摘要：铁路隧道内清筛作业中柴油机车排放尾气中含有大量的颗粒物， 由于隧道内通风差， 颗粒物无法及时有效地排出隧道， 严 重危害现场作业人员的身体健康。为此， 基于气水混合离子技术， 利用凝并作用去除颗粒物， 设计了一种应用于柴油机车尾气的 净化装置，探讨不同给水流量、不同放电电压、不同极板间距、不同放置方式和不同针尖个数对装置净化效果的影响。使用气溶胶发 生器产生固态颗粒气溶胶作为污染源， 在 100 L 实验舱中对不同影响因素进行了实验研究， 结果表明： 注射泵水流量为 50 µL/min、 电压为 9 200 V、极板间距为 55 mm、针头个数为 15 个是净化装置的最优设计参数， 不同放置方式无明显差别。该气水混合离子发 生装置可以为净化柴油机尾气颗粒物提供新的方式。

　　关键词：气水混合离子; 柴油机车;颗粒物; 净化效果;设计参数

　　Research on Parameter Optimization of Particle Purification in a Water-fed Gas-water Mixed Ion Generation Device

　　Wu Jingyi ，Li Chunhui ，Li Zhenhai

　　(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092. China)

　　Abstract: The exhaust emissions from diesel locomotives during the cleaning operation in railway tunnels contain a large amount of particulate matter. Due to poor ventilation inside the tunnel, particulate matter cannot be discharged from the tunnel in a timely and effective manner, which seriously endangers the physical health of on-site workers. Therefore, based on the gas-water mixed ion technology, utilizing coagulation to remove particulate matter, a purification device applied to the exhaust gas of diesel vehicles is designed, and the effects of different feed water flow rates, different discharge voltages, different polar plate tip spacings, different placing styles, and different numbers of tips on the purification effect of the device are discussed. Using an aerosol generator to generate solid particulate aerosols as a pollution source, and experimental research on different influencing factors is conducted in a 100 L experimental chamber. The results indicate that: the water flow rate of the syringe pump is 50 µL/min, the discharge voltage is 9 200 V, the electrode plate spacing is 55 mm, and the number of needles is 15 as the optimal design parameters of the purification device. And there is no difference in placement. The gas-water mixed ion generation device can provide anew way to purify diesel engine exhaust particulate matter.

　　Key words: gas-water mixed ion; diesel locomotive; particulate matter; purification effect; design parameters

　　引言

　　柴油发动机因其寿命长、扭矩大等优点被广泛应用 在隧道铁路、矿山矿场等大型施工现场[1]。柴油发动机 尾气的组成十分复杂， 其中主要成分是颗粒物(Particu ‐ late Matter ， PM) 和 氮 氧 化 合 物 (Nitrogen Oxides， NOx)[2]。柴油发动机排放的颗粒物粒径范围在3~10 000 nm 之间[3] ，会对人体呼吸系统、心脑血管系统、神经系统、 生殖系统等造成危害，甚至会造成死亡[4-6]。

　　隧道铁路经长期使用， 道床脏污， 道砟破碎， 对线 路的状态及性能有很大的影响， 需要使用以柴油发动机 为动力的清筛车辆来进行清筛。由于隧道内空间小、通 风差， 柴油机车产生的颗粒物无法有效地排到隧道外， 对隧道内工作人员造成短期的高浓度的暴露风险。因此，对柴油机车尾气颗粒物进行有效净化处理意义重大。

