船用柴油机尾气喷淋系统净化颗粒物试验及气液分离模拟研究*

范宇航 罗 力 倪培永 邓 勇 喜冠南

(南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019)

柴油机尾气成分复杂，有碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物及硫化物等[1]，对人体呼吸道危害最大的是颗粒物。因此，对柴油机尾气颗粒物净化至关重要。目前，国内外尾气颗粒物机外净化采用的方式主要有颗粒物过滤、催化转化、静电分离和机械力分离[2]。颗粒物过滤器已广泛应用于国六车用柴油机，但由于成本高、背压大等原因，并未在船用柴油机上广泛应用[3]；催化转化往往要用重金属来做催化剂，而且对颗粒物的减排效果有限；静电分离效果明显但存在需要直流高压电源、集尘区要及时清理等缺陷[4]；机械力分离有惯性分离和离心力两种，但柴油机尾气颗粒物粒径大部分都低于10 μm，机械力分离效果有限[5]。

尾气喷淋系统目前在国内有两种主要形式(文丘里管喷淋吸附和喷淋塔吸附)。文丘里管式洗涤器主要是使烟气发生汇聚和发散的设备，尾气在收缩段加速运动。当液体在气流速度最高的喉管位置注入时，由高速运动的烟气引起的湍流将液体雾化成小液滴，从而增大了传质反应发生所必须的表面积。在文丘里管式洗涤器内压降越高，意味着液滴越小、接触表面积越高，但这是以较高的功耗和运行成本为代价实现的[6]。喷淋塔是结构形式最简单的洗涤设备，由带有喷嘴的塔组成，这些喷嘴产生与尾气进行传质反应的小液滴。当使用循环洗涤水、浆液时通常使用喷淋塔。随着尾气净化技术的发展，喷淋塔在结构优化和工艺设计上也得到了不断的发展，如传统的喷淋塔结构是尾气沿垂直于洗涤塔轴线的方向进入塔体，现代工艺经结构优化和工艺设计改进后，尾气沿洗涤塔壁面切线方向进入塔体。

目前，国内外主要是通过经验公式对两相分离器进行设计和相关试验的研究，在仿真分析方面也取得了一定的研究成果[7]，但试验对比较薄弱。本研究根据喷淋碰撞凝结分离模型和颗粒物/液滴/气体分离理论，通过文丘里管喷淋吸附微小颗粒物，形成粒径大的混合物液滴，再利用惯性分离的碰撞凝结原理，把气固两相流分离转化为气液两相流分离，提升了机械力分离的净化效率，据此设计出一种带有挡板结构的新型柴油机尾气颗粒物净化装置。同时，通过台架试验验证该装置的可行性和净化效率，并与两相流分离的模拟数值进行对比分析。

1 试验部分

1.1 净化装置

净化装置包括喷淋吸附管道、高速离心机和气液分离箱。其中，喷淋吸附管道为直径180 mm的不锈钢圆管，顶部焊接3个直径8 mm的喷淋管道，采用1.8 mm口径的精细雾化喷嘴，喷淋总量为0.30 kg/m3；喷淋吸附管道正下方焊接直径10 mm的排污管道，可喷淋吸附洗涤通过的柴油机尾气。高速离心机选装750 W的离心机(Y5-47型)，转速可达2 800 r/min，其作用是减小尾气压力损失。根据流体力学原理，在气液分离箱中设置能形成回流的倒角翅片，18个翅片构成一个挡板，每个挡板之间设置4 mm的间距，利用惯性碰撞凝结原理进行气液分离。气液分离箱箱体尺寸为500 mm×498 mm×490 mm，底部设置排污管道。

1.2 试验台架和方法

试验对象为一台中小型渔船上的柴油机(T6138ZLCZu型)，额定功率290 kW，额定转速1 500 r/min，燃油喷射角度19°，额定工况下进气流量2 165 kg/h。为保证试验测量的准确性，在排气管道中间位置[8]开出分流口，插入测试探头。测试探头连接不透光烟度计(AVL DiSmoke 4000型)，测量不透光度和光吸收系数。选取一条柴油机推进曲线，多次测量取平均值。

根据不透光度和光吸收系数，查不透光度烟度值对照表获得烟度(Rb，BSU)，并通过经验公式(见式(1)[9])计算颗粒物质量浓度(Cm，mg/m3)。

(1)

