颗粒物捕集装置在船用柴油机黑烟治理中的设计优化_吴智兵.pdf

第 44 卷（2022）第 6 期Vol.44（2022）No.6柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2022.06.009颗粒物捕集装置在船用柴油机黑烟治理中的设计优化吴智兵1，尚铭凯1，孙丽敏2，董善挺1（1.上海船用柴油机研究所，上海 201108；2.上海空间电源研究所，上海 200245）摘要：基于船用柴油机颗粒物捕集装置的工作原理，利用计算流体动力学软件建立其计算模型，在给定反应器参数时，设计并优化反应器结构、尺寸、导流器和导流板布置位置以及组合形式，以使柴油机氧化型催化剂（diesel oxidation catalyst，DOC）入口截面处的均匀度和反应器的压损满足设计要求，最终将优化结果进行实船验证。试验结果表明：加装优化后的颗粒物捕集装置可以很大程度减少黑烟的排放，减排效果比较明显。关键词：船用柴油机；颗粒物捕集；仿真优化中图分类号：TK442文献标志码：A文章编号：1001-4357（2022）06-0046-07Design and Optimization of Particulate Matter Capture Technologyin Marine Diesel Engine Black Smoke ControlWU Zhibing1，SHANG Mingkai1，SUN Limin2，DONG Shanting1（1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 201108，China；2.Shanghai Institute of Space Power-Sources，Shanghai 200245，China）Abstract：Based on the working principle of the marine diesel particulate matter capture device，thecomputational fluid dynamics（CFD）software was used to establish its calculation model.Based on thegiven reactor parameters，the reactor structure，size，arrangement position and combination form of thedeflector or deflector plate were designed and optimized，so that the uniformity at the inlet section of dieseloxidation catalyst（DOC）and the pressure loss of the reactor could meet the design requirements.Finally，theoptimizationresultswereverifiedonarealship.Thetestresultsshowthattheoptimizedparticulatemattercapturedevicecangreatlyreducetheblacksmokeemission，andtheemissionreductioneffectisobvious.Key words：marine diesel engine；particulate matter capture；simulation optimization0引言颗粒物（particulate matter，PM）已成为主要的空气污染物之一，而柴油机是颗粒物排放的重要源头1。目前，国际和国内都在制定相关法律法规限制柴油机颗粒物的排放。为了能满足相应的排放标准，解决颗粒物的排放问题，船用柴油机颗粒物捕集技术的开发与应用引起了广泛关注2。系统与附件收稿日期：2022-05-05；修回日期：2022-07-05基金项目：船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心资助项目2022 年 11 月47吴智兵等：颗粒物捕集装置在船用柴油机黑烟治理中的设计优化1船用柴油机排气排放现状分析根据船用柴油机相关排放测试报告及现场试验观察，船用柴油机在启动及负荷加载时排气烟度远高于在稳定负荷工况下的排气烟度，柴油机在启动及负荷加载工况下的排气烟度情况如图1和图2所示。初步分析认为柴油机在启动及负荷加载过程中排气烟度过高是因为柴油机在启动及负荷加载过程中，缺氧的燃料在高温高压的环境下发生裂解、脱氢等反应，最后生成碳烟粒子，这些碳烟粒子在降温过程中会吸附各种未燃烧或不完全燃烧的碳和其他凝聚相物质，生成黑烟，造成排气烟度远远高于柴油机在稳定负荷运行时的排气烟度。实测数据见图3和图4。柴油机在启动与负荷加载过程中，颗粒物排放指标远超于柴油机稳定工况下的排放指标，且无法满足相关排放要求，可通过安装颗粒物捕集装置降低柴油机烟度。2船用柴油机颗粒物治理技术简介及技术路线比较船用柴油机黑烟（颗粒物）减排技术主要有废气洗涤技术和颗粒物捕集再生技术。废气洗涤技术通过碱液或者海水洗涤柴油机排气，将其中颗粒物去除；颗粒物捕集及再生技术通过单孔道载体对排气进行过滤，过滤掉其中的颗粒物，达到治理的目的3。2.1废气洗涤技术废气洗涤技术的原理为：在排气管道上安装一个或多个洗涤器；排气通过进气管进入洗涤器，通过水泵泵送碱性淡水；在洗涤器中向下喷雾，形成洗涤层，废气与洗涤层相遇发生反应，可以除去废气中的SOx、颗粒物以及其他溶性物质；被捕集的物质随着废洗涤水流入污水处理系统，经处理后排出，如图 5所示。废气洗涤系统体积庞大，且减排效率通常较低，只有50%左右。