn)入凝并區(qū)，凝并區(qū)一般為直流電場，存在較大的庫侖力作用，在此過程中，帶正電和負(fù)電的PM進(jìn)一步相互碰撞、相互吸引凝并成較大的顆粒物，稱之為灰珠串，其具體工作原理如圖1所示[8]。

圖1 電凝并工作原理示意圖

以上分析可以得出，PM 所帶電荷量對顆粒物的捕集具有關(guān)鍵性作用，因此，電凝并技術(shù)可通過采用預(yù)荷電的方法，使得PM 荷電能力增強(qiáng)，從而實現(xiàn)凝并效率的提高，目前，電凝并技術(shù)捕集PM仍然沒有在效率方面達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，對于電凝并的技術(shù)在PM凈化領(lǐng)域的探索與研究一直在不斷地進(jìn)行中。

二、電凝并技術(shù)捕集柴油機(jī)PM的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）單極荷電凝并。單極荷電凝并是由傳統(tǒng)除塵器發(fā)展和演變而來，該技術(shù)利用單一電極（正或負(fù)）對粉塵粒子進(jìn)行荷電，此種荷電方式一般會使粒子帶一種極性的電荷。單極荷電凝并技術(shù)裝置操作簡單，PM 粒子首先在預(yù)荷電區(qū)得到同極性電荷，隨之被帶入高頻交變電場（10kHz及以上），在高頻交變電場力的作用下，PM 顆粒間相互頻繁碰撞，粘結(jié)為較大顆粒物，被收塵區(qū)捕集，如圖2 所示[9]。此過程是由于在高強(qiáng)度電場作用下，使PM的布朗運動效果加強(qiáng)，而且由于交變電場力的存在會使荷電的PM產(chǎn)生高頻率的往復(fù)振動，從而產(chǎn)生凝并效應(yīng)[10]。

圖2 單極荷電凝并示意圖

早在2009 年，劉棟團(tuán)隊就對傳統(tǒng)電除塵器進(jìn)行了優(yōu)化研究，旨在提高PM 的捕集效率和改善其體積尺寸，通過在電除塵器的煙道中裝有預(yù)荷電設(shè)備，以更好地實現(xiàn)預(yù)荷電。研究結(jié)果表明該方案可以有效提高PM 的凝并效果，同時降低了傳統(tǒng)除塵器的體積[11]。2011 年，河北大學(xué)的李慶團(tuán)隊通過對兩種不同電極條件下PM 的捕集效率及粒徑分布進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析。該團(tuán)隊所研究的霧化水電極對PM 的捕集效率為傳統(tǒng)干電極的2 倍，且對于0.4μm 的微粒物具有較高的捕集效率，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)電暈放電會使霧化液滴的粒徑主要集中于35-70μm 的區(qū)間范圍內(nèi)，此情形使固-液兩相物質(zhì)間的凝并效果得到了改善[12]。2016杜小朋團(tuán)隊將荷電凝并技術(shù)運用于柴油機(jī)尾氣PM 的預(yù)處理領(lǐng)域，在高壓電暈放電條件下，研究了該團(tuán)隊所設(shè)計的電凝并裝置對PM 的荷電性能，對該裝置進(jìn)行了PM 荷電凝并的發(fā)動機(jī)臺架試驗，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2700r/min 時，負(fù)荷分別為100%、75%、50%、25%時，均出現(xiàn)荷電凝并后的PM 粒徑分布呈現(xiàn)上升趨勢，粒徑在1.8μm 以下PM 質(zhì)量濃度分別減少了15.9%、17.1%、17.8%、16.8%；而粒徑在1.8μm 以上的PM 質(zhì)量濃度分別增加了49.1%、42.3%、51.3%、44.3%；此研究對于電凝并技術(shù)捕集PM 提供了一定的理論指導(dǎo)[13]。在2017 年，北京建筑大學(xué)的李敬波團(tuán)隊對PM進(jìn)行了高頻交流電凝并的試驗研究，該團(tuán)隊通過增加荷電場強(qiáng)和電壓，實現(xiàn)了PM 的電凝并效率增加，當(dāng)施加電壓超過15kV 時，PM 所帶電荷量達(dá)到飽和和平衡狀態(tài)，在此狀態(tài)下，電凝并捕集效率趨于平緩[14]。

（二）雙極荷電凝并。雙極荷電凝并技術(shù)是單極荷電凝并技術(shù)的開拓和創(chuàng)新，在雙極荷電凝裝置中設(shè)置正負(fù)兩種極性電極，使帶有正負(fù)電荷的顆粒物在電場中凝并、捕集[15]。雙極荷電凝并裝置一般由雙電極，雙極荷電區(qū)域和凝并區(qū)域三部分組成。雙極荷電凝并的工作機(jī)理如圖3所示[16]。將高壓電加載于雙電極上，使電極附近產(chǎn)生正負(fù)粒子，PM在荷電區(qū)域與正負(fù)粒子碰撞，一部分PM帶上正電荷，一部分PM帶上負(fù)電荷，使PM載有荷電。由于PM所載的電荷性質(zhì)不同，在庫侖力的作用下會彼此吸引，引發(fā)碰撞，最終凝并成較大粒徑的顆粒[17]。

