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多孔泡沫金属电除尘器净化柴油机排气微粒的方法研究 石锦芸 1 孟金来 2 1. 杭州职业技术学院， 杭州 310018;2. 北京华能达技术应用有限责任公司， 北京 100070 摘要 以柴油机为研究对象， 研究了净化柴油机排气微粒的新技术。介绍了柴油机排气微粒的特性、 净化技术及电除 尘器的基本工作原理以及工作特性。说明了多孔泡沫金属的特性， 并设计了净化柴油机排气微粒的以多孔泡沫金属 为集尘极的电除尘器结构及原理， 分析了该净化装置的优点。 关键词 柴油机; 排气微粒; 电除尘器; 多孔泡沫金属材料 RESEARCH ON PURIFYING TECHNIQUE OF DIESEL EXHAUST PARTICULATE BY ELECTROSTATIC PRECIPITATOR OF POROUS FOAM METAL Shi Jinyun1Meng Jinlai2 1. Hangzhou Vocational ＆ Technical College，Hangzhou 310018，China; 2. Beijing Huanengda Technology Co. ， Ltd， Beijing 100070，China AbstractIn this paper， taking diesel engine as object，new purifying technique of diesel exhaust particulate is researched. The characteristics of diesel exhaust particulate，its purifying technique，as well as basic working principle and working per- ance of elec-trostatic precipitator are introduced. The features of porous foam metal are also explained. The construction of diesel exhaust particulate purifying equipment with porous foam metal as dust collecting electrode of elec-trostatic precipitator is designed，and furthermore，its characteristics are analyzed. Keywordsdiesel engine;diesel exhaust particulate;elec-trostatic precipitator;porous foam metal 0引言 柴油机排放微粒的主要物质是碳， 其粒度一般小 于 0. 3 μm， 可深入人的肺部造成机械性超负荷， 损伤 肺内各种通道的自净机制， 从而使其他化合物容易发 挥致癌作用， 碳粒还吸附有多种有机物质， 具有不同 程度的诱发和致癌作用。在柴油车较多的城市中， 柴 油机排放的微粒可使市内光线受折射， 使天空变暗。 对于轿车和轻型车用的轻型柴油机， 微粒排放量在 0. 1 ～ 1. 0 g/km的数量级， 对于重型车用的重型柴油 机， 微粒排放量在 0. 1 ～ 1. 0 g/ kWh 的数量级。 车用柴油机排放微粒的净化技术是微粒过滤器及其 再生， 已经研究开发的体积过滤滤芯用泡沫陶瓷、 钢 丝棉绳或陶瓷纤维筒等疏松材料制成， 表面过滤滤芯 材料用蜂窝陶瓷， 这些材料各有特点。电除尘是利用 高电压产生的强场强使气体电离， 即产生电晕放电， 进而使粉尘荷电， 并在电场力作用下， 使气体中的悬 浮粒子分离出来的技术。本文研究的是利用电除尘 技术作为柴油机排气微粒净化的又一种新技术， 其特 点是对普通的电除尘结构进行了改进， 将多孔泡沫金 属作为电极的材料， 并且当排气阻力达到一定值时可 以报警以提示驾驶员。 