2 模型建立

2.1 数学模型

分离区计算模型尺寸为21 mm×10 mm×128 mm。利用ANSYS的Mesh模块对计算区域进行自适应划分[10]，网格尺寸均值设为2 mm，网格划分最终确定数量为124 887。本研究着重关注气液两相流动分离现象，首先将尾气作为纯净空气处理。水力直径取0.468 m，计算雷诺数为5×104，选用k—ε湍流模型模拟流动过程[11]。由于柴油机尾气排量为1 415 m3/h，液滴体积远远小于气相体积的10%，因此选用离散相模型对液相进行行为描述[12]。

2.2 计算方法和边界条件

由于液滴主要与分离器翅片壁面以惯性碰撞聚结方式进行分离，对壁面要求分析得更精确，所以在近壁区选用具有较高精度和稳定性的SSTk—ε湍流模型[13]，液滴与尾气气流在喷淋吸附管道内呈垂直接触，在分离装置中离散相与气相流场不产生扰动[14]，模拟过程中采用连续相与离散相之间不耦合计算方法[15]。对液滴采用稳态的追踪方式，气相介质设置为理想的空气，液相介质设置为水。为避免回流，设置出口为压力出口[16]。喷淋量分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 kg/m3，入口速度分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s。壁面均采用标准无滑移壁面，壁面对离散相的边界条件设置为碰撞即捕捉[17]。

3 结果与分析

3.1 净化试验结果

由表1可见，柴油机尾气经过净化后，颗粒物浓度减小；相同工况下净化前后颗粒物浓度差值随着功率的增加而增加。颗粒物被液滴吸附，在净化装置中液滴的壁面捕捉效率近似可视为颗粒物的净化效率[18]。可见，柴油机尾气颗粒物净化效率随功率的增加而提升，这是因为功率的增加导致燃油量增加，排出的颗粒物会明显增多。试验同时发现，当功率超过261 kW后，液滴吸附达到上限，分离效率不再提升。

表1 净化试验结果Table 1 Purification test results

3.2 数值模拟结果

3.2.1 离散相速度分布

在非倒角和非湍流死区[19]的位置，离散相速度呈现增大趋势，但在倒角和湍流死区位置则有减小的趋势(见图1)，这样可减小已经与壁面接触形成的液膜发生破碎的概率，提升了壁面利用率，离散相与壁面更多接触，在湍流死区的位置停留时间也随之延长。可见，交替设置的弓形挡板在装置内诱导产生了离散相速度由外圈向中心呈逐渐减小趋势的涡旋流动，倒角设置可不同程度改善低速“流动死区”。

图1 入口速度为3.0 m/s时的离散相速度Fig.1 Discrete phase velocity at 3.0 m/s inlet velocity

3.2.2 离散相液滴停留时间

本研究讨论的离散相液滴停留时间指的是在碰撞到壁面、翅片挡板或从出口逃逸之前所有离散相液滴在装置内的平均运行时间。由图2可见，离散相液滴停留时间沿流场方向呈单调递增趋势。液滴惯性力远大于所受曳力，使得液滴更易在下方挡板附近与碰面产生碰撞吸附。该工况下，壁面处离散相液滴停留时间始终保持较低水平[20]。可见，气相涡旋的存在不仅改善了液滴的逃逸现象，同时还延长了装置内离散相液滴停留时间。

图2 入口速度为2.0 m/s时的离散相液滴停留时间Fig.2 Residence time of discrete phase at 2.0 m/s inlet velocity

模拟过程中，随着尾气入口速度的增加，分离效率不断增加(见图3)，但本研究柴油机额定转速为1 500 r/min，所以后续试验选择最大转速为1 500 r/min，此时入口速度为2.0 m/s。由图4可见，分离效率先随喷淋量的增加而上升，喷淋量为0.25 kg/m3时达到最大值(49.08%)，达到分离上限；当喷淋量超过0.25 kg/m3时，分离效率开始下降，多余的液滴随气体排出。

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

图4 不同喷淋量下壁面捕捉的分离效率Fig.4 Separation efficiency of wall capture with different spray rates

4 结 论

(1)柴油机尾气颗粒物净化效率随功率的增加而提升。

(2)交替设置的弓形挡板在装置内诱导产生了离散相速度由外圈向中心呈逐渐减小趋势的涡旋流动，倒角设置可不同程度改善低速“流动死区”。

(3)气相涡旋的存在不仅改善了液滴的逃逸现象，同时还延长了装置内离散相液滴停留时间。

(4)当入口速度为2.0 m/s、喷淋量为0.25 kg/m3时，分离效率达到最大值(49.08%)。