一种提高挥发性粒子去除及颗粒物通过效率的尾气预处理装置及方法与流程

本发明涉及机动车尾气挥发性颗粒物去除，具体涉及一种提高挥发性粒子去除及颗粒物通过效率的尾气预处理装置及方法。

背景技术：

1、移动源尾气排放是颗粒污染的最主要来源之一，精准测量机动车排放超细颗粒物数浓度对于大气颗粒物污染防控至关重要。机动车排放颗粒具有粒径小（1 nm-1 μm）、数浓度高的特点，其中包括挥发性与半挥发性颗粒物以及非挥发性黑炭固体颗粒物。研究表明，最新的机动车排放中10 nm-23 nm颗粒物在总颗粒物数浓度中具有较高的占比，且基于蒸发管的挥发性粒子去除装置去除效率较差，挥发性颗粒物经过蒸发管后会重新成核形成小于23 nm的挥发性颗粒物，这些重核的颗粒物将严重影响测量数据的准确性。因此，最新的欧7排放法规将23 nm粒径检测下限降至10 nm，并对挥发性粒子去除器（便携式设备中称为尾气预处理装置）提出新的性能要求，主要为颗粒物通过效率与挥发性粒子去除效率。

2、由于机动车尾气排放的超细颗粒物中含有挥发性与半挥发性颗粒物，这对尾气中的非挥发性颗粒物测量有很大的影响。挥发性、半挥发性颗粒可冷凝成核或附着在非挥发性颗粒物上，以此改变非挥发性颗粒物的粒径大小、分布与数浓度测量。因此，在测量机动车尾气颗粒物数浓度时，应首先对尾气中的挥发性、半挥发性颗粒进行去除，降低其对测量结果的影响。欧6与国6机动车排放法规中已表明了挥发性粒子去除器（volatile particleremover，vpr）的组成以及性能要求，组成包括一级稀释器、蒸发管（evaporation tube，简称et）以及二级稀释器。其中，一级稀释器稀释比至少大于10且加热温度大于180 ℃，蒸发管温度大于350 ℃，用于蒸发尾气中的挥发性与半挥发性颗粒物至气态，二级冷稀释不做稀释比要求，用于将高温尾气冷却至常温，同时通过降低蒸汽饱和度的方式阻止挥发性与半挥发性颗粒再成核，以达到去除的目的。然而，蒸发管需要较高的稀释比，以达到去除挥发性与半挥发性颗粒物的目的，并且极易在vpr下游再成核，这将导致错误的测量结果。

3、为了抑制再成核现象，新的两种挥发性粒子去除装置得到发展与应用，其中一种为基于活性炭吸附的热扩散管（thermodenuder，简称td），另一种为欧七排放法规要求使用的，基于贵金属催化氧化的催化分离器（catalytic stripper，简称cs）。td包括解析管与吸附管两部分，其中解析管将尾气加热至350 ℃，吸附管中充满活性炭用于吸附在解析管中被加热至气态的挥发性与半挥发性颗粒。这种方式可以彻底吸附并去除挥发性颗粒，然而活性炭需定期更换，且热扩散管体积较大，难以满足便携化集成化需求。中国专利cn115356184a公开了一种集成热稀释的热扩散管装置，该装置优化了体积，但仍然远大于市面上出售的商业化催化分离器装置，并且受限于挥发性颗粒去除原理，热扩散管去除效率远低于催化分离器。cs管内部集成以固态蜂窝为基底，涂覆催化涂层的催化氧化剂，挥发性颗粒经过cs后发生催化氧化反应生成co2和h2o，以达到完全去除的目的。cs核心模块极小，整体结构易于集成，便携性较好，且具有极高的挥发性粒子去除效率，然而，由于蜂窝状结构以及后端散热铜管引起的热泳损失，cs的通过效率低于et和td。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种提高挥发性粒子去除及颗粒物通过效率的尾气预处理装置，该装置能够解决现有技术中的不足，采用催化分离器结合平板型抗热泳电迁移分级装置，对带电颗粒物施加电场力以抵抗热泳力，进一步提高颗粒物通过效率，保证催化分离器具有极高的挥发性粒子去除效率。同时，该装置具有对高温样流降温并稀释的目的，省去传统挥发性粒子去除器中的二级冷稀释，具有较好的便携性。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种提高挥发性粒子去除及颗粒物通过效率的尾气预处理装置，该装置包括：荷电器、催化分离器和电迁移分级器。

