船用柴油機顆粒捕集器主動再生技術研究

0 引言

船舶柴油機排放的顆粒物或黑煙，其主要成分為未完全燃燒的可溶性有機成分(SOF)、碳煙和灰分組成的不溶性干組分(DS)；顆粒物進入大氣，不僅會增強溫室效應，而且會對人體健康造成危害；因此，美國、歐盟和中國相繼出臺法規(guī)

，對顆粒物排放進行限制；對于顆粒物減排措施，機后顆粒捕集器(DPF)技術結構簡單，捕集效率高，能處理高溫煙氣，是目前國內外普遍認可的最有效的技術；其中使用最多的過濾體是堇青石和碳化硅材質的壁流式蜂窩陶瓷；但若DPF設計使用不當則會造成排氣背壓增加，柴油機油耗增大；尤其是低速機，燃燒的重油中含硫、碳和雜質較多，生成的顆粒物粘性高，很容易造成DPF捕集通道堵塞，嚴重縮短捕集器壽命；因此，必須及時清除DPF中積聚的顆粒，船舶發(fā)動機排氣溫度只有300-400℃，而碳顆粒需要在600℃以上才能夠實現(xiàn)完全氧化去除

；因此需要針對排氣工況選擇合適的再生方式；DPF再生方案分為主動再生和被動再生

，如圖1所示；每種再生方式的優(yōu)缺點和適用范圍不盡相同。

主動再生是在DPF前加裝加熱裝置，將柴油機排氣溫度或直接將DPF過濾體溫度提高到顆粒物的起燃溫度，從而完成顆粒物的氧化去除。被動再生一般是利用催化劑的氧化作用，使柴油機尾氣中的NO

或O

與過濾體內的碳在相對較低的溫度下發(fā)生反應。相比主動再生，被動再生所需溫度大幅降低，可實現(xiàn)DPF連續(xù)再生；但多數(shù)船舶通常處于低負荷運行，排氣溫度較低，被動再生速率和效率較低；而且DPF中積累過多的碳顆粒，可能會導致被動再生溫度過高而失控，存在安全隱患；更重要的是，被動再生催化劑容易發(fā)生硫中毒

，對燃油品質要求較高，不適合船舶燃油；因此，針對船舶的燃油和排放特性，可以選用噴油燃燒再生方式，其適用范圍廣，負荷范圍寬，控制簡單，經濟性好，對柴油品質和過濾材質要求均較低，是實現(xiàn)船用DPF高效再生的有效方式。然而對于噴油助燃，確定合適的再生周期和再生工況至關重要；再生周期太長會增加油耗，周期太短則無法實現(xiàn)顆粒物的有效去除；在實際產品應用過程中，可以通過測量DPF捕集器進出口壓差，并建立其與排氣背壓、油耗增幅和碳載量的邏輯關系來判斷再生時機；而控制DPF有效再生的直接因素是過濾體中的溫度分布；實船應用中，由于柴油機生產廠家、型號眾多，排氣流量大，且排放特性又千差萬別，導致DPF系統(tǒng)結構龐大而復雜，若采用分部取點測溫方法

，不僅工作量巨大，而且催化劑的溫度分布卻很難準確測量和控制；因此，可以利用計算流體動力學模擬(CFD)技術預測DPF捕集器內溫度分布，并與再生實驗結果相互驗證，可以有效指導DPF捕集器和再生系統(tǒng)設計與優(yōu)化，有利于噴油助燃再生技術的推廣應用。

1 正文

1.1 顆粒捕集器及主動再生方案

由前述分析可知，噴油燃燒再生是實現(xiàn)DPF高效再生的有效方式，其總體方案如圖2所示。其中，DPF過濾體是碳煙顆粒過濾以及氧化再生的主要場所，過濾體布置于DPF反應器中；噴油燃燒加熱裝置主要利用燃油燃燒加熱柴油機排氣，燃燒過濾體內部顆粒從而實現(xiàn)再生；煙氣管路系統(tǒng)負責柴油機排氣的負荷調節(jié)和煙氣旁通；壓差傳感器監(jiān)測過濾體兩端壓差，壓差值反映過濾體中的碳載量，為再生時機選擇提供依據(jù)；再生控制系統(tǒng)接受壓差傳感器的數(shù)據(jù)，以判斷捕集器中顆粒的集聚程度，從而實現(xiàn)對DPF的再生啟動與結束的控制。

