一種船用中速柴油機減排技術(shù)方案設(shè)計

李榮川 魏葉萌 魏亮

摘要：本文針對某型船用中速柴油機在啟動或低負(fù)荷工況加載荷時尾氣排放質(zhì)量差，黑煙明顯問題，利用尾氣顆粒物在高溫環(huán)境中與氧氣在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)原理，提出了一種降低在該工況黑煙排放的反應(yīng)器裝置技術(shù)方案設(shè)計，并進(jìn)行了幾何建模與仿真計算，結(jié)果顯示能夠適用減排需求。

Abstract： This paper aims at the problem of poor exhaust emission and obvious black smoke when a certain type of marine medium-speed diesel engine is started or loaded under low load conditions. The principle of reaction between exhaust particles and oxygen under the action of a catalyst in a high-temperature environment is proposed. A technical scheme design of a reactor device to reduce black smoke emissions under this working condition， and geometric modeling and simulation calculations have been carried out. The results show that it can meet the requirements of emission reduction.

關(guān)鍵詞：尾氣減排;脫除顆粒物;反應(yīng)器;低負(fù)荷;環(huán)保改造

Key words： exhaust emission reduction;particulate removal;reactor;low load;environmental protection transformation

中圖分類號：U664.121.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0041-03

0? 引言

近些年來，隨著環(huán)境保護要求的日益提升，對船舶尾氣處理成為人們越來越關(guān)注的問題，而船舶產(chǎn)生尾氣的主要裝置為柴油機，作為將燃料的化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為機械能的設(shè)備，在啟動及低負(fù)荷加載時往往由于空氣量的不足或燃油的大量噴入，在氣缸內(nèi)造成燃燒不充分，生成顆粒物、非甲烷總烴及一氧化碳等物質(zhì)，并形成明顯的黑煙。而船舶運營過程中，離靠碼頭、處理突發(fā)情況等，啟動柴油機及低負(fù)荷加載荷等工況，這種排放冒黑煙的情況不可避免，因此，開發(fā)一種減少黑煙排反應(yīng)器裝置，降低柴油機尾氣中顆粒物和黑煙形成，對環(huán)境保護有十分重要的意義。

本文首先借助Gambit軟件對減少黑煙排放反應(yīng)器裝置進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，Gambit軟件是面向CFD的前處理器軟件，它包含全面的幾何建模功能和強大的網(wǎng)格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量網(wǎng)格。然后利用FLUENT軟件對煙氣經(jīng)過減少黑煙排放反應(yīng)器裝置的流場進(jìn)行仿真，分析煙氣流速的均勻性，F(xiàn)LUENT軟件解算器采用完全的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和控制體積法。

1? 黑煙減排反應(yīng)裝置設(shè)計

某型船用中速柴油機在低負(fù)荷工況下，尾氣存在明顯的黑煙現(xiàn)象，對該型柴油機臺位動車現(xiàn)場實測，得到該型柴油機排放特性如表1所示。

通過實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該型柴油機在啟機及25%工況以內(nèi)，加載荷時尾氣中黑煙濃度過大，需進(jìn)行減排治理，本文所研究的減排技術(shù)方案設(shè)計目標(biāo)是針對該型柴油機在啟機及25%工況以內(nèi)加載荷，不形成明顯黑煙。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成

系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示，主要裝置為：①安裝在排氣總管上的減少黑煙排放反應(yīng)器裝置;②安裝在排氣旁通管路上的旁通閥EXVH0801;③安裝在減少黑煙排放反應(yīng)器裝置前部的進(jìn)口溫度傳感器TTH0201;④分別安裝在減少黑煙排放反應(yīng)器裝置前部和后部的壓差傳感器PDTH0201。

1.2 減少黑煙排放反應(yīng)器裝置系統(tǒng)工作原理

當(dāng)柴油機在25%以下負(fù)荷工況下運行時，此時旁通閥關(guān)閉，廢氣通過減少黑煙排放反應(yīng)器裝置，經(jīng)過催化反應(yīng)實現(xiàn)減排;當(dāng)柴油機負(fù)荷升至25%以上時，旁通閥開啟，煙氣通過旁通管正常排出。

該系統(tǒng)設(shè)置減少黑煙排放反應(yīng)器裝置清理提醒功能，當(dāng)減少黑煙排放反應(yīng)器裝置內(nèi)背壓達(dá)到3.5kPa時，減少黑煙排放裝置控制系統(tǒng)將發(fā)出減少黑煙排放反應(yīng)器裝置系統(tǒng)清理提醒，當(dāng)減少黑煙排放反應(yīng)器裝置內(nèi)背壓達(dá)到4kPa時，旁通閥強制開啟，以確保柴油機安全工作。

1.3 減少黑煙排放反應(yīng)器工作原理

減少黑煙排放反應(yīng)器裝置在結(jié)構(gòu)上是一個耐高溫的壁流式過濾器，內(nèi)部填裝催化劑層，如圖2所示。柴油機廢氣流經(jīng)過濾器時，氣流會流過減少黑煙排放反應(yīng)器裝置中帶有小孔的壁結(jié)構(gòu)，將顆粒物滯留在圖中灰色區(qū)域，從而將廢氣中顆粒物降低90%以上。然后，被捕捉的顆粒物（主要是碳顆粒）在廢氣550℃高溫環(huán)境中與氧氣在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳，完成再生[1][2]。

