水洗消烟系统在柴油机后处理中的应用.pdf

（ 358 ） 水洗消烟系统在柴油机后处理中的应用 龚为佳 1，沈卫东1，邵锦萍1，李建平2 （1. 重庆通信学院特种电源总参重点实验室， 重庆 4000352. 73881 部队 福州 350003 ） 摘要分析了水洗消烟系统的净化原理，设计了水洗消烟净化方案，建立了气液二相流模 型，通过对喷淋式消烟系统内部流场和温度场的数值模拟，对设计尺寸、位置进行了修正；进行 了等比模型试验进一步改进了喷淋系统，制作实物模型进行试验，结果表明，喷淋式消烟系统能 够使柴油机烟度、NOx和噪声得到良好的控制，在柴油机后处理领域应用前景广阔。 关键词：柴油机后处理水洗消烟喷淋式 ApplicationofSmoke EliminatingSysteminDiesel Engine After- treatment Gong Weijia, Shen Weidong, Shao JinPing, Wang Peiwen （ 1. MilitarySpecial PowerSupply（ General Staff ） Emphasatic Laboratory, ChongqingCommunication Institute, Chongqing400035, China;2. 73881 Troops, Fuzhou350003, China ） Abstract: The cleaning principle of washing smoke system is analyzed, the concept of the system is designed, and a two- phase model of liquid and gas is set up. The size and position of the systemis amended through numerical simulation of the interior flow field and temperature field of cascade style smoke eliminating system, and cascade structure is further improved by geometric model experiment. A washing smoke systemsample is built and tested. The result shows that cascade style smoke eliminating systemcan well control the smoke, NOxandnoise andhas agoodforegroundindiesel engine after- treatmentfield. Key words: diesel engine, after- treatment, washing smoke system, cascade style 柴油机设计与制造 Design&Manufacture ofDiesel Engine2010 年第 3 期 第 16 卷 （总第 132 期 ） 来稿日期： 2009- 03- 11 1引言 随着环境保护工作的不断深入，柴油机的尾气 净化问题日益引发人们的重视，在众多的尾气后处 理系统中，湿式净化是一种较为可行的方案。固定 式大、中型柴油发电机组因其保障对象的重要性， 同时为了保证操作人员、环境的安全性，对尾气后 处理有特别高的要求。为了克服单一净化方式的不 足，目前最佳的净化方案通常需要综合使用多种措 施，而水洗消烟系统可同时进行消烟并净化有害气 体，还具备降温降噪功效，是一种经济高效的“多 效净化器” 。 2净化器的设计方案 在湿式净化方法中，采用喷淋法是由于其系统 具有排气阻力小， 净化效率高， 降温效果好等优点。 如图 1 所示，在喷淋消烟系统的初步设计中， 系统自下而上进气，4 个喷头分别位于两侧与顶 部，通过中间隔板将净化腔分为两部分，上下腔内 各有一块中间封死、周边开孔的穿孔板。排气进入 腔体下部时，两侧喷水雾进行气液初步混合净化； 气体进入上部后则再次得到顶面喷水雾的净化；由 于管道高于中间隔板，顶部喷水会在隔板和管道上 露部分存储一定的水，扩散的烟气进一步得到洗涤 过滤，从而达到良好的净化效果。排水口加引管使 流出的水进入容器，通过水泵将容器的水抽回系 统，从而达到水的循环使用。需要解决的问题是系 统的体积设置，排水口与排烟口的位置设置。 doi:10.3969/j.issn.1671- 0614.2010.03.006 22- （ 359 ） 3净化器内部流场和温度场的数值模拟 3.1 净化器简化模型 在利用 CFD 方法对净化器内部流场、温度场 进行数值模拟时，首先要建立仿真模型。限于软件 本身对小孔的计算能力，在反映净化器内部气流真 实流动特性的前提下，必须对其内部结构进行必要 的简化。简化后的净化器三维 CAD 模型如图 2 所 示：对 4 个喷头作了简化处理，以充满水的圆环作 为喷头的模拟。 3.2 计算工况与边界条件 在进行净化器内流场、 温度场的耦合计算时， 大 气压强为标准大气压强， 环境温度为 23。净化器 进、排气口分别采用速度入口边界条件和自由出口 边界条件。 对于净化器内部各装置的边界条件， 通过 试验测量以及查阅资料确定相关参数和边界条件。 对柴油机排气入口施加速度入口边界条件，由 试验测量得到v=8.2 m/s，初始温度为 423 K；对 4 个喷头位置施加速度入口边界条件，其试验值为 4.1 m/s，初始温度为 290 K；对 2 个出口分别施加 自由出口边界条件；其它面包括净化器内部的固体 表面均施加无滑移边界条件。 3.3 计算过程 本文模拟的问题是多相流动，其中包括了气 体、微粒、水等多种物质，采用的方法为多相流求 解 （ Mutiphase Flow ）。