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以WHM6160C550-5型400KW柴油機排氣參數(shù)為依據(jù)，按照結構緊湊、過濾體易拆裝及排氣壓損低等原則，進行DPF捕集器設計，設計輸入?yún)?shù)如表1所示。

1.2 CFD仿真模型處理方法

1.4.1 DPF顆粒物捕集效率實驗

分別取20 μg/mL的甲醛儲備液0，0.1，0.5，0.75，1.0 mL于5 mL具塞試管中，用超純水定容至1 mL，隨后根據(jù)1.3.1前處理步驟進行處理，以繪制標準曲線。

1.3 CFD仿真結果

1.3.1 燃燒狀況及物理場分布仿真

式中：N

—截面上各樣本點溫度百分數(shù)；N

—為截面實際平均溫度質量百分數(shù)；n —為截面樣本點數(shù)；∑(

-

)2—為截面各點溫度質量百分數(shù)方差求和；

1.2.2 取卵 所有患者術前30 min肌肉注射杜冷丁50～100 mg，患者取膀胱截石位，常規(guī)消毒鋪巾，陰道探頭裝穿刺架，經陰道穿刺取卵；穿刺針用COOK17G雙腔針，啟動負壓吸引器，壓力為130～140 mmHg，應用15 ml試管收集卵泡液，吸凈1個卵泡后將試管交由胚胎實驗室技術人員，在顯微鏡下尋找卵母細胞，如未獲卵，則對卵泡進行反復沖洗抽吸，次數(shù)<6次。

由圖4可見，無穩(wěn)焰盤時過濾體入口截面(以下簡稱截面)的速度分布呈中間高四周低的趨勢，而截面最高溫度548.9K；有穩(wěn)焰盤時，截面的高速區(qū)域向催化劑外圍擴展，截面最高溫度1058.2K；可見，有穩(wěn)焰盤時截面速度分布均較為均勻；而無穩(wěn)焰盤時，無法形成穩(wěn)定燃燒；這一點可參考DPF顆粒物捕集反應器內燃油顆粒分布，如圖5所示。

1.3.2 過濾體溫度分布特性定量分析

口腔矯治器與外科手術對睡眠鼾癥患者多導睡眠圖、呼吸參數(shù)和糖脂代謝水平的影響 ……………………………………………………………………………… 魏信漢(4):482

為定量分析有穩(wěn)焰盤時過濾體入口截面溫度分布均勻性，以催化劑入口截面溫度均方根偏差系數(shù)表示截面溫度的不均勻度(反向均勻性)；不均勻度越大，溫度分布均勻性越差，對 DPF再生越不利；其計算方法如下公式所示：

如圖5可見，無穩(wěn)焰盤時DPF捕集器內燃油顆粒分布于整個空間內，并從出口流出，而有穩(wěn)焰盤時，燃油顆粒分布于穩(wěn)焰盤出口附近并很快消失；可見加裝穩(wěn)焰盤后，DPF捕集器內能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。這是因為，加裝穩(wěn)焰盤可以在來流方向將燃燒火焰和排氣進行物理隔離，而在背流方向燃燒煙氣和排氣能進行充分混合，既能有效避免排氣對火焰的擾動和降溫，又使燃燒煙氣有足夠的氧含量，從而保證穩(wěn)定燃燒。

實驗組產后出血量<500ml產婦29例(96.7%),參照組產后出血量<500ml產婦21例(70%)。經統(tǒng)計學計算,X2=7.6800,P=0.0055。

