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摘要：本文针对某型船用中速柴油机在启动或低负荷工况加载荷时尾气排放质量差，黑烟明显问题，利用尾气颗粒物在高温环境中与氧气在催化剂作用下发生反应原理，提出了一种降低在该工况黑烟排放的反应器装置技术方案设计，并进行了几何建模与仿真计算，结果显示能够适用减排需求。
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.
关键词：尾气减排;脱除颗粒物;反应器;低负荷;环保改造
Key words： exhaust emission reduction;particulate removal;reactor;low load;environmental protection transformation
中图分类号：U664.121.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0041-03
0 引言
近些年来，随着环境保护要求的日益提升，对船舶尾气处理成为人们越来越关注的问题，而船舶产生尾气的主要装置为柴油机，作为将燃料的化学能通过燃烧转化为机械能的设备，在启动及低负荷加载时往往由于空气量的不足或燃油的大量喷入，在气缸内造成燃烧不充分，生成颗粒物、非甲烷总烃及一氧化碳等物质，并形成明显的黑烟。而船舶运营过程中，离靠码头、处理突发情况等，启动柴油机及低负荷加载荷等工况，这种排放冒黑烟的情况不可避免，因此，开发一种减少黑烟排反应器装置，降低柴油机尾气中颗粒物和黑烟形成，对环境保护有十分重要的意义。
本文首先借助Gambit软件对减少黑烟排放反应器装置进行几何建模和网格划分，Gambit软件是面向CFD的前处理器软件，它包含全面的几何建模功能和强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量网格。然后利用FLUENT软件对烟气经过减少黑烟排放反应器装置的流场进行仿真，分析烟气流速的均匀性，FLUENT软件解算器采用完全的非结构化网格和控制体积法。
1 黑烟减排反应装置设计
某型船用中速柴油机在低负荷工况下，尾气存在明显的黑烟现象，对该型柴油机台位动车现场实测，得到该型柴油机排放特性如表1所示。
通过实测数据发现，该型柴油机在启机及25%工况以内，加载荷时尾气中黑烟浓度过大，需进行减排治理，本文所研究的减排技术方案设计目标是针对该型柴油机在启机及25%工况以内加载荷，不形成明显黑烟。
1.1 系统设计构成
系统设计原理如图1所示，主要裝置为：①安装在排气总管上的减少黑烟排放反应器装置;②安装在排气旁通管路上的旁通阀EXVH0801;③安装在减少黑烟排放反应器装置前部的进口温度传感器TTH0201;④分别安装在减少黑烟排放反应器装置前部和后部的压差传感器PDTH0201。
1.2 减少黑烟排放反应器装置系统工作原理
当柴油机在25%以下负荷工况下运行时，此时旁通阀关闭，废气通过减少黑烟排放反应器装置，经过催化反应实现减排;当柴油机负荷升至25%以上时，旁通阀开启，烟气通过旁通管正常排出。
该系统设置减少黑烟排放反应器装置清理提醒功能，当减少黑烟排放反应器装置内背压达到3.5kPa时，减少黑烟排放装置控制系统将发出减少黑烟排放反应器装置系统清理提醒，当减少黑烟排放反应器装置内背压达到4kPa时，旁通阀强制开启，以确保柴油机安全工作。
1.3 减少黑烟排放反应器工作原理
减少黑烟排放反应器装置在结构上是一个耐高温的壁流式过滤器，内部填装催化剂层，如图2所示。柴油机废气流经过滤器时，气流会流过减少黑烟排放反应器装置中带有小孔的壁结构，将颗粒物滞留在图中灰色区域，从而将废气中颗粒物降低90%以上。然后，被捕捉的颗粒物（主要是碳颗粒）在废气550℃高温环境中与氧气在催化剂作用下发生反应，生成二氧化碳，完成再生[1][2]。
