文/蔣旭東 莫志遠(yuǎn) 王遠(yuǎn)書 李煒 邵善根

根據(jù)國(guó)際環(huán)保組織自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)（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(fù)荷行駛，一天排放的PM2.5相當(dāng)于50萬(wàn)輛使用國(guó)四油品的貨車。中國(guó)近12萬(wàn)艘船舶的廢氣污染，這些一直被漠視的污染源，其嚴(yán)重程度不亞于陸上的火電廠、機(jī)動(dòng)車。一份來(lái)自香港大學(xué)的研究論文《船舶排放對(duì)珠三角地區(qū)健康影響評(píng)估》顯示，2008年船舶廢氣造成香港1202人過(guò)早死亡。船舶尾氣尤其是碳顆粒物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大危害，對(duì)船舶尾氣顆粒物的治理迫在眉睫！DPF技術(shù)已經(jīng)成為改善在用道路及非道路柴油機(jī)械尾氣顆粒物排放的重要手段之一，對(duì)于輪船行業(yè)的尾氣顆粒物排放鮮有合適的技術(shù)路線應(yīng)用。本文介紹的主動(dòng)式靜電吸附DPEF產(chǎn)品不僅可以用于新輪船的前裝市場(chǎng)，同時(shí)也可以用于在用輪船的PM深度治理的改造升級(jí)，其產(chǎn)業(yè)化的社會(huì)意義巨大，一旦被市場(chǎng)接受，將是惠及中國(guó)輪船空氣環(huán)境深度治理的主要技術(shù)路線之一。

一、主動(dòng)式靜電吸附的應(yīng)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(tǒng)中，通過(guò)過(guò)濾來(lái)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(shù)，捕集效果良好且已被廣泛應(yīng)用；DPF的結(jié)構(gòu)會(huì)造成背壓升高，船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)背壓十分敏感，幾個(gè)Kpa的背壓升高就會(huì)使其停止工作，限制了DPF在船舶上的應(yīng)用；Diesel Particulate Electrostatic Filters，靜電吸附式尾氣凈化器的英文全稱，簡(jiǎn)稱DPEF。其核心部件是靜電吸附裝置（亦稱高壓靜電場(chǎng)）與主動(dòng)再生裝置，合肥寶發(fā)公司已開(kāi)發(fā)出一款已投入應(yīng)用的顆粒物電捕集器（DPEF），利用高電壓電暈放電使柴油機(jī)顆粒物荷電，并在電場(chǎng)中收集使用電加熱方式去除。相比于傳統(tǒng)DPF技術(shù)，DPEF幾乎不存在壓降，不影響船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，捕集效率高，可以達(dá)到95%；該裝置對(duì)于DPEF系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用和船舶尾氣治理具有迫切且重要的意義；

二、船用主動(dòng)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(chǎng)中依據(jù)同性相斥異性相吸原理吸附在集塵筒壁上。技術(shù)路線采用電暈效應(yīng)，將柴油尾氣中的碳煙顆粒通過(guò)靜電作用產(chǎn)生磁性，最終被筒壁所吸附，對(duì)顆粒物的捕集效率高達(dá)99%，高效控制空氣污染。經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的靜電過(guò)濾單元及輔助處理單元，在電場(chǎng)力作用下，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)原理直接處理排氣污染廢氣，可高效減少?gòu)U氣中的微小粉塵顆粒、炭黑等固體顆粒物。當(dāng)放電尖端為陰極時(shí)，產(chǎn)生的電暈稱負(fù)電暈，產(chǎn)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(fā)射而產(chǎn)生的。DPEF可捕集懸浮微粒、柴油燃燒過(guò)程的煙塵顆粒，該系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)與世界各地安裝在發(fā)電廠的灰燼靜電除塵器過(guò)濾器（電過(guò)濾器）采用的物理原理和技術(shù)相同。這種靜電過(guò)濾式系統(tǒng)裝置可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓降到最低，低于柴油顆粒過(guò)濾器（DPF）所引發(fā)的高背壓。DPEF主要有5大部件組成，高壓靜電場(chǎng)系統(tǒng)、高壓電源、絕緣及吹掃系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；DPEF電捕集器綜合靜電吸附除塵與濾芯擴(kuò)散、攔截、碰撞機(jī)理除塵的多重作用，增強(qiáng)捕集顆粒物效果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力損失小，DPEF電捕集器效果好、可靠的優(yōu)點(diǎn)，適宜推廣。

（2）高壓靜電場(chǎng)系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)的原理：DPEF作為一種高效節(jié)能的黑煙凈化設(shè)備，具有除塵效率高、煙氣處理量大、設(shè)備能耗低、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。管式靜電除塵器布置形式靈活，不受場(chǎng)地限制，單電場(chǎng)除塵效率更高。電暈極系統(tǒng)是靜電除塵器設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵部件，直接決定著電場(chǎng)的強(qiáng)弱與除塵效率的高低，其中電暈線的幾何形狀和尺寸對(duì)電場(chǎng)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(chǎng)、減少筒壁距離、增加絕緣可靠性能等方法來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。

