第4l卷第6期 昆明理工大学学报(自然科学版) Vo1.41 No.6 2016年12月 Journal of Kunming University of Science and Technology(Natural Science Edition)Dec.2016 doi:10.161 12/j.enki.53—1223/n.2016.06.008 基于电晕的线管式DPF捕集效率数值模拟研究 郭秀荣,王迎辉,杜丹丰,亓占丰 (东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150040) 摘要:基于电晕放电理论与柴油车尾气微粒自身特殊性质,设计基于电晕放电的线管式柴油车微 粒捕集器(DPF,Diesel Particulate Filter).首先建立线管式DPF捕集效率数值计算模型;然后分别对 不同结构及不同尾气温度条件下的捕集效率进行数值模拟分析.分析结果表明,该DPF的捕集效 率随管道个数增加而增强,随尾气温度的升高而增强,随PM粒径的增大而增强.该DPF可有效捕 集柴油汽车尾气中的碳烟粒子(PM),满足流通式颗粒捕集器的技术要求,对保护环境有重要意义. 关键词:电晕放电;线管式微粒捕集器;电凝并;数值计算模型;捕集效率 中图分类号:TK421.5 文献标志码:A 文章编号:1007—855X(2016)06—0049—05 Research on Numerical Simulation of Wire—Tube DPF Collection Efifciency Based on Corona Discharge GU0 Xiurong,WANG Yinghui,DU Danfeng,QI Zhanfeng (College of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China) Abstract:The wire—tube diesel particulate iflter(DPF)is designed based on the theory of corona discharge and the special nature of diesel exhaust particulate.Firstly,the numerical model of wire—tube DPF collection effi— ciency is established,and then the numerical simulation of the collection efifciency of different structure sizes and different tail gas temperatures are carried out respectively.The analysis results show that the collection efifciency of DPF improves with the growth of the number of pipes,the rise of the temperature of tail gas and the increase of particulate matter(PM)size.This DPF can effectively collect PM in automobile exhaust gas and satisfy the technical requirements,which has great signiifcance to environmental protection. Key words:corona discharge;wire—tube diesel DPF;electirc coagulation;numerical model;collection effi— ciency 0引言 近年来由于大气中颗粒物含量的持续上升,导致我国大部分城市都经常被雾霾笼罩.据分析,大气中 近30%的颗粒物都直接来源于机动车尾气所排放的碳烟颗粒(PM) J.柴油车尾气排放的PM,对人体的 呼吸系统、心脑血管系统、生殖与神经系统均有不同程度的影响 .因此,有关PM的净化问题得到社会各 界密切关注. 目前柴油车微粒捕集器(DPF,Diesel Particulate Filter)是净化柴油车尾气PM的主要工具之一,主要 过滤材料有堇青石蜂窝陶瓷、碳化硅、金属丝网、金属纤维毡以及炭化微米木纤维等 J.