4、所述催化分离器包括分离器腔体、设置在所述分离器腔体一端的催化分离器进口、套设在所述分离器腔体外侧的加热套、设置在所述分离器腔体内的催化模块以及设置在所述分离器腔体另一端的一体化结构件；所述一体化结构件，同时作为催化分离器的出口与电迁移分级器的入口使用，一体化结构件的两个端面分别采用一石墨垫片与所述催化分离器、所述电迁移分级器进行密封配合。一体化结构件的两个端面分别采用一石墨垫片与所述催化分离器、所述电迁移分级器进行密封配合；催化分离器样气出口与电迁移分级器样气入口采用一体化结构件设计，能够尽可能减小颗粒物在连接处的热泳损失。

5、所述电迁移分级器包括电迁移腔体和设置在所述电迁移腔体上的鞘气入口；所述电迁移腔体的一端与所述一体化结构件相连，另一端设置有电迁移分级器出口。

6、颗粒物经所述荷电器处理后形成带电颗粒物，再经所述催化分离器加热至高温状态后进入电迁移分级器；高温状态的带电颗粒物作为热端，电迁移分级器的内壁作为冷端，热端与冷端形成温度差，温度差产生热泳力作用在带电颗粒物上，使带电颗粒物向靠近电迁移分级器内壁的方向移动；所述电迁移分级器上施加电压形成电场，电场产生的电场力用于抵抗热泳力以及使带电颗粒物偏转。热泳力会使颗粒物沉积在电迁移分级器内壁上，为了避免颗粒物沉积，通过电场力来抵抗热泳力。

7、所述催化分离器，将进入其中的带电颗粒物加热至高温状态，在离开催化分离器后，高温颗粒物作为热端，与作为冷端的电迁移分级器的结构内壁形成温度差，温度差产生热泳力作用在颗粒物上，使颗粒物向内壁方向移动，进而沉积；所述电迁移分级器，在电场筛分区域施加与颗粒物带电极性相反的电压，产生与上述热泳力相反方向的电场力，用于抵抗热泳力，进而减小颗粒物的热泳损失。所述高温状态为350摄氏度。

8、根据本发明优选的，所述荷电器采用单极性扩散荷电器；所述电迁移分级器采用平板型抗热泳电迁移分级器。

9、根据本发明优选的，所述催化模块采用蜂窝结构，具有多个通孔，所述通孔的孔壁上涂覆有催化涂层；所述蜂窝结构的直径为25 mm，长度为40 mm，目数为200。

10、根据本发明优选的，所述分离器腔体采用不锈钢材质；所述分离器腔体与所述一体化结构件之间设置有第一石墨垫片。

11、根据本发明优选的，所述催化分离器进口与所述分离器腔体焊接相连。

12、根据本发明优选的，所述加热套，用于对催化分离器主体进行加热；所述加热套内置k型热电偶；所述热电偶，用于测量并反馈实时温度。

13、根据本发明优选的，所述一体化结构件与所述分离器腔体之间采用螺纹配合并用第二石墨垫片密封。

14、根据本发明优选的，所述电迁移腔体包括平行间隔设置的第一极板与第二极板以及分别设置在第一极板与第二极板的两端同一端部之间的第一端盖与第二端盖；所述第一极板、第二极板、第一端盖和第二端盖围成一空腔，作为电迁移腔体；所述第一极板为接地电极；所述第二极板上设置有高压电极；所述一体化结构件和所述鞘气入口安装在所述第一端盖上；所述电迁移分级器出口安装在所述第二端盖上；所述第一盖板与所述第一极板、第二极板之间以及所述第二盖板与第一极板、第二极板之间均设置有密封圈；所述高压电极为印刷电路板，其与所述第二极板间采用fr-4绝缘材料绝缘。

15、根据本发明优选的，所述鞘气入口处设置有多孔烧结金属块和层流筛网；

16、所述多孔烧结金属块和所述层流筛网，用于实现鞘气气流的层流。

17、本发明还包括一种上述提高挥发性粒子去除及颗粒物通过效率的尾气预处理装置的预处理方法，该方法包括以下步骤：

18、s1、机动车尾气经采样后进入荷电器，在荷电器的作用下，尾气中的颗粒物携带电荷，成为带电颗粒物；所述带电颗粒物包括挥发性颗粒物、半挥发性颗粒物和非挥发性固体颗粒物。机动车尾气通过采样管采集首先进入单极性扩散荷电器，尾气中挥发性、半挥发性颗粒物以及非挥发性颗粒物在此处携带电荷并进入催化分离器。