圖二，高壓靜電場(chǎng)系統(tǒng)

圖三，兩級(jí)排氣系統(tǒng)

為了增加DPEF對(duì)柴油顆粒物PM的捕集效果，經(jīng)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，兩級(jí)或多級(jí)的筒體電場(chǎng)捕集效果明顯由于單級(jí)筒體電場(chǎng)捕集效果，若發(fā)生某個(gè)電源系統(tǒng)故障的情況下，1個(gè)電場(chǎng)即便喪失功能，對(duì)多個(gè)筒體電場(chǎng)的整體而言其捕集效果并沒(méi)有明顯的損失。但如果是單個(gè)電場(chǎng)，則會(huì)整體性的喪失捕集效果。所以，排氣系統(tǒng)應(yīng)考慮優(yōu)先使用多級(jí)筒體電場(chǎng)。

（3）主動(dòng)再生燃燒的工作原理：車載顆粒物燃燒器系統(tǒng)是利用柴油點(diǎn)火或電加熱對(duì)顆粒物進(jìn)行積碳的燃燒，這里簡(jiǎn)單介紹點(diǎn)火燃燒的工作原理。通過(guò)電源加熱棒對(duì)高壓柴油進(jìn)行加熱、點(diǎn)燃，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的顆粒物進(jìn)行徹底的燃燒消化，使得靜電吸附系統(tǒng)帶上燃油再生功能，將會(huì)大大提高該靜電吸附系統(tǒng)的反復(fù)應(yīng)用意義。設(shè)計(jì)噴油燃燒器，與車載靜電吸附產(chǎn)品進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，利用控ECU控制兩者的運(yùn)行，當(dāng)靜電吸附捕捉不了黑煙PM顆粒物時(shí)，自動(dòng)控制方式實(shí)施噴油再生工作，同時(shí)需要確保系統(tǒng)工作的安全性。智能控制ECU技術(shù)對(duì)主動(dòng)再生燃燒過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)表征控制，優(yōu)化燃燒效率，而且排放水平能滿足國(guó)家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求。通過(guò)研發(fā)帶噴油再生方案的燃燒器控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)靜電吸附的產(chǎn)業(yè)化。在確保內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性（不同工況點(diǎn)）的基礎(chǔ)上，提升其經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)降低了內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放等，確保傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放能達(dá)到或優(yōu)于當(dāng)前排放的標(biāo)準(zhǔn)以上。燃燒精準(zhǔn)表征控制原理如下：

三、主動(dòng)式靜電吸附產(chǎn)品實(shí)際使用后的性能指標(biāo)

①輪船柴油尾氣PM排放值低于GB36886-2018標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)格的0.5 m-1的技術(shù)要求；②柴油機(jī)械的動(dòng)力始終不會(huì)出現(xiàn)類似裝配DPF產(chǎn)品后的動(dòng)力嚴(yán)重?fù)p失現(xiàn)象，且產(chǎn)品不堵塞是其產(chǎn)品重點(diǎn)特征，也是當(dāng)下DPF技術(shù)的死穴；③PM顆粒物的過(guò)濾效果高于95%，達(dá)到了DPF相同的過(guò)濾效果，是目前唯一在實(shí)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(shù)所無(wú)法凈化的柴油油滴（白煙）、機(jī)油油滴（藍(lán)煙），這是該產(chǎn)品的又一個(gè)遠(yuǎn)勝于DPF產(chǎn)品的重要特點(diǎn)。

電控ECU的控制邏輯圖/電路圖

四、主動(dòng)式靜電吸附研發(fā)成功將有利于輪船尾氣顆粒物治理的技術(shù)推廣

道路國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)及非道路國(guó)四加嚴(yán)了對(duì)顆粒物的排放要求，因此DPF是國(guó)六階段需要采用的路線。一直以來(lái)，輪船無(wú)法應(yīng)用DPF產(chǎn)品作為當(dāng)前PM顆粒物治理，市場(chǎng)急需一種實(shí)用的技術(shù)。輪船后處理技術(shù)路線不能完全照搬車用柴油車治理的經(jīng)驗(yàn)。為此，合肥寶發(fā)公司實(shí)現(xiàn)技術(shù)攻關(guān)的主動(dòng)式靜電吸附成果，對(duì)我國(guó)輪船尾氣的環(huán)保排放達(dá)標(biāo)意義重大，由于解決了堵塞等重大質(zhì)量隱患，對(duì)陷入DPF堵塞困境的我國(guó)輪船產(chǎn)業(yè)帶來(lái)發(fā)展機(jī)遇，創(chuàng)新走出柴油機(jī)械產(chǎn)業(yè)的新思路、新出路、新效益，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。下一步，應(yīng)積極主動(dòng)的參與道主動(dòng)式靜電吸附的行業(yè)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的編制，主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)行、先進(jìn)性和適宜性。以實(shí)現(xiàn)通過(guò)技術(shù)來(lái)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最終目的。