鉴于其分析方法的难度和对 计算机的极高要求，本文将模型简化为气体和水的 二相流动，这是因为微粒在气体中是均匀分布的， 可以从气体的最终分布推测出微粒的分布情况。二 相流 （ Two- phase Flow ） 模型的解决难度相对较低， 目前已在基础研究和工程上得到了广泛的使用。目 前数值模拟对二相流中的研究通常有两种处理方 法：欧拉方法和拉格朗日方法12。本文采用的是欧 拉多相流模型。 本文采用的标准k- 两方程物理模型是基于 Reynolds 时均法建立的，是在双方程数学模型中应 用最广泛的湍流流动计算数学模型，也是一个经过 实践检验较为成功的模型。采用k- 模型求解湍 流流动对流换热问题时，控制方程是从流体力学的 基本方程出发，引入时均值和脉动值的概念，经过 假设和简化，最终可得到适用于湍流流动的控制方 程式，其中包括连续性方程、动量方程、能量方 程、湍流动能k方程及湍流能量耗散方程。 3.4 收敛准则 迭代的收敛准则要求动量方程前后两步迭代结 果之间的相对残差小于 10-6，其他方程前后两步迭 代结果之间的相对残差小于 10-3，同时设置水气混 合物的平均流速监视曲线和水气混合物的平均温度 监视曲线，当曲线中的流速和温度值达到基本稳定 状态后也可认为此时的计算结果已经收敛。实际模 拟过程迭代第 217 步时达到平稳收敛， 如图 3 所示。 3.5 计算结果分析 从速度场的模拟结果上看，水气的混合十分充 分，这样在柴油机的排气中，碳烟微粒可以与水雾 充分混合净化，从而达到设计要求，参见图 4。从 温度场上观察，水雾大量吸收排气热量，稳态后， 最终出口温度只有 294.1 K，很好地达到了降温的 效果，如图 5 所示。但同时，2 个出口都有水气混 合物排出，一定程度上会影响这部分气体的净化与 降温效果，下口本来设置为出水口，但由于气体的 扩散特征使得下口出气显得不可避免，只有尽量以 减小出口面积来减少气体排出量，但上口喷出水是 完全可以避免的，可以向上引出一定高度的排气 管，这样本来会排出的水分由于重力作用回到箱体 图 1水洗消烟系统设计图 图 2简化后的净化器三维 CAD 模型 23- 图 4流场矢量分布图 图 3收敛过程监视 （ 360 ） 里。因此，从模拟结果上看，排气进、出口直径均 应设计为 20 mm，出水口直径设计为 10 mm，其他 尺寸位置按原设计不变，向上延长排气管后，就可 以制作净化器实物进行试验。 4净化器等比模型的试验研究 为了进一步研究喷淋装置的性能，在准备实物 试验之前，首先制作了一个 11 的纸箱模型，如 图 6 所示。 利用电吹风模拟柴油机的排气系统。通过试验 效果对比，得到较之 10 mm孔径，隔板孔径取 6 mm时， 更有利于在孔上形成水膜， 增大接触面积， 更有利于排气与吸收液的接触；调节水管喷头后发 现， 当调节到雾面较大(10 cm左右)、 喷力较强状态 时，更有利于气液结合，这是因为雾面过小，喷力 太强，无法使雾面与吸收液充分接触；而雾面过 大，在喷雾面法向上无法使排气充分吸收。 通过如上改进，可以制作净化器实物，并在 6135 柴油机上进行排气净化试验。 5净化器等比模型的试验研究 5.1 试验前准备 基于上述模拟过程和等比模型试验，按照纸箱 的尺寸，制作了一个铁制箱体，采用 6 mm（ 已选 定 ） 孔径隔板。利用车轮内胎材料加固密封 4 个进 水口，选择湖北恒利达公司的 LB30 型喷头，固定 前将喷头调至雾面较大，喷力较强位置。水泵选用 广东凌霄公司的 15WG- 12 微型增压泵。试验设备 包括 6135 型柴油机、水洗消烟系统、温度计、 FGA- 4015 五组分尾气分析仪、比对试纸、U 型 管。其规格如表 1 所示。 试验分为以下五步： （1 ） 连接喷头、水管、 水泵和水洗消烟系统等其他各组件； （ 2 ） 拆除柴 油机排气烟管； （ 3 ） 准备好进排水装置，连接柴 油机组与水洗消烟系统； （ 4 ） 水泵加电，开启水 洗消烟系统； （ 5 ） 启动发动机，观察记录。 5.2 试验结果分析 试验结果表明，喷淋式净化系统的吸烟效果良 图 5出口、入口温度场 图 6等比模型 24- （ 361 ） 好，无论是对启动时的第一股黑烟还是在怠速或加 载等稳定工况下，黑烟较未设置净化系统前明显减 少，基本上看不见黑烟；系统排气背压较低，整个 工作过程中发动机运行情况良好；排气温度和排气 噪声明显降低。试验结果如表 2 所示。 试验时，消烟系统开启于柴油机之前，所以一 定程度上避免了柴油机起动时的第一股黑烟现象。 同时在整个试验过程中，各个工况下的黑烟还是明 显减少，尾气颜色也由水洗前的黑色变成了水洗后 的青蓝色。这主要是由于喷头喷出的水雾雾化效果 好，水雾面较大，喷水力量较强，水、气、微粒物 的接触十分充分，保证了过滤的效果。NOx净化效 果良好，因此，该系统的尾气净化达到了预期的效 果。 由于该系统的净化原理在于“消烟洗气” ，并 未用强阻尼材料或结构对气体和微粒进行阻拦过 滤，因此，系统的排气背压非常低，这是其他尾气 净化系统无法相比的。 2 个出口 1、2 的温度都较低，均低于 30， 这也主要归功于水、气、微粒的接触充分；另外， 水的循环使用也在一定程度上降低了水温，如果温 度不断积累后有一定的提高，可以通过更换新的水 来完成降温和去污，此过程甚至不用关机进行。此 外，试验中还发现出口 1 的温度低于出口 2，其原 因是出口 1 的气液接触不如出口 2 充分。但无论出 口 1 还是出口 2，开机工作 1 个小时，温度都在 2030之间，手能直接接触水和气体，可以说降 温达到了很好的效果。系统的结构在一定程度上也 有利于排气噪声的降低，试验测量结果表明在各工 况下排气噪声在安装净化系统后都有不同程度的下 降。 6小结 通过数值模拟和等比模型试验，设计并优化了 喷淋式消烟系统，通过制作过滤器进行的试验验证 了该系统的可行性，从试