汽車尾氣高壓靜電除塵裝置設(shè)計(jì)探析

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摘要：傳統(tǒng)汽車尾氣凈化裝置只能在一定程度上處理尾氣中的化學(xué)物質(zhì)，但是對(duì)于固體顆粒物等其他危害物質(zhì)沒有任何處理效果?；诖耍P者設(shè)計(jì)了一種新的汽車尾氣除塵裝置，該裝置通過高壓靜電吸附的原理，利用電分解及催化反應(yīng)的共同作用，處理汽車尾氣中的PM2.5以及其他有害物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置明顯提升了對(duì)汽車尾氣中有害物質(zhì)的過濾效果，有效降低了空氣污染指數(shù)，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：靜電；除塵；汽車尾氣

1研究背景及意義

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界汽車產(chǎn)銷量大國(guó)。雖然電動(dòng)汽車已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，但是燃油汽車仍占主流，汽車在給人們帶來便利的同時(shí)也加劇了空氣污染。汽車尾氣已經(jīng)成為城市空氣污染最主要的來源之一。在燃油汽車排放的大量廢氣中，除二氧化碳和水蒸氣為無害成分外，大部分都為有害成分。這些污染物本身就有很強(qiáng)的毒性，有的甚至通過相互作用形成二次污染。近年來，國(guó)家采取了一系列措施來減少汽車尾氣的排放。目前，我國(guó)對(duì)汽車尾氣的處理方法主要為“氧氣-催化”的一段凈化法，主要是利用氧化催化燃料裝置。該裝置雖然有一定的處理能力，但是對(duì)一氧化氮和固體顆粒物（PM2.5）沒有處理作用?；诖耍P者設(shè)計(jì)了一種新的汽車尾氣除塵裝置。

2設(shè)計(jì)原理

2.1設(shè)計(jì)思路該裝置的靜電處理系統(tǒng)是以高壓靜電的方式對(duì)汽車尾氣進(jìn)行處理的。即利用高壓靜電除塵器的吸附效果，對(duì)尾氣中的固體顆粒物進(jìn)行吸附。當(dāng)集塵板吸附大量的固體顆粒物（PM2.5）后，由位于各電極板下方的儲(chǔ)塵機(jī)構(gòu)進(jìn)行收集，消滅其二次污染，解決廢物的處理問題。同時(shí)利用稀土催化劑和高壓靜電，催化分解有害氣體，從而達(dá)到對(duì)尾氣中化學(xué)成分進(jìn)行處理的目的，實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)組合優(yōu)化，對(duì)尾氣進(jìn)行全面凈化處理。

2.2靜電處理裝置原理

2.2.1靜電除塵系統(tǒng)。靜電處理尾氣的基本原理可以概括為：以高壓靜電的方式對(duì)汽車尾氣進(jìn)行處理，利用高壓靜電除塵器的吸附效果，對(duì)尾氣中的固體顆粒物進(jìn)行吸附，為后面的除塵做準(zhǔn)備工作，從而達(dá)到對(duì)尾氣中有害氣體及固體顆粒物的處理目的[1]。它由靜電發(fā)生器、陰極針、陽極板和儲(chǔ)塵器組成。高溫的汽車尾氣通過凈化裝置時(shí)，經(jīng)由陽極板與陰極針構(gòu)成的靜電場(chǎng)，使尾氣中的固體顆粒物吸附到陽極板，通過震動(dòng)，吸附在陽極板的PM2.5微粒掉落到極板下方的除塵器中，被集中收集，從而完成對(duì)固體顆粒物的處理。2.2.2儲(chǔ)塵器及儲(chǔ)塵監(jiān)控系統(tǒng)。將含塵氣體中的塵粒阻留在纖維織物上，從而使固體顆粒物可以被可靠地收集到儲(chǔ)塵器中。因過濾織物通常做成袋狀，所以設(shè)計(jì)袋式儲(chǔ)塵器。傳感器安裝在汽車集塵袋的設(shè)計(jì)，可以有效監(jiān)測(cè)集塵袋是否裝塵過量，提示積塵裝置的狀態(tài)，可以讓車主及時(shí)更換，從而延長(zhǎng)集塵袋的使用壽命。2.2.3多功能催化器系統(tǒng)。將活性元素La、Ce組成的復(fù)合氧化物，涂到三個(gè)氣室內(nèi)壁及極板壁上，組成汽車尾氣催化器。其中的催化劑是由活性涂層和貴金屬組成的活化層構(gòu)成的，主要作用是對(duì)有害物質(zhì)進(jìn)行處理。當(dāng)尾氣通過第二、三氣室時(shí)碰撞極板，靜電會(huì)與附著在氣室表面的稀土催化劑配合分解尾氣，在經(jīng)過第一氣室時(shí)尾氣中的化學(xué)物質(zhì)會(huì)進(jìn)行初步電分解，再經(jīng)由二、三氣室促進(jìn)催化分解作用，完成最終的處理。此過程即為化學(xué)電解促催尾氣過程，對(duì)有害化學(xué)氣體進(jìn)行最終處理。