2.2颗粒物捕集及再生技术颗粒物捕集及再生技术通过过滤材料捕集废图1柴油机启动阶段的排气烟度图2柴油机在075%负荷加载工况下的排气烟度图3柴油机启动阶段烟度的变化图4柴油机负荷加载过程烟度的变化图5废气洗涤技术原理第44 卷第6 期48柴 油 机气中的颗粒物，并将捕集到的颗粒物氧化成气态物，从而净化颗粒物。捕集系统包含氧化型催化剂与颗粒氧化催化剂，其工作原理图如图6所示。氧化型催化剂主要用来去除大部分的 CO 和 HC，氧化部分NO以生成NO2，参与颗粒物的再生过程。颗粒物氧化催化剂的作用首先是捕集颗粒物，其次将捕集到的颗粒物氧化，变成气态物质4。目前国内外普遍认为颗粒物捕集及再生技术是最有效、应用最广泛的降低柴油机颗粒物排放的技术，其具有捕集效率高（90%以上），经济效益好的优点，已广泛应用于机动车、非道路工程机械等领域的颗粒物减排治理中5。2.3技术路线比较对废气洗涤技术和颗粒物捕集及再生技术进行对比，见表1。由表1可见：（1）颗粒物捕集及再生技术的减排效率高于废气洗涤技术。（2）与废气洗涤技术相比，颗粒物捕集及再生技术无水耗，不存在烟气带水问题。（3）颗粒物捕集及再生技术系统结构简洁，操作简单，设备维护简单。（4）颗粒物捕集及再生技术催化剂维护更换费用略高。综上，颗粒物捕集及再生技术在减排效率及使用操作性方面优于废气洗涤技术，在经济性上，废气洗涤技术略优于颗粒物捕集及再生技术。考虑含水烟气的锈蚀性，使用洗涤塔对系统管路存在腐蚀风险，且随着排放法规日益严格，采用颗粒物捕集及再生技术作为颗粒物减排的技术路线是大势所趋。3颗粒物捕集反应器设计与仿真优化传统的开发方式在工艺计算、产品设计和试验阶段须进行多次计算和校核，试验成本高，产品周期长，有时难以满足工程进度要求，极大地增加了颗粒物捕集器开发的难度。通过计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）软件进行仿真计算可以得到反应器内部烟气流场、压强、温度、速度、颗粒物分布和催化剂截面特征等参数，这些参数能直观地反映催化剂入口截面颗粒物分布的均匀性状况，对产品设计具有重要的指导作用6。3.1设计参数和优化目标基于某试验船设计颗粒物捕集反应器，反应器设计参数和优化目标如表2所示。表1颗粒物治理技术路线对比序号123项目减排效果优势劣势废气洗涤技术对大粒径颗粒具有良好的去除效果，颗粒物排放减排率约为50%。具有除尘作用，同时可对烟气进行降温并吸收有害气体（SO2）；无催化剂维护更换费用；系统压损小；电力消耗低。系统设备组成复杂，水系统易腐蚀，对维护使用人员要求高；控制部件多，控制逻辑复杂，故障风险大；系统存在水耗，须配置水处理系统对系统废水进行处理以防止二次污染。颗粒物捕集及再生技术颗粒物排放减排率90%。黑 烟 处 理 效 率 高；无水源消耗；系统组成简单，设备少，故障少，控制逻辑故障点少。催化剂维护更换费用略高；系统压损大；电力消耗略高。图6颗粒物捕集及再生技术工作原理表2颗粒物捕集反应器设计参数和优化目标项目设计参数优化目标废气流量/（kgh-1）废气温度/柴油机氧化型催化剂（diesel oxidation catalyst，DOC）封装尺寸/mmmmmm柴油颗粒过滤器（diesel particulate filter，DPF）封装尺寸/mmmmmm速度不均匀度反应器总压损/Pa参数8 2803753153151003153153000.151 500备注以柴油机100%工况为例共20块，54共20块，54DOC入口截面处均匀度0.85含DOC和DPF压损2022 年 11 月49吴智兵等：颗粒物捕集装置在船用柴油机黑烟治理中的设计优化3.2设计优化工具根据催化剂布置和设计要求，反应器组装结构布置如图7所示，其中导流器、入口导流板簇、导流板簇和DOC出口导流板簇为可选结构。为研究该反应器的气体流动和分布效果以及反应器阻力损失，使用Fluent软件对反应器内部的流场进行仿真计算。计算采用标准k-模型，考虑到温度的作用，选用质量流量进口（massflow-inlet）边界条件，进 口 流 量 为 2.505 kg/s，温 度 为 648 K（375）；选用压力出口（pressure-outlet）边界条件。烟气各组分质量分数：CO2为 7.66%，N2为72.76%，O2为14.25%，H2O为5.32%。微量气体忽略，平均分子量为 28.46。烟气平均密度为0.526 kg/m3，定压比热容为1.156 kJ/（kg K），导热系数为5.74E-2 W/（m k），黏度系数为31.25E-6 Pa s；以多孔介质模型模拟催化剂区域的阻力损失，催化剂粘滞阻力系数为1.581E+7 m-2，惯性阻力系数为0.132 m-3，孔隙率为0.683。3.3反应器流场与催化剂入口截面速度分布优化3.3.1常规反应器流动效果分析按照常规设计方案，反应器不设置导流器、入口导流板、DOC 导流板和出口导流板等结构；进口斜挡板和出口挡板用以分隔流场，便于反应器催化剂布置。为定量分析反应器出口截面颗粒物浓度分布的均匀性，以反应器出口截面颗粒物质量分数均方根偏差系数表示颗粒物浓度分布的不均匀度。通常要求不均匀度分布于01：不均匀度为0，表示截面颗粒物浓度分布均匀度最大；反之，不均匀度为1，表示颗粒物浓度不均匀性最小；当不均匀度大于1时，不均匀度表示方式不再适用，表示颗粒物浓度分布均匀性非常差，即该混合方式混合效果较差。其计算公式如式（1）所示：1=()Ni-N02n-1N0（1）式中：Ni为截面上各样本点颗粒物浓度质量分数；N0为截面实际速度质量分数；n为样本点数；（Ni-N0）2为各点速度方差求和。根据式（1）可求得反应器DOC入口截面和其他各截面速度不均匀度，反应器DOC入口截面速度分布和反应器压损如图8所示。由图8可知：常规反应器DOC入口截面中心处会形成约 15 m/s的高速区；DOC入口截面速度不均匀度为 0.365，速度分布不均匀；反应器压损（除 DOC 和 DPF 催化剂外）为 304.5 Pa。由此可见，常规反应器流动效果未能达标。3.3.2增加导流板簇后反应器流动效果分析在常规设