1.4 系统的电控系统构成 该系统的电控系统主要有：①安装于集控室的HMI，用于对该系统控制与参数的监测等;②控制箱安装于机舱，内置控制CPU、信号采集模块与RS485通讯模块等，一方面用于与HMI、AMS与Engine CS等设备通讯，另一方面用于采集传感器信号，控制旁通阀的开度;③外部执行机构与传感器[3]。系统电气控制原理框图如图3所示。
2 减少黑烟排放反应器装置流场分析
2.1 反应器计算的参数假设
反应器内催化剂层使用多孔介质来替代，在多孔介质区域，单位长度的理论压降由公式（1）确定[6]：
（1）
式中，ΔP为多孔介质两侧压差，单位Pa;L为多孔介质区域的长度（厚度），单位m;Pi为通过多孔介质流体的惯性阻力系数;Pv为通过多孔介质流体的粘性阻力系数，单位kg/m3s;v为通过多孔介质流体的速度，单位m/s。
通过催化剂层的压降、催化剂基本尺寸数据，可拟合得到催化剂层的压降与流经催化剂烟气的速度关系式，从而计算出催化剂层的一次项阻力系数和二次项阻力系数。
废气中主要的气体成分是氧气和氮气，因此，以空气替代反应器中的废气来计算烟气速度均匀性和反应器压降。
其它假设：
①所有壁面采用的无滑移边界;
②反应器有保温层，可认为所有壁面绝热;
③入口导流器厚度相对于反应器尺寸来说非常小，做无厚度壁面处理[4]。
2.2 设计计算
几何模型描述，减少黑烟排放反应器装置几何建模如图4所示，计算网格划分如图5所示[5]。
材料物性，采用空气为流动介质，考虑到气体的可压缩性，认为空气为理想气体，空气密度按公式（2）计算[6]：
（2）
式中，Pa为绝对压力，单位Pa;MW为介质的摩尔質量，单位kg/mol;R为理想气体常数，单位8.314 J/（mol·K）;T为气体温度，单位K。
另外因系统绝热，空气的比热容（Cp）、导热系数（？姿）和粘度（？滋）均按常数给定。
工况说明，鉴于计算目的为得到反应器的催化剂入口速度均匀性。计算工况条件如表2所示。
计算模型，假设计算为稳态计算，湍流处理采用RANS方法，计算工质为空气，工质应用理想气体模型，湍流模型为Standard k-ε模型[6][7]。
边界条件/约束条件，反应器入口采用质量流量入口，出口为压力出口。催化剂区域按多孔介质处理，给粘性阻力系数和惯性阻力系数，反应器孔隙率为0.64[6][7]。
2.3 计算结果
催化剂入口的速度分布是否均匀直接影响催化剂的催化转化效率，流速不均匀会在催化剂中心区域产生过高的气流速度和温度，加剧催化剂的失效速度，缩短其使用寿命。通常利用速度均匀性系数来评价入口的速度是否均匀。均匀性系数γ具体计算如公式（3）[6]：
（3）
式中， 为参数（速度）在所取面上的平均值;？准f为参数（速度）在单个网格面上的取值;Af为单个网格面的
面积。
反应器中心平面速度分布如图6所示，烟气在催化剂入口速度分布如图7所示。
均匀性系数越大越接近于1，表示参数（速度）在所取截面上的分布越均匀。通过计算得到，反应器催化剂入口的速度均匀性系数为0.995。
3 结论
经仿真分析，柴油机废气在经过该设计方案的反应器时，气流在催化剂入口处的速度均匀性较好，能够保证稳定催化，可以有效解决柴油机启动及低负荷加载时尾气排放质量差，黑烟明显的问题。
参考文献：
[1]张大成.柴油颗粒过滤器（DPF）尾气处理及再生原理[J].汽车维护与修理，2015（11）：38-40.
[2]张勇，张春玲，刘鲁宁.柴油机尾气处理装置（DPF）的实验研究[J].山东建筑大学学报，2009，24（1）：27-30.
[3]Khaled Kamel. Eman Kamel.著.朱永强.王文山，等译. PLC工业控制[M].机械工业出版社，2015.7（2019.9重印）.
[4]朱亚永，赵昌普，王耀辉，孙雅坤.柴油机DPF流场压降及微粒沉积特性数值模拟[J].内燃机学报，2017，35（06）：538-547.
[5]丁源，王清.ANSYS ICEM CFD 从入门到精通[M].清华大学出版社，2013，1.