19、s2、带电颗粒物进入催化分离器后，被加热至高温状态，其中的挥发性颗粒物与半挥发性颗粒物被蒸发至气态。优选的，高温状态为350 ℃。

20、s3、蒸发至气态的挥发性颗粒物与半挥发性颗粒物，经过催化模块后发生催化还原反应，生成co2和h2o，被完全去除。

21、s4、剩余的非挥发性固体颗粒物离开催化分离器后，随气流以高温状态进入电迁移分级器。

22、s5、高温样流（包含非挥发性固体颗粒物的气流）进入电迁移分级器后，与鞘气入口通入的常温鞘流汇合并维持层流状态，样流中的非挥发性固体带电颗粒物与样流一同被压缩在接地电极一侧，其中，高温带电颗粒物为热端，电迁移分级器的内壁为冷端，热端与冷端之间形成温度差，由温度差引起的热泳力作用在颗粒物上，使颗粒物向靠近电迁移分级器内壁的方向移动。

23、s6、电迁移分级器施加电压，形成高压电场，带电颗粒物受到的电场力与带电颗粒物的极性相反；在电场力的作用下，带电颗粒物受到的热泳力被部分抵抗，带电颗粒物在电场中发生偏转。电迁移分级器中产生的高压电场力，用于抵抗颗粒物所受的相反方向上的热泳力，以此达到降低热泳损失、避免颗粒物沉积的作用。

24、带电颗粒物受电迁移分级器中高压电极端电场力的吸引，在电场中发生偏转。在偏转过程中，需要同时抵抗高温颗粒物受到的指向接地面的热泳力，降低颗粒物受热泳力沉积在壁面的概率，进一步提升颗粒物通过效率。

25、s7、样流与鞘流混合后，带电颗粒物离开电迁移分级器，并被后端颗粒物数浓度测量装置采样测量。

26、fr-4平板型抗热泳电迁移分级器在提高颗粒物通过效率的同时，对高温样流降温并稀释。增大平板型抗热泳电迁移分级器电压，可以实现秒级10 nm或23 nm以下颗粒物去除，结合后端数浓度检测仪实现秒级10 nm-23 nm区间颗粒物数浓度测量。

27、和现有技术相比，本发明的优点为：

28、（1）本发明能够提高颗粒物经过催化分离器时的通过效率，用于机动车尾气中挥发性与半挥发性颗粒物的去除。该装置能够对机动车尾气进行预处理，包括稀释降温以及挥发性与半挥发性颗粒物去除，从而使机动车尾气颗粒物数浓度测量结果更加精准。该装置由催化分离器与平板型抗热泳电迁移分级器组成，机动车尾气经催化分离器去除挥发性与半挥发性颗粒后，在平板型抗热泳电迁移分级器中稀释并降温，同时降低颗粒物损失。该装置满足法规中对机动车尾气颗粒物数浓度测量前的尾气预处理功能，具有结构小、高度集成的优势，可应用于机动车尾气的便携式实时测量场合。

29、（2）相较于现有的催化分离器，本发明可以在较低流量的样流下维持较高的颗粒物通过效率；现有的催化分离器不具备提升颗粒物通过效率的能力，本发明通过集成催化分离器与平板型、抗热泳的电迁移分级器，采用电场力抵抗热泳力的方式提高颗粒物的通过效率；催化分离器结合抗热泳电迁移分级器，可以对样流进行稀释同时在短距离下降低样流的温度至可测量水平。

30、（3）本发明的催化分离器前端集成一个单极性扩散荷电器，颗粒在进入催化分离器前进行荷电。带电的挥发性颗粒物在催化分离器中被加热至气态，随即丢失电荷，在高浓度下未被催化分离器去除的挥发性颗粒物由于已丢失电荷，在后端抗热泳电迁移分级器处将因热泳损失而进一步被去除，相当于去除效率进一步提高。本发明通过进一步提高电场强度，可以实现10 nm或23 nm以下颗粒物去除，从而助力实现高时间分辨率下10 nm或23nm以上颗粒物数浓度交替测量，进一步测量得到10 nm-23 nm区间颗粒物数浓度。