1.4 系統(tǒng)的電控系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)的電控系統(tǒng)主要有：①安裝于集控室的HMI，用于對該系統(tǒng)控制與參數(shù)的監(jiān)測等;②控制箱安裝于機艙，內(nèi)置控制CPU、信號采集模塊與RS485通訊模塊等，一方面用于與HMI、AMS與Engine CS等設(shè)備通訊，另一方面用于采集傳感器信號，控制旁通閥的開度;③外部執(zhí)行機構(gòu)與傳感器[3]。系統(tǒng)電氣控制原理框圖如圖3所示。

2? 減少黑煙排放反應(yīng)器裝置流場分析

2.1 反應(yīng)器計算的參數(shù)假設(shè)

反應(yīng)器內(nèi)催化劑層使用多孔介質(zhì)來替代，在多孔介質(zhì)區(qū)域，單位長度的理論壓降由公式（1）確定[6]：

（1）

式中，ΔP為多孔介質(zhì)兩側(cè)壓差，單位Pa;L為多孔介質(zhì)區(qū)域的長度（厚度），單位m;Pi為通過多孔介質(zhì)流體的慣性阻力系數(shù);Pv為通過多孔介質(zhì)流體的粘性阻力系數(shù)，單位kg/m3s;v為通過多孔介質(zhì)流體的速度，單位m/s。

通過催化劑層的壓降、催化劑基本尺寸數(shù)據(jù)，可擬合得到催化劑層的壓降與流經(jīng)催化劑煙氣的速度關(guān)系式，從而計算出催化劑層的一次項阻力系數(shù)和二次項阻力系數(shù)。

廢氣中主要的氣體成分是氧氣和氮氣，因此，以空氣替代反應(yīng)器中的廢氣來計算煙氣速度均勻性和反應(yīng)器壓降。

其它假設(shè)：

①所有壁面采用的無滑移邊界;

②反應(yīng)器有保溫層，可認(rèn)為所有壁面絕熱;

③入口導(dǎo)流器厚度相對于反應(yīng)器尺寸來說非常小，做無厚度壁面處理[4]。

2.2 設(shè)計計算

幾何模型描述，減少黑煙排放反應(yīng)器裝置幾何建模如圖4所示，計算網(wǎng)格劃分如圖5所示[5]。

材料物性，采用空氣為流動介質(zhì)，考慮到氣體的可壓縮性，認(rèn)為空氣為理想氣體，空氣密度按公式（2）計算[6]：

（2）

式中，Pa為絕對壓力，單位Pa;MW為介質(zhì)的摩爾質(zhì)量，單位kg/mol;R為理想氣體常數(shù)，單位8.314 J/（mol·K）;T為氣體溫度，單位K。

另外因系統(tǒng)絕熱，空氣的比熱容（Cp）、導(dǎo)熱系數(shù)（？姿）和粘度（？滋）均按常數(shù)給定。

工況說明，鑒于計算目的為得到反應(yīng)器的催化劑入口速度均勻性。計算工況條件如表2所示。

計算模型，假設(shè)計算為穩(wěn)態(tài)計算，湍流處理采用RANS方法，計算工質(zhì)為空氣，工質(zhì)應(yīng)用理想氣體模型，湍流模型為Standard k-ε模型[6][7]。

邊界條件/約束條件，反應(yīng)器入口采用質(zhì)量流量入口，出口為壓力出口。催化劑區(qū)域按多孔介質(zhì)處理，給粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，反應(yīng)器孔隙率為0.64[6][7]。

2.3 計算結(jié)果

催化劑入口的速度分布是否均勻直接影響催化劑的催化轉(zhuǎn)化效率，流速不均勻會在催化劑中心區(qū)域產(chǎn)生過高的氣流速度和溫度，加劇催化劑的失效速度，縮短其使用壽命。通常利用速度均勻性系數(shù)來評價入口的速度是否均勻。均勻性系數(shù)γ具體計算如公式（3）[6]：

（3）

式中， 為參數(shù)（速度）在所取面上的平均值;？準(zhǔn)f為參數(shù)（速度）在單個網(wǎng)格面上的取值;Af為單個網(wǎng)格面的

面積。

反應(yīng)器中心平面速度分布如圖6所示，煙氣在催化劑入口速度分布如圖7所示。

均勻性系數(shù)越大越接近于1，表示參數(shù)（速度）在所取截面上的分布越均勻。通過計算得到，反應(yīng)器催化劑入口的速度均勻性系數(shù)為0.995。

3? 結(jié)論

經(jīng)仿真分析，柴油機廢氣在經(jīng)過該設(shè)計方案的反應(yīng)器時，氣流在催化劑入口處的速度均勻性較好，能夠保證穩(wěn)定催化，可以有效解決柴油機啟動及低負(fù)荷加載時尾氣排放質(zhì)量差，黑煙明顯的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大成.柴油顆粒過濾器（DPF）尾氣處理及再生原理[J].汽車維護與修理，2015（11）：38-40.

[2]張勇，張春玲，劉魯寧.柴油機尾氣處理裝置（DPF）的實驗研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報，2009，24（1）：27-30.

[3]Khaled Kamel. Eman Kamel.著.朱永強.王文山，等譯. PLC工業(yè)控制[M].機械工業(yè)出版社，2015.7（2019.9重印）.

[4]朱亞永，趙昌普，王耀輝，孫雅坤.柴油機DPF流場壓降及微粒沉積特性數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2017，35（06）：538-547.

[5]丁源，王清.ANSYS ICEM CFD 從入門到精通[M].清華大學(xué)出版社，2013，1.

[6]張兆順，崔桂香.流體力學(xué)[M].三版.清華大學(xué)出版社，2015，7.

[7]劉斌.Fluent 19.0 流體仿真從入門到精通[M].清華大學(xué)出版社，2019，5.