电凝并捕集柴油机颗粒物的发展现状及趋势分析

卢振生 刘洪源 王 磊 苏晓婷 孟繁龙 王迎辉

（绥化学院电气工程学院 黑龙江绥化 152061）

柴油机尾气所产生的颗粒物（PM，Particulate Matter）主要分为PM2.5（当量直径小于2.5μm）和PM10（当量直径小于10μm），二者均会对大气造成污染且损害人类的身体健康[1]。当微纳米级PM进入人体后，通过呼吸系统对肺部气体交换产生严重的负面影响，导致咳嗽、呼吸困难以及肺癌的发生，甚至引发心脏病等疾病[2]；而且从相关研究中可知，PM中存在着大量的苯基基团，其中多环芳烃是人们癌症发生率的直接影响因素，PM 的高比表面积特性会使其表面更容易吸附重金属等有害物质[3,4]。基于电晕放电的电凝并技术捕集柴油机PM具有处理量大、容易满足实际工作条件、使用简单、适应范围广等优点[5]，在柴油机后处理技术中得到广泛关注。

一、电凝并捕集PM工作原理

目前，关于PM凝并技术的研究热点主要有：电凝并技术、光凝并技术、热凝并技术、磁凝并技术、声凝并技术、化学凝并技术和湍流边界层凝并技术，其中，电凝并技术是最为有效且被广泛应用的PM凝并手段[5]。电凝并是指使PM颗粒物在多种态势的高压电场中增积荷电，进而引发PM颗粒物间的凝并效应[6]。目前，电凝并技术中主要凝并方法效果最好的是直流电场与交变电场中异极性荷电颗粒凝并、同极性荷电颗粒凝并这三种凝并方式[7]。

电凝并技术捕集PM的过程为：当PM颗粒物进入荷电区，荷电区在高压电场的条件下释放大量的自由电子（浓度数量级约为1015～1018），PM与自由电子发生弹性和非弹性碰撞，将PM进行大量荷电，使其PM之间产生引力，在此过程中PM的粒径将会不断生长；随后带电PM进入凝并区，凝并区一般为直流电场，存在较大的库仑力作用，在此过程中，带正电和负电的PM进一步相互碰撞、相互吸引凝并成较大的颗粒物，称之为灰珠串，其具体工作原理如图1所示[8]。

图1 电凝并工作原理示意图

以上分析可以得出，PM 所带电荷量对颗粒物的捕集具有关键性作用，因此，电凝并技术可通过采用预荷电的方法，使得PM 荷电能力增强，从而实现凝并效率的提高，目前，电凝并技术捕集PM仍然没有在效率方面达到国家标准，对于电凝并的技术在PM净化领域的探索与研究一直在不断地进行中。

二、电凝并技术捕集柴油机PM的发展现状

（一）单极荷电凝并。单极荷电凝并是由传统除尘器发展和演变而来，该技术利用单一电极（正或负）对粉尘粒子进行荷电，此种荷电方式一般会使粒子带一种极性的电荷。单极荷电凝并技术装置操作简单，PM 粒子首先在预荷电区得到同极性电荷，随之被带入高频交变电场（10kHz及以上），在高频交变电场力的作用下，PM 颗粒间相互频繁碰撞，粘结为较大颗粒物，被收尘区捕集，如图2 所示[9]。此过程是由于在高强度电场作用下，使PM的布朗运动效果加强，而且由于交变电场力的存在会使荷电的PM产生高频率的往复振动，从而产生凝并效应[10]。

图2 单极荷电凝并示意图

早在2009 年，刘栋团队就对传统电除尘器进行了优化研究，旨在提高PM 的捕集效率和改善其体积尺寸，通过在电除尘器的烟道中装有预荷电设备，以更好地实现预荷电。研究结果表明该方案可以有效提高PM 的凝并效果，同时降低了传统除尘器的体积[11]。2011 年，河北大学的李庆团队通过对两种不同电极条件下PM 的捕集效率及粒径分布进行了系统的理论分析。该团队所研究的雾化水电极对PM 的捕集效率为传统干电极的2 倍，且对于0.4μm 的微粒物具有较高的捕集效率，该团队发现，强电晕放电会使雾化液滴的粒径主要集中于35-70μm 的区间范围内，此情形使固-液两相物质间的凝并效果得到了改善[12]。2016杜小朋团队将荷电凝并技术运用于柴油机尾气PM 的预处理领域，在高压电晕放电条件下，研究了该团队所设计的电凝并装置对PM 的荷电性能，对该装置进行了PM 荷电凝并的发动机台架试验，当柴油机转速为2700r/min 时，负荷分别为100%、75%、50%、25%时，均出现荷电凝并后的PM 粒径分布呈现上升趋势，粒径在1.8μm 以下PM 质量浓度分别减少了15.9%、17.1%、17.8%、16.8%；而粒径在1.8μm 以上的PM 质量浓度分别增加了49.1%、42.3%、51.3%、44.3%；此研究对于电凝并技术捕集PM 提供了一定的理论指导[13]。在2017 年，北京建筑大学的李敬波团队对PM进行了高频交流电凝并的试验研究，该团队通过增加荷电场强和电压，实现了PM 的电凝并效率增加，当施加电压超过15kV 时，PM 所带电荷量达到饱和和平衡状态，在此状态下，电凝并捕集效率趋于平缓[14]。

