主動再生靜電吸附在船機尾氣PM治理行業的技術應用

文/蔣旭東 莫志遠 王遠書 李煒 邵善根

根據國際環保組織自然資源保護協會（NRDC）的《船舶港口空氣污染防治白皮書》，一艘使用3.5%含硫量的燃料油的中大型集裝箱船，以70%最大功率的負荷行駛，一天排放的PM2.5相當于50萬輛使用國四油品的貨車。中國近12萬艘船舶的廢氣污染，這些一直被漠視的污染源，其嚴重程度不亞于陸上的火電廠、機動車。一份來自香港大學的研究論文《船舶排放對珠三角地區健康影響評估》顯示，2008年船舶廢氣造成香港1202人過早死亡。船舶尾氣尤其是碳顆粒物對環境產生巨大危害，對船舶尾氣顆粒物的治理迫在眉睫！DPF技術已經成為改善在用道路及非道路柴油機械尾氣顆粒物排放的重要手段之一，對于輪船行業的尾氣顆粒物排放鮮有合適的技術路線應用。本文介紹的主動式靜電吸附DPEF產品不僅可以用于新輪船的前裝市場，同時也可以用于在用輪船的PM深度治理的改造升級，其產業化的社會意義巨大，一旦被市場接受，將是惠及中國輪船空氣環境深度治理的主要技術路線之一。

一、主動式靜電吸附的應用意義

DPF是柴油顆粒捕集器的英文縮寫，是安裝在柴油車排氣系統中，通過過濾來降低排氣中顆粒物的裝置。車用DPF是目前顆粒物捕集的常用技術，捕集效果良好且已被廣泛應用；DPF的結構會造成背壓升高，船舶柴油發動機對背壓十分敏感，幾個Kpa的背壓升高就會使其停止工作，限制了DPF在船舶上的應用；Diesel Particulate Electrostatic Filters，靜電吸附式尾氣凈化器的英文全稱，簡稱DPEF。其核心部件是靜電吸附裝置（亦稱高壓靜電場）與主動再生裝置，合肥寶發公司已開發出一款已投入應用的顆粒物電捕集器（DPEF），利用高電壓電暈放電使柴油機顆粒物荷電，并在電場中收集使用電加熱方式去除。相比于傳統DPF技術，DPEF幾乎不存在壓降，不影響船舶發動機的正常工作，捕集效率高，可以達到95%；該裝置對于DPEF系統在船舶上的應用和船舶尾氣治理具有迫切且重要的意義；

二、船用主動式靜電吸附的基本原理

（1）靜電吸附原理：原理是荷電粒子或顆粒物在電場中依據同性相斥異性相吸原理吸附在集塵筒壁上。技術路線采用電暈效應，將柴油尾氣中的碳煙顆粒通過靜電作用產生磁性，最終被筒壁所吸附，對顆粒物的捕集效率高達99%，高效控制空氣污染。經過特別設計的靜電過濾單元及輔助處理單元，在電場力作用下，結合化學反應原理直接處理排氣污染廢氣，可高效減少廢氣中的微小粉塵顆粒、炭黑等固體顆粒物。當放電尖端為陰極時，產生的電暈稱負電暈，產生二次電子雪崩的次極電子是由正離子碰撞陰極表面引起陰極的電子發射而產生的。DPEF可捕集懸浮微粒、柴油燃燒過程的煙塵顆粒，該系統的工作原理和技術與世界各地安裝在發電廠的灰燼靜電除塵器過濾器（電過濾器）采用的物理原理和技術相同。這種靜電過濾式系統裝置可以將發動機的排氣背壓降到最低，低于柴油顆粒過濾器（DPF）所引發的高背壓。DPEF主要有5大部件組成，高壓靜電場系統、高壓電源、絕緣及吹掃系統、電加熱系統、控制系統；DPEF電捕集器綜合靜電吸附除塵與濾芯擴散、攔截、碰撞機理除塵的多重作用，增強捕集顆粒物效果，對發動機排氣壓力損失小，DPEF電捕集器效果好、可靠的優點，適宜推廣。

