船用柴油機尾氣噴淋系統凈化顆粒物試驗及氣液分離模擬研究*

范宇航 羅 力 倪培永 鄧 勇 喜冠南

(南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019)

柴油機尾氣成分復雜，有碳氫化合物、氮氧化物、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，對柴油機尾氣顆粒物凈化至關重要。目前，國內外尾氣顆粒物機外凈化采用的方式主要有顆粒物過濾、催化轉化、靜電分離和機械力分離[2]。顆粒物過濾器已廣泛應用于國六車用柴油機，但由于成本高、背壓大等原因，并未在船用柴油機上廣泛應用[3]；催化轉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、集塵區要及時清理等缺陷[4]；機械力分離有慣性分離和離心力兩種，但柴油機尾氣顆粒物粒徑大部分都低于10 μm，機械力分離效果有限[5]。

尾氣噴淋系統目前在國內有兩種主要形式(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生匯聚和發散的設備，尾氣在收縮段加速運動。當液體在氣流速度最高的喉管位置注入時，由高速運動的煙氣引起的湍流將液體霧化成小液滴，從而增大了傳質反應發生所必須的表面積。在文丘里管式洗滌器內壓降越高，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行成本為代價實現的[6]。噴淋塔是結構形式最簡單的洗滌設備，由帶有噴嘴的塔組成，這些噴嘴產生與尾氣進行傳質反應的小液滴。當使用循環洗滌水、漿液時通常使用噴淋塔。隨著尾氣凈化技術的發展，噴淋塔在結構優化和工藝設計上也得到了不斷的發展，如傳統的噴淋塔結構是尾氣沿垂直于洗滌塔軸線的方向進入塔體，現代工藝經結構優化和工藝設計改進后，尾氣沿洗滌塔壁面切線方向進入塔體。

目前，國內外主要是通過經驗公式對兩相分離器進行設計和相關試驗的研究，在仿真分析方面也取得了一定的研究成果[7]，但試驗對比較薄弱。本研究根據噴淋碰撞凝結分離模型和顆粒物/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原理，把氣固兩相流分離轉化為氣液兩相流分離，提升了機械力分離的凈化效率，據此設計出一種帶有擋板結構的新型柴油機尾氣顆粒物凈化裝置。同時，通過臺架試驗驗證該裝置的可行性和凈化效率，并與兩相流分離的模擬數值進行對比分析。

1 試驗部分

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尾氣。高速離心機選裝750 W的離心機(Y5-47型)，轉速可達2 800 r/min，其作用是減小尾氣壓力損失。根據流體力學原理，在氣液分離箱中設置能形成回流的倒角翅片，18個翅片構成一個擋板，每個擋板之間設置4 mm的間距，利用慣性碰撞凝結原理進行氣液分離。氣液分離箱箱體尺寸為500 mm×498 mm×490 mm，底部設置排污管道。

1.2 試驗臺架和方法

試驗對象為一臺中小型漁船上的柴油機(T6138ZLCZu型)，額定功率290 kW，額定轉速1 500 r/min，燃油噴射角度19°，額定工況下進氣流量2 165 kg/h。為保證試驗測量的準確性，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(AVL DiSmoke 4000型)，測量不透光度和光吸收系數。選取一條柴油機推進曲線，多次測量取平均值。

根據不透光度和光吸收系數，查不透光度煙度值對照表獲得煙度(Rb，BSU)，并通過經驗公式(見式(1)[9])計算顆粒物質量濃度(Cm，mg/m3)。

(1)

2 模型建立

2.1 數學模型

分離區計算模型尺寸為21 mm×10 mm×128 mm。利用ANSYS的Mesh模塊對計算區域進行自適應劃分[10]，網格尺寸均值設為2 mm，網格劃分最終確定數量為124 887。本研究著重關注氣液兩相流動分離現象，首先將尾氣作為純凈空氣處理。水力直徑取0.468 m，計算雷諾數為5×104，選用k—ε湍流模型模擬流動過程[11]。由于柴油機尾氣排量為1 415 m3/h，液滴體積遠遠小于氣相體積的10%，因此選用離散相模型對液相進行行為描述[12]。

2.2 計算方法和邊界條件

由于液滴主要與分離器翅片壁面以慣性碰撞聚結方式進行分離，對壁面要求分析得更精確，所以在近壁區選用具有較高精度和穩定性的SSTk—ε湍流模型[13]，液滴與尾氣氣流在噴淋吸附管道內呈垂直接觸，在分離裝置中離散相與氣相流場不產生擾動[14]，模擬過程中采用連續相與離散相之間不耦合計算方法[15]。對液滴采用穩態的追蹤方式，氣相介質設置為理想的空氣，液相介質設置為水。為避免回流，設置出口為壓力出口[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。壁面均采用標準無滑移壁面，壁面對離散相的邊界條件設置為碰撞即捕捉[17]。

3 結果與分析

3.1 凈化試驗結果

由表1可見，柴油機尾氣經過凈化后，顆粒物濃度減小；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，柴油機尾氣顆粒物凈化效率隨功率的增加而提升，這是因為功率的增加導致燃油量增加，排出的顆粒物會明顯增多。試驗同時發現，當功率超過261 kW后，液滴吸附達到上限，分離效率不再提升。

表1 凈化試驗結果Table 1 Purification test results

3.2 數值模擬結果

3.2.1 離散相速度分布

在非倒角和非湍流死區[19]的位置，離散相速度呈現增大趨勢，但在倒角和湍流死區位置則有減小的趨勢(見圖1)，這樣可減小已經與壁面接觸形成的液膜發生破碎的概率，提升了壁面利用率，離散相與壁面更多接觸，在湍流死區的位置停留時間也隨之延長。可見，交替設置的弓形擋板在裝置內誘導產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，倒角設置可不同程度改善低速“流動死區”。

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

3.2.2 離散相液滴停留時間

本研究討論的離散相液滴停留時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的平均運行時間。由圖2可見，離散相液滴停留時間沿流場方向呈單調遞增趨勢。液滴慣性力遠大于所受曳力，使得液滴更易在下方擋板附近與碰面產生碰撞吸附。該工況下，壁面處離散相液滴停留時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象，同時還延長了裝置內離散相液滴停留時間。

圖2 入口速度為2.0 m/s時的離散相液滴停留時間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)，但本研究柴油機額定轉速為1 500 r/min，所以后續試驗選擇最大轉速為1 500 r/min，此時入口速度為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時達到最大值(49.08%)，達到分離上限；當噴淋量超過0.25 kg/m3時，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 論

(1)柴油機尾氣顆粒物凈化效率隨功率的增加而提升。

(2)交替設置的弓形擋板在裝置內誘導產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，倒角設置可不同程度改善低速“流動死區”。

(3)氣相渦旋的存在不僅改善了液滴的逃逸現象，同時還延長了裝置內離散相液滴停留時間。

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