1柴油机排气微粒净化技术 柴油机排气微粒基本上是很多碳质微粒的聚集 体， 称为碳烟粒。经电子显微镜观测表明， 柴油机排 气微粒是一种由很多原生微球聚集而成的聚集体， 这 种聚集体可以包含 103～ 104个微球体。这些微球体 都是燃烧产生的碳粒， 其直径在 10 ～ 100 nm数量级， 但大多数在 15 ～ 40 nm范围内。测得的微粒粒度大 多在 0. 02 ～ 1. 0 μm 范 围 内， 其 体 积 平 均 粒 度 为 0. 1 ～ 0. 3 μm。 目前研究的车用柴油机排气微粒净化技术是微 粒过滤器 DPF Diesel Particulate Filter， 缩写 DPF ［ 1］。 微粒过滤过程按滤芯结构特征不同分为表面过 滤型和体积过滤型两种。 78 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 体积过滤型 DPF 主要用比较疏松的过滤体积容 纳微粒， 滤芯是用泡沫陶瓷、 钢丝棉或陶瓷纤维筒等 较疏松材料制成的， 共同缺点是过滤效率、 排气阻力 与外形尺寸之间有很大的矛盾， 即在令人满意的效率 和可以接受的阻力下， 外形尺寸显得过大。 表面过滤型滤芯用比较密实的过滤表面阻挡微 粒， 一般单位体积的表面积很大， 材料壁薄， 既可获得 较高的过滤效率， 又具有较小的阻力。目前， 公认最 成功的表面过滤型 DPF 滤芯是蜂窝陶瓷 DPF， 但滤 芯形状复杂， 在很高的温度和温度梯度下易损坏。 DPF 只能把微粒从柴油机的排气中过滤出来， 沉 积在滤芯内， 它本身并不能清除微粒。清除 DPF 中 积聚的微粒， 以恢复到接近原先的低阻力特性， 这个 过程称为 DPF 的再生。 已经开发的用丙烷或柴油作为燃料、 用电点火的 燃烧器来引发 DPF 的再生。柴油燃烧器应用与柴油 机相同的燃料， 比较方便， 但燃烧过程的组织比较困 难， 尤其冷启动时可能燃烧不良， 引起二次污染; 应用 丙烷作为燃烧器的燃料， 容易保证完全燃烧， 但需要 单独的高压丙烷气瓶。平均温度在 700 ～ 800 ℃ ， 以 便可靠点燃已沉积的微粒， 但陶瓷滤芯因尺寸大再生 周期延长， 使滤芯过热而易碎裂或熔融。 用电阻加热器供热再生， 电阻加热器由车载蓄电 池供电。一种结构型式是把螺旋形电阻丝塞入蜂窝 陶瓷滤芯进口一侧的蜂窝， 另一种结构型式是采用回 形电阻丝， 布置在各蜂窝孔道的进口段。电阻丝直接 点燃微粒， DPF 前部微粒燃烧的火焰随着排气气流向 DPF 的尾部传播， 将整个通道内的微粒燃烧完毕。用 电阻加热器供热再生可避免采用复杂昂贵的燃烧器， 同时电加热可消除对任何二次污染， 但由于蜂窝陶瓷 滤芯孔道数很多， 这种结构十分复杂。 2电除尘器净化技术 2. 1电除尘器的基本原理 电除尘器是利用高电压产生的强场强使气体局 部电离， 并利用电场力实现粒子 固体或液体 与气 流的分离。 图 1 为管式电除尘器 ［ 2］工作原理示意图。接地 的金属圆管叫收尘极 或集尘极 ， 与直流高压电源 输出相连的细金属线叫电晕极 放电极 。电晕极置 于圆管的中心， 靠下端的重锤张紧。含尘气流从除尘 器下部进气管引入， 净化后的清洁气体从上部排气管 排出。 1收尘极; 2电晕极; 3绝缘子; 4高压直流电源; 5接地线; 6灰斗; 7含尘气体进口; 8净化气体出口 图 1管式电除尘器工作原理示意 电除尘器中的除尘过程如图 2 所示。在电晕极 与收尘极之间施加足够高的直流电压 不产生火 花 ， 两极间产生极不均匀的电场， 电晕极附近的电 场强度最高， 使电晕极周围的气体电离， 即产生电晕 放电， 电压越高， 电晕放电越强烈。气体电离生成的 大量自由电子和正离子， 在电晕外区 低场强区 ， 自 由电子由于动能的降低， 不足以使气体发生碰撞电离 而附着在气体分子上形成负离子。负离子在电场力 作用下向收尘极运动， 在电场空间充满了大量负离 子。当含尘气体通过电场时， 负离子与尘粒碰撞并附 着其上， 实现了粉尘的荷电。 