　　当前， 对柴油机车尾气颗粒物处理技术有很多。氧 化型催化转化技术(Diesel Oxidation Catalyst ， DOC) 是 一种成熟有效的方法， DOC 能有效地氧化柴油机排放颗 粒 物 中 的 可 溶 性 有 机 成 分 (Soluble Organic Fractions， SOF)使颗粒物排放减小[7] ，其中对 9~12 nm 的颗粒物的 转化率最高[8] ，但由于颗粒物长期累积沉淀， 使得催化 剂活性受到抑制[9]。颗粒物过滤捕捉技术(Diesel Partic ‐ ulate Filter ，DPF) 是当尾气通过多孔结构时， 颗粒物被 截留在多孔介质表面， 气体分子通过孔隙排放[10]。但随 着颗粒物沉淀累积， 需要通过主动再生或被动再生除去 颗粒物， 都则会影响发动机的正常工作[11]。颗粒物氧化 催化转化技术(Particle Oxidation Catalyst ，POC)是在排气过程中， 碳颗粒物在涂层催化作用下被氧化成二氧化 碳[12] 。 但 POC 单 独 作 用 效 果 不 明 显 ， 需 搭 配 DOC 使 用[13] ，先由 DOC 将一部分颗粒物中的可溶性有机组分去 除， 后由 POC 捕集碳颗粒并氧化来降低碳颗粒的排放颗 粒物。尽管当前柴油机车尾气净化技术有着一定的效果， 但是又存在一定的缺点或局限性。

　　因此本文基于气水混合离子技术， 利用凝并作用去 除颗粒物， 设计一种试验用柴油机车尾气净化装置。以 颗粒物为目标污染物， 探究该装置在不同给水流量、不 同放电电压、不同极板尖距、不同放置方式和不同针尖 个数等影响因素下的净化效果， 为进一步确定该装置在 柴油机车的适应性提供设计基础。

　　1 气水混合离子对颗粒物的净化原理

　　1.1 气水混合离子发生原理

　　气水混合离子发生主要通过外部给水的方式， 在放 电尖端和下极板之间施加高电压， 将针尖水膜破碎， 电 离氧气分子和水分子电离， 形成水合离子(H3O+)、羟 基自由基 (·OH) 和水合电子(eaq- )[14-15]等离子集团。
       1.2 气水混合离子对颗粒物的凝并作用

　　气水混合离子对颗粒物的净化原理主要是凝并作用。 颗粒物在电场作用下荷电后， 通过颗粒间的惯性碰撞、 颗粒扩散、空间电荷力、颗粒间的异极性吸引、颗粒间 或颗粒与壁面的力使微细粒子凝并成较粗的粒子来加以 去除[16]。使用气水混合离子技术除柴油机尾气中的颗粒 物， 则在颗粒物荷电之后进入凝并段， 由于高频交变电 场的作用， 颗粒物的碰撞概率增加， 凝并效率提高[17]。 图 1 所示为颗粒物荷电凝并原理图。

　　2 气水混合离子发生装置的结构设计

　　本文为了研制出应用于柴油机车尾气的净化装置， 采用多组针尖的形式， 如图 2 所示。装置结构包含鲁尔 接头、平口针头、螺柱、上极板、下极板， 金属平口针 头长度为 25 mm， 金属鲁尔接头用于连接 PVC 软管与平 口针头(型号为 30G)， 以保证供水， 上极板用于固定鲁 尔接头及平口针头， 下极板(330 mm×60 mm)包含 5 个 排列均匀的中心圆(直径为 50 mm)， 尼龙螺柱用于连接 不锈钢上极板、下极板。

　　3 实验材料与方法

　　3.1 实验材料

　　气水混合离子对颗粒物的净化实验在 100 L 密封实 验舱(500 mm×500 mm×400 mm)。实验装置如图 3 所示，实验所用仪器及参数如表 1 所示。图中悬挂于箱体中央 的为气水混合离子发生装置。实验过程中通过外部设置 高精密注射泵(ZS100) 持续给水， 利用固态颗粒物发 生器(FSQ-YW-001) 给实验舱内提供颗粒物作为污染 物， 使用高压直流电源为放电尖端和下极板之间施加高 电压。实验过程中采用可吸入颗粒分析仪(TSI-8532) 实时记录颗粒物质量浓度。由于高压电离空气会产生 臭氧， 因此在实验舱内设置二氧化锰滤网(150 mm× 100 mm×10 mm)用于催化分解臭氧[18] ，并使用泵吸式臭氧 检 测 仪(GT903-K-03) 对舱体内臭氧浓度进行实时监控。指针式电流表(85C1-A) 实时显示高压环路的电流 ，用于观察放电强度.