圖3 雙極荷電凝并的工作原理示意圖

2011年華北電力大學(xué)的胡志光團(tuán)隊提出通過雙極荷電與靜電凝并裝置相結(jié)合的方法脫除PM，并建立了兩者耦合的設(shè)計模型，研究結(jié)果表明，雙極荷電和靜電凝并裝置耦合的方式可以更高效率地脫除PM，這對控制PM 的排放具有重大意義[18]。2013 年何劍團(tuán)隊設(shè)計了一體式雙極荷電凝并裝置(Integrative Bipolar Charged Agglomerator，IBCA)旨在高效去除PM，在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊進(jìn)一步提出了三區(qū)式凝并型電除塵器構(gòu)想，為電凝并的優(yōu)化技術(shù)提供了新的理論指導(dǎo)[19,20]。2015年武漢科技大學(xué)的向曉東團(tuán)隊提出了一種橫向雙極電除塵器，該團(tuán)隊研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)靜電除塵器相比，橫向雙極靜電除塵器的除塵效率優(yōu)勢更加顯著[21]。2019 年江蘇大學(xué)的萬垚鋒團(tuán)隊搭建了雙極荷電凝并試驗臺，以研究雙極荷電凝并的DPF捕集PM的效率。研究結(jié)果表明：雙極荷電凝并技術(shù)是捕集PM的有效方式，應(yīng)用與DPF上可以有效降低核模態(tài)PM的數(shù)量濃度與質(zhì)量濃度，提高了DPF整體的捕集性能[16]。

（三）濕法電凝并。濕式靜電除塵器（WESP）是基于濕法電凝并的有效技術(shù)體現(xiàn)，是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛且達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的處理方法。但目前的WESP存在著水資源消耗較大、布水不均勻、腐蝕嚴(yán)重、易產(chǎn)生電暈抑制等問題[22,23]。由于濕法電凝并技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、能量利用率高與可以脫除有害可溶性氣體等優(yōu)點，已在新的PM 捕集技術(shù)領(lǐng)域被廣泛研究[24]。濕法電凝并技術(shù)基于荷電水霧除塵原理，改善了傳統(tǒng)靜電除塵與濕式除塵中的不足[25]。

濕法電凝并是帶電PM在靜電作用、慣性碰撞、攔截與擴(kuò)散機(jī)制的共同作用下被荷電液滴所捕集的過程，圖4為荷電液滴脫除PM 的機(jī)理示意圖[24]。在捕集過程中，荷電液滴替代了除塵器中的集塵板，固定了PM在氣相介質(zhì)中的運動軌跡，進(jìn)而提高了靜電力的作用，因此，濕法電凝并能夠更加有效的提高PM的脫除效率。

圖4 荷電液滴除塵機(jī)理

國內(nèi)在這濕法凝并技術(shù)研究方面起源于20 世紀(jì)80 年代，由譚天佑團(tuán)隊在國外研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步分析與設(shè)計，總結(jié)出較為高效的濕法凝并技術(shù)捕集PM[26,27]。2013年亢燕銘團(tuán)隊在湍流狀態(tài)下，開展了液滴脫除PM的相關(guān)理論研究，在濕式除塵中的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，雖然該研究忽略了液滴脫除PM的過程中靜電力的作用，但對濕法電凝并脫除PM技術(shù)的理論研究提供了一定的思路[28]。2015年王軍鋒團(tuán)隊研究了荷電液滴脫除PM的過程，并主要對粒子的運動軌跡進(jìn)行分析，這是通過采用高頻攝像技術(shù)與顯微圖像放大處理技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行的。結(jié)果表明：PM 的粒徑較大影響它的運動軌跡，使得PM的捕集效率降低[29]。2018年，代顯超團(tuán)隊通過數(shù)值模擬的方法對荷電液滴捕集PM的過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)更高的荷電電壓對除塵效率作用明顯，而且增大電暈荷電電壓可以提高荷電液滴的除塵效率[24]。濕法凝并在柴油車尾氣中的應(yīng)用研究可在目前工業(yè)除塵技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)[30]。

三、電凝并捕集柴油機(jī)PM的趨勢分析

電凝并是一種能夠有效提高PM捕集效率的技術(shù)，但是傳統(tǒng)的基于電凝并技術(shù)的靜電除塵器對柴油機(jī)所排放PM的捕集效率不理想，為了提高電凝并技術(shù)對PM的捕集效率，雙極荷電凝并技術(shù)可使不同極性PM出現(xiàn)異性相吸的物理現(xiàn)象，因此雙極荷電凝并成為凈化柴油機(jī)尾氣的一種可行趨勢。目前對濕法電凝并在柴油機(jī)尾氣凈化領(lǐng)域仍處于探索階段，在未來的研究方向主要傾向于荷電液滴捕集PM過程中捕集機(jī)理的優(yōu)化以及荷電液滴在排氣管中的物理狀態(tài)變化?？傊?，對于電凝并技術(shù)在柴油機(jī)尾氣處理的商業(yè)化應(yīng)用，還需要對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)理研究進(jìn)一步完善。