[6]张兆顺，崔桂香.流体力学[M].三版.清华大学出版社，2015，7.
[7]刘斌.Fluent 19.0 流体仿真从入门到精通[M].清华大学出版社，2019，5.
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.
关键词：尾气减排;脱除颗粒物;反应器;低负荷;环保改造
Key words： exhaust emission reduction;particulate removal;reactor;low load;environmental protection transformation
中图分类号：U664.121.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0041-03
0 引言
近些年来，随着环境保护要求的日益提升，对船舶尾气处理成为人们越来越关注的问题，而船舶产生尾气的主要装置为柴油机，作为将燃料的化学能通过燃烧转化为机械能的设备，在启动及低负荷加载时往往由于空气量的不足或燃油的大量喷入，在气缸内造成燃烧不充分，生成颗粒物、非甲烷总烃及一氧化碳等物质，并形成明显的黑烟。而船舶运营过程中，离靠码头、处理突发情况等，启动柴油机及低负荷加载荷等工况，这种排放冒黑烟的情况不可避免，因此，开发一种减少黑烟排反应器装置，降低柴油机尾气中颗粒物和黑烟形成，对环境保护有十分重要的意义。
本文首先借助Gambit软件对减少黑烟排放反应器装置进行几何建模和网格划分，Gambit软件是面向CFD的前处理器软件，它包含全面的几何建模功能和强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量网格。然后利用FLUENT软件对烟气经过减少黑烟排放反应器装置的流场进行仿真，分析烟气流速的均匀性，FLUENT软件解算器采用完全的非结构化网格和控制体积法。
1 黑烟减排反应装置设计
某型船用中速柴油机在低负荷工况下，尾气存在明显的黑烟现象，对该型柴油机台位动车现场实测，得到该型柴油机排放特性如表1所示。
通过实测数据发现，该型柴油机在启机及25%工况以内，加载荷时尾气中黑烟浓度过大，需进行减排治理，本文所研究的减排技术方案设计目标是针对该型柴油机在启机及25%工况以内加载荷，不形成明显黑烟。
1.1 系统设计构成
系统设计原理如图1所示，主要裝置为：①安装在排气总管上的减少黑烟排放反应器装置;②安装在排气旁通管路上的旁通阀EXVH0801;③安装在减少黑烟排放反应器装置前部的进口温度传感器TTH0201;④分别安装在减少黑烟排放反应器装置前部和后部的压差传感器PDTH0201。
1.2 减少黑烟排放反应器装置系统工作原理
当柴油机在25%以下负荷工况下运行时，此时旁通阀关闭，废气通过减少黑烟排放反应器装置，经过催化反应实现减排;当柴油机负荷升至25%以上时，旁通阀开启，烟气通过旁通管正常排出。
该系统设置减少黑烟排放反应器装置清理提醒功能，当减少黑烟排放反应器装置内背压达到3.5kPa时，减少黑烟排放装置控制系统将发出减少黑烟排放反应器装置系统清理提醒，当减少黑烟排放反应器装置内背压达到4kPa时，旁通阀强制开启，以确保柴油机安全工作。
1.3 减少黑烟排放反应器工作原理
减少黑烟排放反应器装置在结构上是一个耐高温的壁流式过滤器，内部填装催化剂层，如图2所示。柴油机废气流经过滤器时，气流会流过减少黑烟排放反应器装置中带有小孔的壁结构，将颗粒物滞留在图中灰色区域，从而将废气中颗粒物降低90%以上。然后，被捕捉的颗粒物（主要是碳颗粒）在废气550℃高温环境中与氧气在催化剂作用下发生反应，生成二氧化碳，完成再生[1][2]。
1.4 系统的电控系统构成 该系统的电控系统主要有：①安装于集控室的HMI，用于对该系统控制与参数的监测等;②控制箱安装于机舱，内置控制CPU、信号采集模块与RS485通讯模块等，一方面用于与HMI、AMS与Engine CS等设备通讯，另一方面用于采集传感器信号，控制旁通阀的开度;③外部执行机构与传感器[3]。系统电气控制原理框图如图3所示。