1电晕极; 2电子; 3离子; 4尘粒; 5收尘极; 6供电装置; 7电晕区 图 2电除尘器的除尘过程 荷电粉尘在电场中受电场力的作用被驱往收尘 极， 经过一定时间后达到收尘极表面， 放出所带负电 荷而沉集其上。收尘极表面上的粉尘沉集到一定厚 度后， 用机械振打等方法将其清除掉， 使之落入下部 灰斗中。 电晕区内的正离子在电场力的作用下向邻近的 电晕极运动， 在运动过程中与烟气中的尘粒碰撞使其 荷电， 荷正电的尘粒受电场力驱使沉集在电晕极上， 只是电晕极上附着的粉尘量比收尘极少得多。 88 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 2. 2尘粒荷电的原理 尘粒荷电的方式有两种， 一种是电场荷电， 另一 种是扩散荷电。电场荷电是离子在外电场作用下沿 电力线有秩序地运动与尘粒相碰撞使其荷电。尘粒 的扩散荷电是由于离子无规则的热运动使得离子通 过气体而扩散， 扩散时与气体中所含的尘粒相碰撞而 使尘粒荷电。两种荷电机理荷电量的比较如表 1 所示。 表 1两种荷电机理荷电量的比较 尘粒半 径 /μm 电场荷电获得的电荷量 /ne 电子电荷的倍数扩散荷电获得的电荷量 / ne 电子电荷的倍数 荷电时间 0. 01 s 荷电时间 0. 1 s 荷电时间 1. 0 s荷电时间∞荷电时间 0. 01 s 荷电时间 0. 1 s 荷电时间 1. 0 s 荷电时间∞ 0. 10. 722. 42. 5371115 1. 07220024425070110150190 10. 07 20020 00024 40025 0001 1001 5001 9002 300 从表 1 中可见 尘粒荷电时间非常短。对于半径 等于1 μm的尘粒， 两种荷电机理所获得的电荷数， 其 数量级是相同的; 对于半径小于0. 1 μm的尘粒主要 靠扩散荷电; 对于半径大于1 μm的尘粒， 主要靠电场 荷电， 它比离子扩散荷电所获得的电荷数要大得多。 3多孔泡沫金属材料的结构及特点分析 多孔泡沫金属材料的几何结构 ［ 3］如图 3 所示， 多 孔材料中孔所占的体积百分比越高， 材料的密度就越 低。多孔泡沫金属材料具有耐热、 抗冲击、 刚性好， 有 吸音、 透过、 耐蚀等性能。由实验得其他的与除尘有 关的特性见表 2。 图 3多孔泡沫金属的几何结构 表 2 AKS 泡沫金属产品性能 项目技术参数项目技术参数 比表面积 / m2g － 1 30 ～ 50抗压强度 /MPa200 厚度 /mm20 机械强度 /MPa5 每英寸长度孔数 /个30使用温度 /℃1 100 ～1 200 体密度 / 0. 5 gcm － 1 0. 8 导热系数 / Wm － 1K－ 1 3 空隙率 /90 ～ 98 比热度 / kJkg － 1K－ 1 0. 6 通孔性 / ≥98 电阻 /Ω 1 除尘阻力 /Pa 200 由表 2 可知， 泡沫金属材料的性能适合发动机的 工作环境。 4多孔泡沫金属电除尘器净化柴油机排气微粒的方 法研究 4. 1多孔泡沫金属电除尘器净化柴油机排气微粒的 基本设计思想 本研究将电除尘器做为净化柴油机排气微粒的 新技术。该除尘器在普通管式除尘器的基础上做了 改进， 改进后的电除尘器结构示意如图 4 所示， 其特 点是 一是集尘极采用多孔泡沫金属材料做成圆筒式 可拆卸结构， 二是气体引入方向与电晕极垂直。 1壳体; 2电晕极; 3多孔泡沫金属集尘极; 4压力传感器; 5重锤 图 4柴油机排气微粒净化的 电除尘器结构及原理 将电除尘器安装在柴油机排气气道中部， 排气微 粒中径粒大的因重力和运动方向的改变而落在除尘 器底部， 然后通过静电除尘的技术除掉排气中的微 粒， 从而洁净排气， 降低污染。通过压力传感器检测 进出口的 气 体压 力， 当检 测 到 除 尘 器 的 阻 力 大 于 200 Pa时， 认为除尘器的集尘极已达到需要清洗的要 求并以指示灯亮显示报警， 停止发动机运行， 取出电 除尘器内的多孔泡沫金属集尘极进行水或压缩空气 98 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 清洗， 安装后继续使用。 4. 