　　3.2 实验方法

　　实验开始时打开固态颗粒物发生器， 使 100 L 实验 舱内的颗粒物质量浓度达到 145 mg/m3 左右后，关闭烟雾 输送管的阀门，通搅拌风扇使颗粒物分布均匀;打开高精 密注射泵及可吸入颗粒分析仪，打开高压直流电源使气水 混合离子发生装置开始放电。可吸入颗粒分析仪每 5 s 测 定并记录一次颗粒物的质量浓度， 连续测定 180 s 后打开 实验舱;每个不同的条件进行 3 次重复实验，取平均值。

　　3.3 衰减常数

　　利用衰减常数来评价气水混合离子对颗粒物的净化 效果。每次实验时间为 180 s， 每 30 s 计算一次衰减常 数， 衰减常数计算如下[19]：

　　式中： k 为使用气水混合离子装置条件下实验舱内颗粒 物的总衰减常数， /min;ρ0 为颗粒物初始时刻的质量浓 度，mg/m3;ρt 为颗粒物某一时刻 t 的质量浓度， mg/m3 ;t 为测试时间，min。

　　4 结果与分析

　　4.1 注射泵水流量对颗粒物净化效果的影响

　　实验参照静电纺丝用注射器给针头供水， 注射流量 会影响离子产生的速度， 当气水混合离子的产生速度大 于消耗速度时， 会造成水资源的浪费; 若气水混合离子 产生速度小于消耗速度， 则颗粒物净化速度受限。因此 要研究注射泵水流量对颗粒物净化效果的影响。设置注 射流量分别为 10 、30 、50 、70 、90 、 100 µL/min。表 2 所示为实验工况参数。

　　不同注射泵水流量对颗粒物净化效果的影响如图 4 所示。从净化效果曲线来看， 50 µL/min > 90 µL/min > 100 µL/min > 30 µL/min > 70 µL/min > 10 µL/min。通过 式(1)， 每 30 s 计算一次颗粒物衰减常数 k，在 50 µL/min 的流量下，k 值最高为 2.45.说明净化效果最好。综合考 虑净化速度和节省水量这两个因素， 在后期装置参数选 择时， 注射流量为 50 µL/min。

　　4.2 电压大小对颗粒物净化效果影响

　　根据相关研究表明[20] ，净化效果与电压存在正相关 关系， 随着电压的增大， 净化效果显著增强， 但能耗也 显著增加。为探究电压对多针组合装置净化效果的影响， 设置电压分别为 5 000 、6 400 、7 800 、9 200 V 进行测 试。实验工况参数如表 3 所示。

　　颗粒物净化曲线及衰减常数如图5 所示。经过180 s 的 净化，在 5 000 V 的电压下，颗粒物终浓度为 44.6 mg/m3. 而在 9 200 V 时的终浓度仅为 0.60 mg/m3.通过计算， 在 5 000 、6 400 、7 800 、9 200 V 时的衰减常数 k 分别为 1.84 、2.03 、2.17 和 2.29.上述结果均表明随着电压的增 大， 颗粒物浓度迅速下降。电压增加时， 极板间的平均 电势增大， 电离程度更剧烈， 从而产生更多的气水混合 离子，使净化速度变快。

　　4.3 极板间距对颗粒物净化效果影响

　　通过在针尖与下极板之间外加强电场， 电离水和空 气， 进而形成气水混合离子净化颗粒物。针板间距影响 着电场分布及电场强度[21] ，进而影响气水混合离子的产 生速度， 因此针板间距影响装置对颗粒物的净化效果。 由于金属平口针头与上极板固定连接， 调节针尖与下极 板间的距离， 需要调节上下极板之间连接的螺柱， 所以 探究极板间距的影响来代替针板间距的影响。表 4 所示 为极板间距对颗粒物净化效果影响实验工况参数。

