汽車尾氣PM 2.5靜電去除方法的仿真研究

于 壯，楊 芮，劉煥英，許立偉

（吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025）

1 引言

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。在2012年2月發(fā)布的973項(xiàng)目中，PM2.5的治理成為能源科學(xué)領(lǐng)域中的重點(diǎn)支持方向。在十一屆全國(guó)人大五次會(huì)議中溫家寶總理也也在政府工作報(bào)告中提到了PM2.5治理。由于PM2.5的粒徑較小，常規(guī)的除塵技術(shù)對(duì)其進(jìn)行去除時(shí)效率低可行性差，對(duì)PM2.5進(jìn)行凝聚成為了必要。理論上顆粒凝聚的方式有多種，如熱凝聚、聲凝聚、電凝聚等等。從凝聚能耗比、凝聚過(guò)程復(fù)雜及難易程度、有無(wú)二次污染等方面綜合考慮，電凝聚是最為可行的凝聚方式，特別是本文所述的雙極荷電凝聚模式。

2 工作過(guò)程簡(jiǎn)述

圖1 工作流程圖

工作過(guò)程如圖所示，尾氣首先進(jìn)入雙極荷電區(qū)，使PM2.5一部分帶正電一部分帶負(fù)電，然后流入作為凝聚器的消音器使微粒凝聚，使粒徑增加后進(jìn)入再荷電區(qū)再荷電，最后凝聚好的PM2.5被外置的帶異種電收塵板收集。

（1）供電裝置。靜電除塵所需電壓較高，電源體積較大，不適合汽車內(nèi)部的使用，這也是靜電除塵在汽車上應(yīng)用的瓶頸。而靜電起電機(jī)可以利用其豐富的機(jī)械能獲得很高的電壓，所以我們采用靜電除塵裝置作為電源。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，一對(duì)約60cm直徑的起電機(jī)以100r/min的速度旋轉(zhuǎn),大約可以產(chǎn)生50000V的電壓，可以滿足在汽車內(nèi)的使用。這種方法簡(jiǎn)單易行，相對(duì)于傳統(tǒng)的供電裝置能耗低、體積小、效率高，適合做汽車車載裝置。

（2）荷電計(jì)算與仿真。實(shí)驗(yàn)測(cè)得汽車尾氣中PM2.5的粒徑在80nm左右，所以此裝置荷電原理是擴(kuò)散荷電，即由于離子和顆粒作不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞而使顆粒荷電的過(guò)程,并對(duì)下列公式進(jìn)行計(jì)算求出帶電量。

①相對(duì)密度δ

②皮克（Peek）公式——起始電暈場(chǎng)強(qiáng)

③起始電暈電壓U0

④離子遷移率k

⑤電流線密度i

⑥電流面密度j

⑦場(chǎng)強(qiáng)E

⑧時(shí)間常數(shù)τ

⑨擴(kuò)散電量qd

⑩海因里奇建議用下式近似計(jì)算

用fluent仿真發(fā)動(dòng)機(jī)5500r/min時(shí)，結(jié)果圖2所示。由圖可知，在主消聲器前直管部分，氣體流速約為20m/s。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，繼續(xù)進(jìn)行下面仿真分析。

圖2 排氣管流體仿真

對(duì)排氣管內(nèi)部流場(chǎng)仿真（圖3）與加入除塵裝置后的流場(chǎng)壓力狀況（圖4）的對(duì)比

圖3 加入除塵裝置之前排氣管壓力圖

圖4 加入除塵裝置之后排氣管壓力圖

由5圖仿真對(duì)比可得，加入除塵裝置后，增加了200Pa左右壓力，對(duì)于排氣管的排氣阻力影響可以忽略不計(jì)。

（3）凝聚部分。通過(guò)仿真軟件的應(yīng)用，對(duì)消音器流場(chǎng)進(jìn)行分析，仿真的結(jié)果如圖5所示。

圖5 汽車消音器流線圖

由圖所示，在消音器的內(nèi)部，流線復(fù)雜，有利于正負(fù)荷電粒子的碰撞凝聚，對(duì)于提高凝聚效率有顯著效果。根據(jù)以上分析結(jié)果，所以我們將汽車消音器作為凝聚器來(lái)使用，從而達(dá)到荷電顆粒凝聚增大的目的。

（4）再荷電部分。經(jīng)過(guò)荷電、凝聚的過(guò)程，粒子半徑增大，達(dá)到預(yù)期效果。同時(shí)，粒子呈電中性，為了便于收集，我們?cè)O(shè)計(jì)了再荷電過(guò)程。根據(jù)前面敘述的荷電原理以及仿真分析，我們可以知道，荷電的可行性以及可達(dá)到的效果比較理想。再荷電的過(guò)程同前述荷電過(guò)程一致，在此，不再贅述。

（5）收塵部分。①粒子軌跡分析。根據(jù)收塵需要，首先我們進(jìn)行粒子的軌跡分析。利用收集、計(jì)算等方式得到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用comsol軟件對(duì)流場(chǎng)和電場(chǎng)進(jìn)行耦合，進(jìn)行不帶電，已凝聚，未凝聚時(shí)粒子軌跡仿真。結(jié)果如圖6、7、8所示。

圖6 不帶電時(shí)粒子軌跡仿真

圖7 已凝聚粒子軌跡仿真

圖8 未凝聚粒子軌跡仿真

②收塵板位置控制。為了提高收塵效率，減少排氣阻力所以我們采用收塵板外置，再利用仿真得到的粒子軌跡，選擇收塵板的大體位置。經(jīng)過(guò)查詢文獻(xiàn)可知，排氣速度是0.5～1.5m/s之間，而收塵板的最小揚(yáng)塵速度為1m/s。據(jù)此，我們選擇對(duì)1m/s～1.5m/s的排氣速度進(jìn)行仿真。通過(guò)不斷改變收塵板的傾斜角度和距排氣管出口的位置，得到了一組關(guān)于收塵板的傾斜角度和距排氣管出口的位置與收塵板上最大流速的數(shù)據(jù)。下面是我們通過(guò)仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的圖像（圖9）。橫軸為距排氣口距離,縱軸為收塵板的最大風(fēng)速。

圖9 排氣口距離與收塵板最大風(fēng)速擬合圖

綜合考慮對(duì)排氣管內(nèi)部的壓力，收塵板的最大速度，材料的經(jīng)濟(jì)性以及最小離地間隙，得出最優(yōu)的收塵板速度和角度，從而得到收塵板的最佳位置。由仿真和擬合圖像可知收塵板與地面垂直，且距離排氣口123mm時(shí)，效果最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于靜電除塵，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。而在汽車尾氣處理方面的運(yùn)用還不完善。通過(guò)引入效率高能耗較低的電凝聚除塵，然后對(duì)其進(jìn)行理論分析和效果仿真，可以充分地相信其可靠性以及安全性。相信本文可以為汽車尾氣PM2.5的去除提供一個(gè)新思路。

[1]向曉東.現(xiàn)代除塵理論與技術(shù)[M].北京：冶金出版社，2002.

[2]郝吉明，段雷.燃燒源可吸入顆粒物的物理化學(xué)特征[M].北京：科技出版社，2008.

[3]陶麗芳.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)性能分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[4]王連澤，賀美陸.雙極荷電粉塵顆粒凝聚的初步研究[J].環(huán)境工程，2002，（20）：31-33.

[5]王少康.消聲器內(nèi)三維流動(dòng)的數(shù)值模擬研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.