电晕放电反应器 捕集PM的机理与上述DPF存在很大差异,一般应用在燃煤工业中,且对PM捕集效率较高-4 J.该种捕集 方法具有耐高温、可再生、捕集效率高等优点 j.由于柴油车尾气所排放PM的粒径一般要小于燃煤工厂 所排放的PM粒径,燃煤工业中的电凝并装置很难在柴油车上得以应用.本文基于电晕放电的电凝并理 收稿日期:2016—03—28.基金项目:国家自然科学基金项目(51378096,31470611);哈尔滨市科技局科技创新人才研 究专项项目(RC2014QNOI5009). 作者简介:郭秀荣(1972一),女,博士,副教授.主要研究方向:柴油机尾气排放测控.E—mail:gxiurong2014@163.corn 50 昆明理工大学学报(自然科学版) 第41卷 论,结合柴油车尾气PM粒径分布特征 ,设计可应用于柴油车尾气净化的基于电晕放电的线管式DPF, 同时,在此设计基础上,对其微粒捕集效率进行探索性的数值模拟研究. 1基于电晕放电的线管式柴油车尾气微粒捕集器设计 基于电晕放电的线管式柴油车尾气微粒捕集器的结构尺寸设计主要从两方面人手;一是通过增加荷 电区长度,以延长颗粒物荷电时间,二是通过减小集尘管直径,增加集尘管个数,以增加直流电场的场强和 集尘面积. 结构尺寸对线管式DPF捕集效率和外加电压的大小有较大影响,其设计原则是在简化装置复杂性的 前提下,微粒捕集器可以充分对PM荷电、凝并和捕集.传统电凝并技术采用直流电晕预荷电一脉冲电晕 荷电一直流电晕集尘三个步骤 ,这样的电凝并装置在尾气流速较高时,需要很长的排气管道.因此,该 装置在柴油车上应用存在很大难度,且无法保证其捕集效率. 柴油车尾气所排放的PM具有其特殊性质,在不同的数量级上,微粒数量浓度随粒径变化差距明显, 尤其是O.05~1 m以下的微粒较多_8 J.而脉冲电晕对于该粒径范围的粒子荷电能力约为直流电晕的l0 倍_9 J,故本设计主要采用脉冲电晕对PM进行荷电,省去了传统电凝并技术中直流电晕预荷电的部分,此 方法可以减少排气管对柴油车空间的占用,有利于该装置在小型柴油车上应用.本文也将集尘部分做了创 新设计,为了降低流速,在考虑柴油车排气管尺寸合理的情况下,将若干个集尘管道并联在一起.图1为新 型微粒捕集器的结构图.尾气首先排入荷电管2,在脉冲电晕放电的条件下对PM进行充分荷电、凝并,使 PM带上足够大的电荷并且凝并长大;然后通过集尘管4,在该部分足够大的电场力作用下,PM被捕集到 集尘管内壁上;最后净化后的尾气通过尾气出口6流人大气.该设计在保证捕集效率的前提下使电凝并装 置在柴油车上得以应用. 2基于电晕放电的线管式DPF捕集效率数 值计算模型 为了计算线管式DPF对PM的捕集效率,需建 立微粒捕集器数值计算模型.线管式DPF主要由两 部分组成,第一部分是脉冲电晕荷电部分,该部分 对PM的荷电和凝并能力主要受脉冲电源输出功率 和荷电时间的影响;第二部分是直流电晕集尘部 1.绝缘锥形塞2.荷电管3.螺钉4.集尘管5.保护外壳 6.尾气出口7.支撑盘8.圆盘9.集尘电极线l0.荷电电极线 分,该部分对PM的捕集效率主要受流速、场强和集 尘面积的影响. 图1基于电晕放电的线管式DPF结构图 Fig.1 Structural diagram of wire tube DPF based on corona discharge 为了简化模型,便于对该微粒捕集器的捕集效 率进行模拟,本文作如下假设:1)粒子是球形的,相同粒径的粒子荷电量相同;2)直流电场是匀强电场;3) 尾气均匀流过微粒捕集器,不会发生冲击紊流的现象;4)粒子被捕集后不发生再飞扬以及反电晕现象;5) 忽略粒子之间形成的电场.根据以上假设,可得到粒子的荷电量和捕集效率公式. 脉冲电场中电子荷电方式下的荷电量为 g=: L. )] (1) 4丁 ̄oaKTel.1+ n[JNete2a 式中: 为电子的平均温度,K;Ⅳ。为自由电子的平均浓度,m~;K为波尔兹曼常数,K=1.380 650 5× 10 J/K;n为粒子直径,m;J为自由电子的迁移速度,m/s; 为空间电容率,8.85×10 F/m. 脉冲电场中扩散荷电方式下的荷电量为 : g 4 ̄reoaKT1(1+X oa e2ueIn l+ ) (2) 式中:T为尾气温度,K;Ⅳn为带电离子浓度,m~;tt为尾气流速,m/s; 第6期 郭秀荣,王迎辉,杜丹丰,等:基于电晕的线管式DPF捕集效率数值模拟研究 5l 直流电场中电场荷电方式下的饱和荷电量为 : q = 0叮T0 。 