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

（吉林大學交通學院，吉林 長春 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絲粗細的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且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。在2012年2月發布的973項目中，PM2.5的治理成為能源科學領域中的重點支持方向。在十一屆全國人大五次會議中溫家寶總理也也在政府工作報告中提到了PM2.5治理。由于PM2.5的粒徑較小，常規的除塵技術對其進行去除時效率低可行性差，對PM2.5進行凝聚成為了必要。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、凝聚過程復雜及難易程度、有無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 工作過程簡述

圖1 工作流程圖

工作過程如圖所示，尾氣首先進入雙極荷電區，使PM2.5一部分帶正電一部分帶負電，然后流入作為凝聚器的消音器使微粒凝聚，使粒徑增加后進入再荷電區再荷電，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，不適合汽車內部的使用，這也是靜電除塵在汽車上應用的瓶頸。而靜電起電機可以利用其豐富的機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。根據實驗，一對約60cm直徑的起電機以100r/min的速度旋轉,大約可以產生50000V的電壓，可以滿足在汽車內的使用。這種方法簡單易行，相對于傳統的供電裝置能耗低、體積小、效率高，適合做汽車車載裝置。

（2）荷電計算與仿真。實驗測得汽車尾氣中PM2.5的粒徑在80nm左右，所以此裝置荷電原理是擴散荷電，即由于離子和顆粒作不規則熱運動和相互碰撞而使顆粒荷電的過程,并對下列公式進行計算求出帶電量。

①相對密度δ

②皮克（Peek）公式——起始電暈場強

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場強E

⑧時間常數τ

⑨擴散電量qd

⑩海因里奇建議用下式近似計算

用fluent仿真發動機5500r/min時，結果圖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。根據這一數據，繼續進行下面仿真分析。

圖2 排氣管流體仿真

對排氣管內部流場仿真（圖3）與加入除塵裝置后的流場壓力狀況（圖4）的對比

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圖仿真對比可得，加入除塵裝置后，增加了200Pa左右壓力，對于排氣管的排氣阻力影響可以忽略不計。

（3）凝聚部分。通過仿真軟件的應用，對消音器流場進行分析，仿真的結果如圖5所示。

圖5 汽車消音器流線圖

由圖所示，在消音器的內部，流線復雜，有利于正負荷電粒子的碰撞凝聚，對于提高凝聚效率有顯著效果。根據以上分析結果，所以我們將汽車消音器作為凝聚器來使用，從而達到荷電顆粒凝聚增大的目的。

（4）再荷電部分。經過荷電、凝聚的過程，粒子半徑增大，達到預期效果。同時，粒子呈電中性，為了便于收集，我們設計了再荷電過程。根據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到的效果比較理想。再荷電的過程同前述荷電過程一致，在此，不再贅述。

（5）收塵部分。①粒子軌跡分析。根據收塵需要，首先我們進行粒子的軌跡分析。利用收集、計算等方式得到的數據，運用comsol軟件對流場和電場進行耦合，進行不帶電，已凝聚，未凝聚時粒子軌跡仿真。結果如圖6、7、8所示。

圖6 不帶電時粒子軌跡仿真

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。經過查詢文獻可知，排氣速度是0.5～1.5m/s之間，而收塵板的最小揚塵速度為1m/s。據此，我們選擇對1m/s～1.5m/s的排氣速度進行仿真。通過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據。下面是我們通過仿真得到的數據進行擬合的圖像（圖9）。橫軸為距排氣口距離,縱軸為收塵板的最大風速。

圖9 排氣口距離與收塵板最大風速擬合圖

綜合考慮對排氣管內部的壓力，收塵板的最大速度，材料的經濟性以及最小離地間隙，得出最優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，效果最佳。

3 結語

對于靜電除塵，技術已經相當成熟。而在汽車尾氣處理方面的運用還不完善。通過引入效率高能耗較低的電凝聚除塵，然后對其進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的去除提供一個新思路。

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