3高壓靜電除塵裝置整體設(shè)計(jì)

3.1靜電除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靜電除塵器設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，它通過對(duì)設(shè)備主體的整體計(jì)算得知尾氣除塵的最優(yōu)方案。主要用來確定除塵器的大小、開孔數(shù)，以及集塵板的面積、效率、距離、高度、尾氣的流動(dòng)方向、儲(chǔ)塵器的尺寸大小、材料選型、電源線路、所需功率等關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)。1）靜電除塵器的型號(hào)選用多區(qū)除塵器，即在不同區(qū)域進(jìn)行對(duì)粒子的捕集，集塵極和放電極也放置在多個(gè)區(qū)域。本次設(shè)計(jì)由于煙氣量大，故采用多級(jí)板分流式電除塵器[2]。2）電場(chǎng)風(fēng)速的確定。尾氣在電除塵器內(nèi)流速大小的選取，由電除塵器規(guī)格大小和被處理尾氣特性而定，一般在0.5m/h～1.5m/h的范圍內(nèi)。電場(chǎng)風(fēng)速與收塵效率無關(guān)，但對(duì)具有一定尺寸收塵極板面積的電除塵器而言，過高的電場(chǎng)風(fēng)速不僅使電場(chǎng)長(zhǎng)度增加，占地面積增大，而且會(huì)引起粉塵二次飛揚(yáng)，降低除塵效率。反之，在一定的處理煙氣量條件下，過低的電場(chǎng)風(fēng)速必然需要大的電場(chǎng)斷面。這樣導(dǎo)致設(shè)備大，不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。所以電場(chǎng)風(fēng)速的選取要適當(dāng)，本設(shè)計(jì)中電場(chǎng)風(fēng)速取1m/s。3）電除塵器截面積公式：F=Qv=18003600*1=0.5m2其中：F———電除塵器截面積m2；Q———處理煙氣流量m3/h；V———電場(chǎng)風(fēng)速m/s。靜電除塵的新型高壓直流電源的組成及原理主要是利用車載電瓶作為電源基礎(chǔ)的，電瓶電源輸出后經(jīng)直流發(fā)生器和脈沖電壓發(fā)生器產(chǎn)生所需電壓。脈沖電壓發(fā)生器的輸出電壓經(jīng)電容后，和直流發(fā)生器的直流輸出電壓相疊加，使輸出電壓運(yùn)行在高頻調(diào)幅信號(hào)以下，同時(shí)輸出電壓平均值較高，保證了除塵效果。經(jīng)全橋整流并濾波后變?yōu)檩^平滑的直流電，再經(jīng)逆變器變?yōu)楦哳l交流電，這是該電源的核心部分。由于多種因素的影響，頻率一般選擇在20kHz～40kHz，電源工作頻率約為37kHz。采用集成電路，提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使之輸出合適的電壓和電流。通過調(diào)節(jié)設(shè)定電壓值和電流值，可以調(diào)節(jié)直流發(fā)生器的輸出電壓，使它低于閃爍電壓；調(diào)節(jié)脈沖電壓發(fā)生器的輸出電流，使它稍小于閃爍時(shí)的電流。因此，系統(tǒng)通過反饋電壓來使直流輸出電壓恒定，通過比較設(shè)定電流值與反饋電流值來調(diào)節(jié)輸出電流。電源模塊中選用2個(gè)IGBT模塊作為開關(guān)型全橋直-交變逆變器，每個(gè)IGBT模塊中的2個(gè)功率管分別由輸出的2個(gè)相位差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)光電隔離后進(jìn)行門極驅(qū)動(dòng)[3]。逆變電路工作在PWM控制方式。改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比將改變輸出交流電壓的脈沖寬度及有效值。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比為0.5時(shí)，輸出電壓中的基波分量最大。

