船用柴油機(jī)尾氣噴淋系統(tǒng)凈化顆粒物試驗(yàn)及氣液分離模擬研究*

范宇航 羅 力 倪培永 鄧 勇 喜冠南

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

柴油機(jī)尾氣成分復(fù)雜，有碳?xì)浠衔铩⒌趸?、顆粒物及硫化物等[1]，對人體呼吸道危害最大的是顆粒物。因此，對柴油機(jī)尾氣顆粒物凈化至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外尾氣顆粒物機(jī)外凈化采用的方式主要有顆粒物過濾、催化轉(zhuǎn)化、靜電分離和機(jī)械力分離[2]。顆粒物過濾器已廣泛應(yīng)用于國六車用柴油機(jī)，但由于成本高、背壓大等原因，并未在船用柴油機(jī)上廣泛應(yīng)用[3]；催化轉(zhuǎn)化往往要用重金屬來做催化劑，而且對顆粒物的減排效果有限；靜電分離效果明顯但存在需要直流高壓電源、集塵區(qū)要及時(shí)清理等缺陷[4]；機(jī)械力分離有慣性分離和離心力兩種，但柴油機(jī)尾氣顆粒物粒徑大部分都低于10 μm，機(jī)械力分離效果有限[5]。

尾氣噴淋系統(tǒng)目前在國內(nèi)有兩種主要形式(文丘里管噴淋吸附和噴淋塔吸附)。文丘里管式洗滌器主要是使煙氣發(fā)生匯聚和發(fā)散的設(shè)備，尾氣在收縮段加速運(yùn)動。當(dāng)液體在氣流速度最高的喉管位置注入時(shí)，由高速運(yùn)動的煙氣引起的湍流將液體霧化成小液滴，從而增大了傳質(zhì)反應(yīng)發(fā)生所必須的表面積。在文丘里管式洗滌器內(nèi)壓降越高，意味著液滴越小、接觸表面積越高，但這是以較高的功耗和運(yùn)行成本為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的[6]。噴淋塔是結(jié)構(gòu)形式最簡單的洗滌設(shè)備，由帶有噴嘴的塔組成，這些噴嘴產(chǎn)生與尾氣進(jìn)行傳質(zhì)反應(yīng)的小液滴。當(dāng)使用循環(huán)洗滌水、漿液時(shí)通常使用噴淋塔。隨著尾氣凈化技術(shù)的發(fā)展，噴淋塔在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝設(shè)計(jì)上也得到了不斷的發(fā)展，如傳統(tǒng)的噴淋塔結(jié)構(gòu)是尾氣沿垂直于洗滌塔軸線的方向進(jìn)入塔體，現(xiàn)代工藝經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝設(shè)計(jì)改進(jìn)后，尾氣沿洗滌塔壁面切線方向進(jìn)入塔體。

目前，國內(nèi)外主要是通過經(jīng)驗(yàn)公式對兩相分離器進(jìn)行設(shè)計(jì)和相關(guān)試驗(yàn)的研究，在仿真分析方面也取得了一定的研究成果[7]，但試驗(yàn)對比較薄弱。本研究根據(jù)噴淋碰撞凝結(jié)分離模型和顆粒物/液滴/氣體分離理論，通過文丘里管噴淋吸附微小顆粒物，形成粒徑大的混合物液滴，再利用慣性分離的碰撞凝結(jié)原理，把氣固兩相流分離轉(zhuǎn)化為氣液兩相流分離，提升了機(jī)械力分離的凈化效率，據(jù)此設(shè)計(jì)出一種帶有擋板結(jié)構(gòu)的新型柴油機(jī)尾氣顆粒物凈化裝置。同時(shí)，通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證該裝置的可行性和凈化效率，并與兩相流分離的模擬數(shù)值進(jìn)行對比分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 凈化裝置

凈化裝置包括噴淋吸附管道、高速離心機(jī)和氣液分離箱。其中，噴淋吸附管道為直徑180 mm的不銹鋼圓管，頂部焊接3個直徑8 mm的噴淋管道，采用1.8 mm口徑的精細(xì)霧化噴嘴，噴淋總量為0.30 kg/m3；噴淋吸附管道正下方焊接直徑10 mm的排污管道，可噴淋吸附洗滌通過的柴油機(jī)尾氣。高速離心機(jī)選裝750 W的離心機(jī)(Y5-47型)，轉(zhuǎn)速可達(dá)2 800 r/min，其作用是減小尾氣壓力損失。根據(jù)流體力學(xué)原理，在氣液分離箱中設(shè)置能形成回流的倒角翅片，18個翅片構(gòu)成一個擋板，每個擋板之間設(shè)置4 mm的間距，利用慣性碰撞凝結(jié)原理進(jìn)行氣液分離。氣液分離箱箱體尺寸為500 mm×498 mm×490 mm，底部設(shè)置排污管道。

1.2 試驗(yàn)臺架和方法

試驗(yàn)對象為一臺中小型漁船上的柴油機(jī)(T6138ZLCZu型)，額定功率290 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，燃油噴射角度19°，額定工況下進(jìn)氣流量2 165 kg/h。為保證試驗(yàn)測量的準(zhǔn)確性，在排氣管道中間位置[8]開出分流口，插入測試探頭。測試探頭連接不透光煙度計(jì)(AVL DiSmoke 4000型)，測量不透光度和光吸收系數(shù)。選取一條柴油機(jī)推進(jìn)曲線，多次測量取平均值。

根據(jù)不透光度和光吸收系數(shù)，查不透光度煙度值對照表獲得煙度(Rb，BSU)，并通過經(jīng)驗(yàn)公式(見式(1)[9])計(jì)算顆粒物質(zhì)量濃度(Cm，mg/m3)。