為研究燃燒穩(wěn)定性，將反應系統(tǒng)分為有穩(wěn)焰盤和無穩(wěn)焰盤兩種情況，以驗證穩(wěn)焰盤對催化劑入口截面溫度分布和速度分布的影響，計算結果如圖4所示；

根據(jù)公式計算可知，加裝穩(wěn)焰盤后，DPF過濾體入口截面溫度分布不均勻度為9.0%，小于15%，即溫度分布趨于均勻，對DPF再生有利，DPF捕集器設計合理。

1.4 顆粒物捕集器主動再生實驗驗證

根據(jù)DPF捕集器三維模型，對反應器進行仿真模型計算域分部預處理；采用四面體和六面體混合網(wǎng)格方式，對計算區(qū)域進行離散化；計算域和網(wǎng)格模型如圖3所示。

硝酸；硝酸(1+1)；氫氟酸；鹽酸；鹽硝混酸：鹽酸、硝酸、水的體積比為4∶1∶5；酒石酸；硝酸-酒石酸混酸：稱取80g酒石酸，溶于1000mL硝酸中；銀粒：質量分數(shù)不小于99.99%；銀標準溶液：2.00mg/mL，稱取2.0000g銀粒置于250mL燒杯中，加40mL硝酸(1+1)，蓋上表面皿，低溫加熱至完全溶解，煮沸至無黃色煙氣產生，趕盡氮的氧化物，取下冷卻至室溫，用水吹洗表面皿及燒杯壁，移入1000mL棕色容量瓶中，并以水稀釋至刻度，混勻，避光保存；氯化鈉標準滴定溶液：0.1000mol/L，稱取5.8440g氯化鈉(基準試劑)，用水溶解，稀釋至1000mL，混勻。

為研究該DPF捕集器內燃燒和過濾體內溫度分布，使用Fluent軟件對反應器內部的流場和燃燒狀況進行仿真計算；計算采用標準k-ε模型，考慮溫度作用，進口采用massflow-inlet，出口為pressure-outlet；以多孔介質模型模擬過濾體區(qū)域阻力損失；過濾體粘滯阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)依據(jù)廠家提供壓損值擬合得出；燃燒模擬采用非預混模型，燃油噴射離散相采用DPM中的Droplet模型，噴嘴類型為Solid Cone。

為評價DPF過濾器對柴油機排氣顆粒物的捕集和再生效果，現(xiàn)測試柴油機100%負荷工況下反應器前后的顆粒物排放量，實驗臺架布置如圖7所示，其中顆粒物檢測儀器為Testo338，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可以看出，100%負荷工況下，DPF過濾體的顆粒物捕集效率較高，達94%以上，可以有效地去除柴油機煙氣中的顆粒物。

1.4.2 DPF過濾體再生平衡溫度測試實驗

為了測試DPF過濾體主動再生性能，將柴油機煙氣溫度調節(jié)至200℃運行一定時間以對過濾體進行碳載，隨后升高煙氣溫度，通過測量反應器兩端壓差來判定DPF系統(tǒng)的再生效果；結果如圖6所示。

如圖6所示，當煙氣溫度大于550℃時，反應器壓損快速下降，這是因為溫度升高，過濾體內捕集的碳顆粒發(fā)生快速氧化，使得顆粒捕集過程中在過濾體孔道內形成的碳層消失，對煙氣的阻塞作用減弱；說明該溫度下DPF過濾體內積碳氧化速率高于碳載速率，即過濾體顆粒再生速率增加，再生效果明顯。

2 結論

(1)正常運行工況下，DPF過濾器對顆粒物捕集效率高達94%以上；

(2)采用噴油燃燒主動再生方式，過濾器再生性能和耐久性能均較好；但噴油燃燒過程不易控制，需對燃燒器結構進行優(yōu)化，如增加穩(wěn)焰盤；

(3)利用CFD仿真能對DPF過濾器內燃燒和溫度分布進行有效預測；對顆粒物捕集器產品的設計和應用具有向導作用。

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