3.2多功能催化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靜電分解系統(tǒng)是利用高壓靜電與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞，使能量轉(zhuǎn)化成電子態(tài)介質(zhì)的內(nèi)能，發(fā)生激發(fā)、離解、電離等一系列過程使污染介質(zhì)處于活化狀態(tài)。污染介質(zhì)在高壓靜電的作用下，產(chǎn)生活性自由電子，活化后的污染分子經(jīng)過高壓靜電定向鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)后被脫離。當(dāng)離子平均能量超過污染介質(zhì)中化學(xué)鏈結(jié)合能時(shí)，分子鏈斷裂，污染介質(zhì)分解，并在高壓靜電除塵發(fā)生器吸附場(chǎng)的作用下被收集。在低溫靜電除塵中，可能由污染介質(zhì)成分決定發(fā)生的各類化學(xué)反應(yīng)，這主要取決于高壓靜電除塵的平均能量、離子密度、氣體溫度、污染物介質(zhì)濃度及共存的介質(zhì)成分?，F(xiàn)有汽車尾氣除塵器功能比較單一，清洗不方便，且對(duì)尾氣的處理不夠全面、徹底，因此筆者設(shè)計(jì)出高壓靜電除塵裝置，它可以有效地對(duì)汽車尾氣中的有害顆粒物進(jìn)行充分過濾，同時(shí)提高有害氣體（如NOx、CO、CHx、SO2）的氧化還原反應(yīng)，對(duì)汽車尾氣進(jìn)行徹底的凈化處理。由高壓靜電發(fā)生器提供的高壓靜電，通過發(fā)生器產(chǎn)生的高壓靜電經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)竭_(dá)陽極板、陰極板，在極板上堆積的電壓由于間隙比較小，通電后在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電暈放電，這些自由移動(dòng)的離子改做定向移動(dòng)，帶負(fù)電荷的陰離子由于靜電作用向陽極板移動(dòng)，帶正電荷的陽離子則向陰極板移動(dòng)，并在兩極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)。借助直流高壓發(fā)生器引起氧化還原反應(yīng)，在極板上就能把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。發(fā)生器與直流電源負(fù)極相連的電極板叫陰極板，與直流電源正極相連的電極板叫陽極板。將尾氣中的固體顆粒牢牢地吸附在集塵極板上，為后期的儲(chǔ)塵做準(zhǔn)備工作。在分解的過程中含有氮?dú)?，它無色無味，自然環(huán)境中約占空氣體積的4/5。氮?dú)饣瘜W(xué)性質(zhì)不活潑，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，汽缸中的空氣中的氮?dú)獾玫窖鯕?，在陽極板與陰極板的電暈放電作用下電離分解產(chǎn)生一氧化氮。由于尾氣中氣體成分含量比較多，一氧化氮也會(huì)在得到氧氣后生成二氧化氮。當(dāng)一氧化碳經(jīng)過極板時(shí)，在陰極板和陽極板的電暈放電作用下，會(huì)在排氣管道內(nèi)得到氧氣，生成二氧化碳，在汽車尾氣中還可以得到少許的氫氧根離子，最終生成二氧化碳和水。尾氣中碳?xì)浠衔镌谂艢夤艿纼?nèi)得到氧氣，能夠生成二氧化碳和水，也能在汽車尾氣中因得到少許的氫氧根離子而生成二氧化碳和水，從而起到凈化作用。二氧化硫在陰陽極板的電暈放電分解作用下得到氧氣，從而生成三氧化硫和少許的硫原子，達(dá)到充分的氧化還原反應(yīng)，突出電解設(shè)備凈化原理。在汽車內(nèi)燃機(jī)為汽油型內(nèi)燃機(jī)時(shí)，汽缸內(nèi)會(huì)有大量的鉛離子得到氧氣后氧化還原生成氧化鉛。

