汽車(chē)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(chē)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(méi)有任何處理效果?；诖耍P者設(shè)計(jì)了一種新的汽車(chē)尾氣除塵裝置，該裝置通過(guò)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(chē)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(chē)尾氣中有害物質(zhì)的過(guò)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(chē)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(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量大國(guó)。雖然電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，但是燃油汽車(chē)仍占主流，汽車(chē)在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)也加劇了空氣污染。汽車(chē)尾氣已經(jīng)成為城市空氣污染最主要的來(lái)源之一。在燃油汽車(chē)排放的大量廢氣中，除二氧化碳和水蒸氣為無(wú)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(guò)相互作用形成二次污染。近年來(lái)，國(guó)家采取了一系列措施來(lái)減少汽車(chē)尾氣的排放。目前，我國(guó)對(duì)汽車(chē)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(méi)有處理作用。基于此，筆者設(shè)計(jì)了一種新的汽車(chē)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(chē)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(wèn)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(chē)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(yáng)極板和儲(chǔ)塵器組成。高溫的汽車(chē)尾氣通過(guò)凈化裝置時(shí)，經(jīng)由陽(yáng)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(yáng)極板，通過(guò)震動(dòng)，吸附在陽(yáng)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(guò)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(chē)集塵袋的設(shè)計(jì)，可以有效監(jiān)測(cè)集塵袋是否裝塵過(guò)量，提示積塵裝置的狀態(tài)，可以讓車(chē)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(chē)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(guò)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(guò)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(guò)程即為化學(xué)電解促催尾氣過(guò)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(guò)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(lái)確定除塵器的大小、開(kāi)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(wú)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(guò)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(guò)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(chē)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(guò)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(guò)反饋電壓來(lái)使直流輸出電壓恒定，通過(guò)比較設(shè)定電流值與反饋電流值來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流。電源模塊中選用2個(gè)IGBT模塊作為開(kāi)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(mén)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(guò)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(guò)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(guò)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(lèi)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(chē)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(chē)尾氣中的有害顆粒物進(jìn)行充分過(guò)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(chē)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(guò)發(fā)生器產(chǎn)生的高壓靜電經(jīng)導(dǎo)線傳輸?shù)竭_(dá)陽(yáng)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(yáng)極板移動(dòng)，帶正電荷的陽(yáng)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(yáng)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(guò)程中含有氮?dú)?，它無(wú)色無(wú)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(chē)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?yáng)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(guò)極板時(shí)，在陰極板和陽(yáng)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(chē)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(chē)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(yáng)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(chē)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(chē)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(chē)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(chē)尾氣仍是空氣污染的主要來(lái)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(chē)尾氣的全面凈化處理，從根本上解決了汽車(chē)尾氣排放污染問(wèn)題[4]。目前，在人們對(duì)汽車(chē)的需求量不斷攀升的同時(shí)，汽車(chē)尾氣帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)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(lái)對(duì)汽車(chē)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(chē)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(lèi)大中小型汽油、柴油動(dòng)力汽車(chē)，具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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作者:杜偉偉 單位:黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院