(1)

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

分離區(qū)計(jì)算模型尺寸為21 mm×10 mm×128 mm。利用ANSYS的Mesh模塊對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)劃分[10]，網(wǎng)格尺寸均值設(shè)為2 mm，網(wǎng)格劃分最終確定數(shù)量為124 887。本研究著重關(guān)注氣液兩相流動分離現(xiàn)象，首先將尾氣作為純凈空氣處理。水力直徑取0.468 m，計(jì)算雷諾數(shù)為5×104，選用k—ε湍流模型模擬流動過程[11]。由于柴油機(jī)尾氣排量為1 415 m3/h，液滴體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣相體積的10%，因此選用離散相模型對液相進(jìn)行行為描述[12]。

2.2 計(jì)算方法和邊界條件

由于液滴主要與分離器翅片壁面以慣性碰撞聚結(jié)方式進(jìn)行分離，對壁面要求分析得更精確，所以在近壁區(qū)選用具有較高精度和穩(wěn)定性的SSTk—ε湍流模型[13]，液滴與尾氣氣流在噴淋吸附管道內(nèi)呈垂直接觸，在分離裝置中離散相與氣相流場不產(chǎn)生擾動[14]，模擬過程中采用連續(xù)相與離散相之間不耦合計(jì)算方法[15]。對液滴采用穩(wěn)態(tài)的追蹤方式，氣相介質(zhì)設(shè)置為理想的空氣，液相介質(zhì)設(shè)置為水。為避免回流，設(shè)置出口為壓力出口[16]。噴淋量分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 kg/m3，入口速度分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s。壁面均采用標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面，壁面對離散相的邊界條件設(shè)置為碰撞即捕捉[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 凈化試驗(yàn)結(jié)果

由表1可見，柴油機(jī)尾氣經(jīng)過凈化后，顆粒物濃度減??；相同工況下凈化前后顆粒物濃度差值隨著功率的增加而增加。顆粒物被液滴吸附，在凈化裝置中液滴的壁面捕捉效率近似可視為顆粒物的凈化效率[18]。可見，柴油機(jī)尾氣顆粒物凈化效率隨功率的增加而提升，這是因?yàn)楣β实脑黾訉?dǎo)致燃油量增加，排出的顆粒物會明顯增多。試驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)功率超過261 kW后，液滴吸附達(dá)到上限，分離效率不再提升。

表1 凈化試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Purification test results

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1 離散相速度分布

在非倒角和非湍流死區(qū)[19]的位置，離散相速度呈現(xiàn)增大趨勢，但在倒角和湍流死區(qū)位置則有減小的趨勢(見圖1)，這樣可減小已經(jīng)與壁面接觸形成的液膜發(fā)生破碎的概率，提升了壁面利用率，離散相與壁面更多接觸，在湍流死區(qū)的位置停留時(shí)間也隨之延長。可見，交替設(shè)置的弓形擋板在裝置內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生了離散相速度由外圈向中心呈逐漸減小趨勢的渦旋流動，倒角設(shè)置可不同程度改善低速“流動死區(qū)”。

圖1 入口速度為3.0 m/s時(shí)的離散相速度Fig.1 Discrete phase velocity at 3.0 m/s inlet velocity

3.2.2 離散相液滴停留時(shí)間

本研究討論的離散相液滴停留時(shí)間指的是在碰撞到壁面、翅片擋板或從出口逃逸之前所有離散相液滴在裝置內(nèi)的平均運(yùn)行時(shí)間。由圖2可見，離散相液滴停留時(shí)間沿流場方向呈單調(diào)遞增趨勢。液滴慣性力遠(yuǎn)大于所受曳力，使得液滴更易在下方擋板附近與碰面產(chǎn)生碰撞吸附。該工況下，壁面處離散相液滴停留時(shí)間始終保持較低水平[20]。可見，氣相渦旋的存在不僅改善了液滴的逃逸現(xiàn)象，同時(shí)還延長了裝置內(nèi)離散相液滴停留時(shí)間。

圖2 入口速度為2.0 m/s時(shí)的離散相液滴停留時(shí)間Fig.2 Residence time of discrete phase at 2.0 m/s inlet velocity

模擬過程中，隨著尾氣入口速度的增加，分離效率不斷增加(見圖3)，但本研究柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，所以后續(xù)試驗(yàn)選擇最大轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，此時(shí)入口速度為2.0 m/s。由圖4可見，分離效率先隨噴淋量的增加而上升，噴淋量為0.25 kg/m3時(shí)達(dá)到最大值(49.08%)，達(dá)到分離上限；當(dāng)噴淋量超過0.25 kg/m3時(shí)，分離效率開始下降，多余的液滴隨氣體排出。

圖3 不同入口速度下壁面捕捉的分離效率Fig.3 Separation efficiency of wall capture with different inlet velocities

圖4 不同噴淋量下壁面捕捉的分離效率Fig.4 Separation efficiency of wall capture with different spray rates

4 結(jié) 論

(1)柴油機(jī)尾氣顆粒物凈化效率隨功率的增加而提升。

(2)交替設(shè)置的弓形擋板在裝置內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生了離散相速度由外圈向中心呈逐漸減小趨勢的渦旋流動，倒角設(shè)置可不同程度改善低速“流動死區(qū)”。

(3)氣相渦旋的存在不僅改善了液滴的逃逸現(xiàn)象，同時(shí)還延長了裝置內(nèi)離散相液滴停留時(shí)間。

(4)當(dāng)入口速度為2.0 m/s、噴淋量為0.25 kg/m3時(shí)，分離效率達(dá)到最大值(49.08%)。