2柴油机排气微粒净化应用的电除尘器的特点 做为柴油机排气微粒净化应用的多孔泡沫金属 电除尘器的优点是 1 排气微粒的运动方向与电场方向一致， 可以 增大电除尘器对微粒的捕捉量， 使净化效率提高。 2 采用多孔泡沫金属材料做集尘极板， 相当于 增加了平行板的数量， 可以使极板的面积无限增大， 相对于平行板面积扩大了， 使净化效率提高。 3 因多孔泡沫金属材料的多孔性， 即多孔相当 于金属带尖角的地方增多， 使得电力线的密度增大， 局部电场增强， 以使净化效率提高。 4 多孔泡沫金属除尘器作成集尘极后， 使得排 气系统的阻力大为降低 可控制在200 Pa以内 。 5 设置了压力传感器监测及控制技术， 当因收 尘极上收集微粒过多使排气的阻力增大时， 控制系统 报警显示。 6 由于采用可拆卸多孔泡沫金属材料制成的集 尘极，因集尘极清洗后可以重复使用， 使用时间可以 与车的时间一样长， 运行成本很低。 7 结构简单。 5小结 本研究提出了柴油机排气微粒的净化新方法 － 多孔泡沫金属电除尘技术。阐述了普通管式电除尘 器的除尘原理， 说明了泡沫金属材料的特性， 提出了 电除尘做为柴油机排气微粒净化的新技术， 并设计了 以多孔泡沫金属为集尘极的电除尘器的结构及原理， 分析了该装置的优点。 参考文献 ［ 1］ 刘巽俊. 内燃机的排放与控制［M］ . 北京 机械工业出版社， 2003 42- 49， 185- 196. ［ 2］ 胡满银. 赵毅. 刘忠. 除尘技术［M］ . 北京 化学工业出版社， 2006 34， 53- 62. ［ 3］ 蒂吉斯切 H P Degischer Hans Peter ，克雷兹特 B Kriszt Bri- gitte . 多孔泡沫金属［M］ . 北京 化学工业出版社， 2005 112. 作者通信处石锦芸310018浙江省杭州市下沙高教园区学源街 68 号杭州职业技术学院青年汽车学院 E- mailshijinyun2001 sohu. com 2009 － 08 － 13 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 58 页 大， 且分离效率较高， 污泥量多， 投加较少量的 PSAF- CTS 复合絮凝剂就能达到比较理想的絮凝效果。与 其他具有相近处理效果的多种同类絮凝剂相比较， PSAF-CTS 复合絮凝剂制备成本相对较低， 有较好的 经济效益。并且其处理废水的工艺相对传统絮凝工 艺少了调节 pH 步骤， 使其适用范围增大， 工艺操作 更加简易。 3结论 1 PSAF-CTS 复合絮凝剂的最佳制备条件为 pH 值为 1. 4 ～ 2. 0; 原料配比为 1∶ 1; 反应温度为70 ℃ ; 反应时间为16 h。 2PSAF-CTS 复合絮凝剂对造纸废水有较好的 处理效果。在最适投加量每500 mL为5 mL时， 浊度 去 除 率 95 ，色 度 去 除 率 61. 5 ，COD 去 除 率 78. 7 。 3 PSAF-CTS 复合絮凝剂兼具聚硅酸铝铁与壳 聚糖两种絮凝剂的优点。具有粘结聚集、 吸附架桥效 能好， 脱色性能好、 沉降速度快和良好的吸附、 网捕作 用， 且投加量少， 沉淀速度快， 废物去除率高， 污泥易 处理， 受 pH 及温度影响小， 无二次污染等优点， 是一 种高效、 环保的新型无机 － 有机复合絮凝剂。 参考文献 ［ 1］ 曾媛， 蒋文举， 裴楠. 无机-有机复合絮凝剂的研究进展［J］ . 四川 化工， 2006 6 17- 20. ［ 2］ 蒋挺大. 甲壳素［M］ . 北京 化学工业出版社， 2003 194- 210. ［ 3］ 林亲铁， 张淑娟， 徐文彬. 无机 － 有机复合絮凝剂的制备及絮凝 性能研究［J］ . 环境科学与技术， 2007，30 9 18- 20. ［ 4］王燕， 高宝玉， 岳钦艳， 等. 铁盐类无机有机复合絮凝剂的水解 特性及脱色效能［J］ . 环境化学， 2005， 25 6 730- 734. ［ 5］ Baumann H， Faust V. 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