0 =二 0二——■ 式中: 为相对介电常数( ≥占。). 直流电场中扩散荷电方式下的荷电量为 : (L3)j g: 。 n(1+ 些) 2 0 ̄/2m1TK ’ 增加荷电时间、增大场强或降低尾气流速可以有效增加荷电量. (4) 根据式(1)(2)(3)和(4)可以看出,荷电量与时间、场强及温度成正比,与尾气流速成反比.由此可知 根据文献[12]提出的场致荷电与扩散荷电的综合作用,结合微粒物的粒径分布特征.将荷电量的公 式近似修改如下: 2+ n(1+ e2Noat)]+ 一[ ̄8oa2Eo 3Br1n(1+ JN ̄te2a( [4'rre oa KT,.))]+ oaKT1n(1+ Noa e2tty×[4 ̄r6£)] e(5) 式中.-or 、y为荷电校正参数,其取值根据粒径范围取得,根据参考文献[10]中不同电场中细颗粒物的荷 电特性研究以及文献[13]中直流电场在高温条件下的放电特性研究,可近似得出表1. 在静电力以及斯托克斯粘阻力共同作用下的带电 表1荷电校正参数取值范围表 粒子向集尘管内壁的驱进速度为 ]:Tab・1 Range of numerical values of charged 式 公 式 』i 里 式中:D为集尘管内径,in;z为集尘管长度,In; 为集尘管个数; 为充气效率和分子变更数; 。为柴油机转 速,rpm; 为柴油机排量,L; 为柴油机进气温度,K. 将公式(6)(8)(9)代入公式(7)可得微粒捕集器对不同粒径PM捕集效率: 叩= 一exp{一 .- 兰 ) ( 。) 3捕集效率模型求解计算 根据Lister Petter AA1型单缸柴油发动机相关参数 ,本文设定集尘管接地极为内径20 mm、长 500 mm的不锈钢管,电极为直径4 mm、长450 mm的不锈钢圆柱;脉冲电晕荷电反应器接地端为内径 60 mm、长800 Inm的圆柱形钢管,电极为直径4 inm,长700 mm的不锈钢圆柱.基于浙江大学骆仲泱教 授等对电晕荷电的研究,根据文献[7,15]对脉冲电晕放电的试验结论,本文采用脉冲电压为14 kV的 52 昆明理工大学学报(自然科学版) 第41卷 高压窄脉冲电源,直流电压为5.5 kV的直流电源.对该模型求解计算时所需具体参数见表2. 在脉冲电压条件不变的前提下,尾气温度设 表2模型计算参数 定为400 K,集尘管个数分别取4,5、6、7根时,利 用matlab软件数值仿真,由捕集效率公式(10)可 PM粒径的变化曲线,如图2所示. 由图2可知,在PM粒径不变时,DPF的捕集 ! : ! ! !!竺竺 :! 竺! !竺 竺 参数 尾气的流速/(m・s ) 尾气密度/(kg・m。) 脉冲电压/kV 直流电压/kV 数值 ・Pa~・s ) 近似得到不同集尘管个数条件下,捕集效率随 尾气动力粘度/(效率随集尘管个数增加而增强,当集尘管个数超 过6时,捕集效率随集尘管个数变化不明显.随着 PM粒径的增大,捕集效率也随之增大.考虑到柴油机的排量固定,排气装置的结构尺寸不可能无限增大, 集尘管个数不能无限增加,所以选取集尘管个数n=6为该DPF较优结构. 当集尘管个数为6时,尾气温度分别取300,400,500,600 K,由捕集效率公式(1O)可近似得到在不同 尾气温度条件下,微粒捕集器捕集效率随PM粒径的变化曲线,如图3所示. 籁 辖 褂 嵌 j8j1} 2 Pm粒径 图2 DPF捕集效率随PM粒径的变化曲线 Fig.2 Changing curve of DPF collection eficifency with PM size 一.~ 咖图3 DPF捕集效率随PM粒径的变化曲线 Fig.3 Changing curve of DPF collection eficifency withPM size 由图3可以看出,在粒径不变时,DPF的捕集效率随尾气温度的升高而增强,温度的升高可以增强脉 冲电晕荷电、凝并能力,从而达到捕集效率增强的效果. 柴油机所排放的PM粒径集中在0.05~0.5 m范围内,综合图2和3可知,DPF对该范围内PM的捕 集效率均可达到50%以上,DPF的捕集效率随PM粒径的增大而增强,因为随着PM粒径的增大,PM荷电 能力随着增强,更加容易凝并长大从而被捕集.因此对粒径小于2.5 m的PM即PM2.5的捕集效率也超 过50%,对粒径小于1O m的PM即PM10的捕集效果将会更好.根据文献[17]流通式或部分流通式的颗 粒过滤器过滤效率不得低于50%.