（2）高壓靜電場系統及排氣系統的原理：DPEF作為一種高效節能的黑煙凈化設備，具有除塵效率高、煙氣處理量大、設備能耗低、適應范圍廣等優點，在工業領域已得到廣泛應用。管式靜電除塵器布置形式靈活，不受場地限制，單電場除塵效率更高。電暈極系統是靜電除塵器設計制造的關鍵部件，直接決定著電場的強弱與除塵效率的高低，其中電暈線的幾何形狀和尺寸對電場特性的影響僅次于電壓。要提升靜電吸附效率及捕捉能量可以采用不同的高電壓、多電場、減少筒壁距離、增加絕緣可靠性能等方法來具體實現。

圖二，高壓靜電場系統

圖三，兩級排氣系統

為了增加DPEF對柴油顆粒物PM的捕集效果，經實際測試發現，兩級或多級的筒體電場捕集效果明顯由于單級筒體電場捕集效果，若發生某個電源系統故障的情況下，1個電場即便喪失功能，對多個筒體電場的整體而言其捕集效果并沒有明顯的損失。但如果是單個電場，則會整體性的喪失捕集效果。所以，排氣系統應考慮優先使用多級筒體電場。

（3）主動再生燃燒的工作原理：車載顆粒物燃燒器系統是利用柴油點火或電加熱對顆粒物進行積碳的燃燒，這里簡單介紹點火燃燒的工作原理。通過電源加熱棒對高壓柴油進行加熱、點燃，進而對發動機尾氣中的顆粒物進行徹底的燃燒消化，使得靜電吸附系統帶上燃油再生功能，將會大大提高該靜電吸附系統的反復應用意義。設計噴油燃燒器，與車載靜電吸附產品進行有機結合，利用控ECU控制兩者的運行，當靜電吸附捕捉不了黑煙PM顆粒物時，自動控制方式實施噴油再生工作，同時需要確保系統工作的安全性。智能控制ECU技術對主動再生燃燒過程進行精準表征控制，優化燃燒效率，而且排放水平能滿足國家對發動機排放要求。通過研發帶噴油再生方案的燃燒器控制系統，最終實現靜電吸附的產業化。在確保內燃機動力性（不同工況點）的基礎上，提升其經濟性，同時降低了內燃機發動機排放等，確保傳統內燃機發動機排放能達到或優于當前排放的標準以上。燃燒精準表征控制原理如下：

三、主動式靜電吸附產品實際使用后的性能指標

①輪船柴油尾氣PM排放值低于GB36886-2018標準中最嚴格的0.5 m-1的技術要求；②柴油機械的動力始終不會出現類似裝配DPF產品后的動力嚴重損失現象，且產品不堵塞是其產品重點特征，也是當下DPF技術的死穴；③PM顆粒物的過濾效果高于95%，達到了DPF相同的過濾效果，是目前唯一在實際使用中可以與DPF相比較的高效PM凈化器；④可以吸附DPF技術所無法凈化的柴油油滴（白煙）、機油油滴（藍煙），這是該產品的又一個遠勝于DPF產品的重要特點。

電控ECU的控制邏輯圖/電路圖

四、主動式靜電吸附研發成功將有利于輪船尾氣顆粒物治理的技術推廣

道路國六標準及非道路國四加嚴了對顆粒物的排放要求，因此DPF是國六階段需要采用的路線。一直以來，輪船無法應用DPF產品作為當前PM顆粒物治理，市場急需一種實用的技術。輪船后處理技術路線不能完全照搬車用柴油車治理的經驗。為此，合肥寶發公司實現技術攻關的主動式靜電吸附成果，對我國輪船尾氣的環保排放達標意義重大，由于解決了堵塞等重大質量隱患，對陷入DPF堵塞困境的我國輪船產業帶來發展機遇，創新走出柴油機械產業的新思路、新出路、新效益，形成新的經濟增長點。下一步，應積極主動的參與道主動式靜電吸附的行業、國家標準的編制，主導標準的科學行、先進性和適宜性。以實現通過技術來推動產業發展的最終目的。