　　根据图 6 所示， 随着极板间距增大， 净化速度先增 大后减小， 当极板间距为 55 mm 时， 衰减常数 k 最大为 2.40. 对颗粒物的净化速度最快。这可能是由于针板间 距过近时， 导致两极之间被电场击穿， 或水分子和空气 分子还未被电离就已经穿过下极板， 从而气水混合离子 产生较少， 导致净化效果不明显; 而随着针板间距过大 时， 两极间的电场强度降低， 气水混合离子被电离的数 量减少， 也会减弱净化效果。因此当极板间距在 55 mm 时，对颗粒物的净化速度最快。

　　4.4 放置方式对颗粒物净化效果影响

　　气水混合离子发生装置的放置方式有 3 种： 正放、 倒放和侧放， 如图 7 所示。气水混合离子的发生通过高 压电作用于针尖， 针尖里的水会向下极板的方向形成泰 勒锥， 不同的针尖方向， 泰勒锥的形状也将受到影响。 当正放时， 重力向下与泰勒锥的形成方向相同， 可以促 进泰勒锥的形成， 进而影响气水混合离子的产生。当倒 放或者侧放时， 可能会对泰勒锥的形成造成影响。相关 研究使用的放电尖端的长度约为 8 mm，且使用半导体冷 凝集水， 而本研究中使用的长度为 25 mm， 使用注射泵 给水方式。因此，放置方式对净化效果的影响尚未可知， 需进一步探究， 这也为应用在柴油机车上提供结构设计 依据。实验工况参数如表 5 所示。

　　正放、倒放和侧放的气水混合离子发生装置的净化 曲线和衰减常数如图 8 所示。 3 种放置方式的净化速度大 致相同， 衰减常数 k 分别为 2.35 、2.41 和 2.37.由此可 知， 通过注射泵给水的方式， 正放、倒放和侧放对泰勒 锥的形成影响无区别， 产生气水混合离子的速度相近， 从而净化效果相差很小。

　　4.5 针尖个数对颗粒物净化效果的影响

　　各个针尖放电产生气水混合离子是一个独立的部分， 各部分互不干扰。针尖个数越多，对颗粒物的净化效果越 好，净化速度越快。结合应用在柴油机车的净化装置的结 构，可放置多组针尖，以便提高净化效率，因此探究针尖 个数对颗粒物净化效果的影响，实验工况参数如表6所示。

　　图 9 结果显示， 随着针尖个数的增加， 气水混合离 子产生的越多， 净化速度显著加快。通过衰减常数 k 可 知，0~30 s 和 30~60 s 时， 15 个针尖的 k 最高，分别为 1.98 和 3.88; 之后 4 个区段， 10 个针尖的 k 最高分别为 3.03、3.07 、2.99 和 2.66.这是 因为实验舱内设定的颗 粒物浓度约为 145 mg/m3. 15 个针尖在 90 s 时， 净 化 后 浓 度 低 至 1 mg/m3. 之后缓慢地降低。整体 比较而言， 15 个针尖的 净化速度最快。

　　5 结束语

　　本研究针对隧道内柴油清筛车排放的颗粒物， 基于 气水混合离子技术， 利用凝并作用去除颗粒物， 设计出 一种试验用柴油机车尾气净化装置。此装置相较于已有 的柴油机尾气净化装置， 有着阻力小、易清洗的优点。 为确定净化装置中气水混合离子发生装置的参数， 探究 该装置在不同给水流量、不同放电电压、不同极板尖距、 不同放置方式和不同针尖个数影响因素下的净化效果， 开展了实验探讨，得出如下结论。

　　( 1) 通过控制变量法实验及计算衰减常数， 得到注 射泵水流量为 50 µL/min、电压为 9 200 V、极板间距为 55 mm、针头个数为 15 个是最优设计参数。

　　(2) 结果表明 3 种放置方式方式无明显差别， 由于 后续设计净化装置样机侧放更合适， 因此本文选择侧放 方式设计。

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