本文所研究的微粒捕集器对于粒径在O.05—1 Ixm的PM捕集效率均高 于50%,满足流通式颗粒过滤器的技术要求. 4结论 本文以柴油车尾气微粒物粒径特征为设计的理论基础,从结构尺寸方面设计了线管式柴油车尾气微 粒捕集器,应用数值方法对该微粒捕集器进行了模拟仿真研究,研究结果表明:该微粒捕集器具有较高的 捕集效率,对粒径在0.05~1 m的柴油机所排放的PM捕集效率均在50%以上,对粒径为2.5 m的PM 捕集效率可到90%以上,并且随着PM粒径的增大,捕集器捕集效率随之增大,满足国家环境保护标准中 第6期 郭秀荣,王迎辉,杜丹丰,等:基于电晕的线管式DPF捕集效率数值模拟研究 53 流通式颗粒过滤器的技术要求.该DPF前端采用脉冲电晕荷电,反应器接地端为内径60 mm、长800 mm 的圆柱形钢管,电极为直径4 mm、长700 mm的不锈钢圆柱;后端采用高压直流电晕凝并,反应器为6个集 尘管并联,每个集尘管的接地极为内径20 mm、长500 mm的不锈钢管,电极为直径4 ITlm、长450 mm的不 锈钢圆柱.从装置结构上看,基于电晕放电的线管式柴油车尾气微粒捕集器具有可再生、背压小的绝对优 势,在柴油车微粒物的捕集方面有很好的发展前景,是目前汽车尾气净化的新方法. 参考文献: [1]郭秀荣,王鹏.微米木纤维纹孔对超微粒子稳态捕集效率的模拟[J].南京林业大学学报(自然科学版),2014(3):98 ~102. [2]阚海东,陈仁杰.PM2.5对人体危害有多大[J].中国经济报告,2015(4):ll4一l16. [3]郭秀丽,贾卫平,亓占丰.柴油机DPF过滤材料研究现状及发展趋势[J].小型内燃机与摩托车,2013(5):82—85. [4]竹涛,陈锐,王晓佳,等.电凝并技术脱除PM2.5的研究现状及发展方向[J].洁净煤技术,2015(2):6—9. [5]马若白,王凯全.电场对粉尘凝并效应的实验研究[J].常州大学学报(自然科学版),2015(2):88—92. [6]杨双,刘乃瑞,杨小献.柴油机尾气中微粒粒径分布特征的实验研究[J].环境工程学报,2014(11):4892—4896. [7]赵磊.脉冲电晕放电烟气中细微颗粒物协同氮氧化物脱除研究[D].杭州:浙江大学,2013. [8]王猛,谭建伟,韩秀坤,等.非道路车用柴油机排放颗粒粒径分布特性研究[J].内燃机工程,2olo(3):44—47. [9]徐飞.脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气多种污染物协同脱除研究[D].杭州:浙江大学,2009. [10]骆仲泱,江建平,赵磊,等.不同电场中细颗粒物的荷电特性研究[J].中国电机工程学报,2014,23:3959—3969. [11]唐敏康,谢金亮.脉冲电晕放电等离子体净化柴油机尾气的应用研究[J].上海汽车,2007(2):24—27. [12]陈鹏.静电除尘器除尘效率影响因素的研究[D].沈阳:东北大学,2009. [13]Zhang C,Shang K,Lu N,et a1.Optimization of discharge types and electrode structure in a c ̄inder discharge reactor with saw—wheel array electrodes[c]//Journal of Physics Conference Series.Journal of Physics Cofnerence Seires.2013:1—5. [14]张洪明.电除尘器效率公式——多依奇(Deutsch)公式的应用与分析[J].山东电力技术,2001(6):63—65. [15]Xiao G,Wang X H,Zhang J P,etc.Characteristics of DC discharge in a wire—cylinder cofniguration at high ambient tem. peratures[J].Journal fo Electrostatics,2014,72(1):13—21. [16]郭秀荣,梁中钰,杜丹丰,等.基于阻力的齿轮型木纤维尾气微粒捕集器滤芯设计及试验[J].农业工程学报,2015(5): 65—70. [17]中华人民共和国环境保护部.HJ451-2008环境保护产品技术要求柴油车排气后处理装置[s].北京:中国环境科学 出版社,2008.