2 减少黑烟排放反应器装置流场分析
2.1 反应器计算的参数假设
反应器内催化剂层使用多孔介质来替代，在多孔介质区域，单位长度的理论压降由公式（1）确定[6]：
（1）
式中，ΔP为多孔介质两侧压差，单位Pa;L为多孔介质区域的长度（厚度），单位m;Pi为通过多孔介质流体的惯性阻力系数;Pv为通过多孔介质流体的粘性阻力系数，单位kg/m3s;v为通过多孔介质流体的速度，单位m/s。
通过催化剂层的压降、催化剂基本尺寸数据，可拟合得到催化剂层的压降与流经催化剂烟气的速度关系式，从而计算出催化剂层的一次项阻力系数和二次项阻力系数。
废气中主要的气体成分是氧气和氮气，因此，以空气替代反应器中的废气来计算烟气速度均匀性和反应器压降。
其它假设：
①所有壁面采用的无滑移边界;
②反应器有保温层，可认为所有壁面绝热;
③入口导流器厚度相对于反应器尺寸来说非常小，做无厚度壁面处理[4]。
2.2 设计计算
几何模型描述，减少黑烟排放反应器装置几何建模如图4所示，计算网格划分如图5所示[5]。
材料物性，采用空气为流动介质，考虑到气体的可压缩性，认为空气为理想气体，空气密度按公式（2）计算[6]：
（2）
式中，Pa为绝对压力，单位Pa;MW为介质的摩尔質量，单位kg/mol;R为理想气体常数，单位8.314 J/（mol·K）;T为气体温度，单位K。
另外因系统绝热，空气的比热容（Cp）、导热系数（？姿）和粘度（？滋）均按常数给定。
工况说明，鉴于计算目的为得到反应器的催化剂入口速度均匀性。计算工况条件如表2所示。
计算模型，假设计算为稳态计算，湍流处理采用RANS方法，计算工质为空气，工质应用理想气体模型，湍流模型为Standard k-ε模型[6][7]。
边界条件/约束条件，反应器入口采用质量流量入口，出口为压力出口。催化剂区域按多孔介质处理，给粘性阻力系数和惯性阻力系数，反应器孔隙率为0.64[6][7]。
2.3 计算结果
催化剂入口的速度分布是否均匀直接影响催化剂的催化转化效率，流速不均匀会在催化剂中心区域产生过高的气流速度和温度，加剧催化剂的失效速度，缩短其使用寿命。通常利用速度均匀性系数来评价入口的速度是否均匀。均匀性系数γ具体计算如公式（3）[6]：
（3）
式中， 为参数（速度）在所取面上的平均值;？准f为参数（速度）在单个网格面上的取值;Af为单个网格面的
面积。
反应器中心平面速度分布如图6所示，烟气在催化剂入口速度分布如图7所示。
均匀性系数越大越接近于1，表示参数（速度）在所取截面上的分布越均匀。通过计算得到，反应器催化剂入口的速度均匀性系数为0.995。
3 结论
经仿真分析，柴油机废气在经过该设计方案的反应器时，气流在催化剂入口处的速度均匀性较好，能够保证稳定催化，可以有效解决柴油机启动及低负荷加载时尾气排放质量差，黑烟明显的问题。
参考文献：
[1]张大成.柴油颗粒过滤器（DPF）尾气处理及再生原理[J].汽车维护与修理，2015（11）：38-40.
[2]张勇，张春玲，刘鲁宁.柴油机尾气处理装置（DPF）的实验研究[J].山东建筑大学学报，2009，24（1）：27-30.
[3]Khaled Kamel. Eman Kamel.著.朱永强.王文山，等译. PLC工业控制[M].机械工业出版社，2015.7（2019.9重印）.
[4]朱亚永，赵昌普，王耀辉，孙雅坤.柴油机DPF流场压降及微粒沉积特性数值模拟[J].内燃机学报，2017，35（06）：538-547.
[5]丁源，王清.ANSYS ICEM CFD 从入门到精通[M].清华大学出版社，2013，1.
[6]张兆顺，崔桂香.流体力学[M].三版.清华大学出版社，2015，7.
[7]刘斌.Fluent 19.0 流体仿真从入门到精通[M].清华大学出版社，2019，5.