（二）双极荷电凝并。双极荷电凝并技术是单极荷电凝并技术的开拓和创新，在双极荷电凝装置中设置正负两种极性电极，使带有正负电荷的颗粒物在电场中凝并、捕集[15]。双极荷电凝并装置一般由双电极，双极荷电区域和凝并区域三部分组成。双极荷电凝并的工作机理如图3所示[16]。将高压电加载于双电极上，使电极附近产生正负粒子，PM在荷电区域与正负粒子碰撞，一部分PM带上正电荷，一部分PM带上负电荷，使PM载有荷电。由于PM所载的电荷性质不同，在库仑力的作用下会彼此吸引，引发碰撞，最终凝并成较大粒径的颗粒[17]。

图3 双极荷电凝并的工作原理示意图

2011年华北电力大学的胡志光团队提出通过双极荷电与静电凝并装置相结合的方法脱除PM，并建立了两者耦合的设计模型，研究结果表明，双极荷电和静电凝并装置耦合的方式可以更高效率地脱除PM，这对控制PM 的排放具有重大意义[18]。2013 年何剑团队设计了一体式双极荷电凝并装置(Integrative Bipolar Charged Agglomerator，IBCA)旨在高效去除PM，在此基础上，该团队进一步提出了三区式凝并型电除尘器构想，为电凝并的优化技术提供了新的理论指导[19,20]。2015年武汉科技大学的向晓东团队提出了一种横向双极电除尘器，该团队研究结果表明，与传统静电除尘器相比，横向双极静电除尘器的除尘效率优势更加显著[21]。2019 年江苏大学的万垚锋团队搭建了双极荷电凝并试验台，以研究双极荷电凝并的DPF捕集PM的效率。研究结果表明：双极荷电凝并技术是捕集PM的有效方式，应用与DPF上可以有效降低核模态PM的数量浓度与质量浓度，提高了DPF整体的捕集性能[16]。

（三）湿法电凝并。湿式静电除尘器（WESP）是基于湿法电凝并的有效技术体现，是当前应用较为广泛且达到国家标准的处理方法。但目前的WESP存在着水资源消耗较大、布水不均匀、腐蚀严重、易产生电晕抑制等问题[22,23]。由于湿法电凝并技术具有结构简单、能量利用率高与可以脱除有害可溶性气体等优点，已在新的PM 捕集技术领域被广泛研究[24]。湿法电凝并技术基于荷电水雾除尘原理，改善了传统静电除尘与湿式除尘中的不足[25]。

湿法电凝并是带电PM在静电作用、惯性碰撞、拦截与扩散机制的共同作用下被荷电液滴所捕集的过程，图4为荷电液滴脱除PM 的机理示意图[24]。在捕集过程中，荷电液滴替代了除尘器中的集尘板，固定了PM在气相介质中的运动轨迹，进而提高了静电力的作用，因此，湿法电凝并能够更加有效的提高PM的脱除效率。

图4 荷电液滴除尘机理

国内在这湿法凝并技术研究方面起源于20 世纪80 年代，由谭天佑团队在国外研究的基础上进行了进一步分析与设计，总结出较为高效的湿法凝并技术捕集PM[26,27]。2013年亢燕铭团队在湍流状态下，开展了液滴脱除PM的相关理论研究，在湿式除尘中的基础之上，进行了数值模拟计算，虽然该研究忽略了液滴脱除PM的过程中静电力的作用，但对湿法电凝并脱除PM技术的理论研究提供了一定的思路[28]。2015年王军锋团队研究了荷电液滴脱除PM的过程，并主要对粒子的运动轨迹进行分析，这是通过采用高频摄像技术与显微图像放大处理技术相结合的方式进行的。结果表明：PM 的粒径较大影响它的运动轨迹，使得PM的捕集效率降低[29]。2018年，代显超团队通过数值模拟的方法对荷电液滴捕集PM的过程进行了分析，发现更高的荷电电压对除尘效率作用明显，而且增大电晕荷电电压可以提高荷电液滴的除尘效率[24]。湿法凝并在柴油车尾气中的应用研究可在目前工业除尘技术的基础上进一步优化和改进[30]。

三、电凝并捕集柴油机PM的趋势分析

电凝并是一种能够有效提高PM捕集效率的技术，但是传统的基于电凝并技术的静电除尘器对柴油机所排放PM的捕集效率不理想，为了提高电凝并技术对PM的捕集效率，双极荷电凝并技术可使不同极性PM出现异性相吸的物理现象，因此双极荷电凝并成为净化柴油机尾气的一种可行趋势。目前对湿法电凝并在柴油机尾气净化领域仍处于探索阶段，在未来的研究方向主要倾向于荷电液滴捕集PM过程中捕集机理的优化以及荷电液滴在排气管中的物理状态变化。总之，对于电凝并技术在柴油机尾气处理的商业化应用，还需要对其结构设计和机理研究进一步完善。