3.3主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)分成三大部分，分別為靜電除塵器、多功能催化器、儲(chǔ)塵機(jī)構(gòu)。1）靜電除塵器。靜電除塵器氣室之間以擴(kuò)充型環(huán)形通道連接并加裝均風(fēng)網(wǎng)，從而進(jìn)一步穩(wěn)定氣體，使其在靜電分解中達(dá)到高效電離。儲(chǔ)塵器機(jī)構(gòu)位于各電極板下方，以汽車行駛震動(dòng)和傳動(dòng)彈簧為基礎(chǔ)吸附電離后的塵垢。電極板同樣使尾氣在三元凈化基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)凈化，三個(gè)氣室是在考慮計(jì)算相對(duì)體積基礎(chǔ)下能最大效率穩(wěn)流與最大限度降低尾氣溫度；也為最重要的處理部分創(chuàng)造了條件。2）多功能催化器。多功能催化器是由Ca、Sr和Ba等堿土金屬元素以及Fe和In等過渡金屬元素組成的復(fù)合氧化物，在氧化還原反應(yīng)時(shí)進(jìn)行第一步處理。靜電除塵器吸附是有害氣體分解的地方，同時(shí)也是本次創(chuàng)新的主題和內(nèi)容。靜電吸附除塵器通過密封管路與多功能催化器以及儲(chǔ)塵器相連，管路中設(shè)置緩流裝置，控制尾氣平穩(wěn)流動(dòng)，盡可能地接觸尾氣，從而擴(kuò)大反應(yīng)面積。3）儲(chǔ)塵機(jī)構(gòu)。儲(chǔ)塵器通過布袋集塵原理回收有害的固體顆粒物，屬于儲(chǔ)存器件，其上部還是集塵板的主要分布區(qū)域，是尾氣處理的重要元件。靜電除塵分解裝置與除塵裝置合二為一，目的在于減小面積的同時(shí)提高利用率，這是僅次于靜電除塵的主要功能，主要是通過電離分解尾氣中的有害部分從而達(dá)到處理目的的重要元件。

4應(yīng)用前景

傳統(tǒng)汽車尾氣處理裝置主要是利用三元催化原理對(duì)尾氣中有害氣體成分進(jìn)行處理，由于這種處理方式會(huì)導(dǎo)致固體顆粒物得不到凈化，所以汽車尾氣仍是空氣污染的主要來源。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于將傳統(tǒng)尾氣處理與高壓靜電處理方式相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了汽車尾氣的全面凈化處理，從根本上解決了汽車尾氣排放污染問題[4]。目前，在人們對(duì)汽車的需求量不斷攀升的同時(shí)，汽車尾氣帶來的環(huán)境問題如全球氣溫變暖、空氣污染加劇等也值得關(guān)注。出于為環(huán)境保護(hù)盡一份力量的理念，筆者設(shè)計(jì)了這款利用高壓靜電除塵原理來對(duì)汽車尾氣進(jìn)行全面凈化處理的作品。該裝置可以大幅度減少汽車尾氣中的有害氣體和固體顆粒物，明顯改善空氣質(zhì)量。本設(shè)計(jì)適用于各類大中小型汽油、柴油動(dòng)力汽車，具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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[4]袁琳嫣.室內(nèi)空氣凈化器技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2015(3)：46-50.

作者:杜偉偉 單位:黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院