CN103775253B - 一种用于柴油机的废气预处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于柴油机的废气预处理系统，沿废气的流向依次设置有加湿装置、旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管；旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管的内部设有中心体，旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管的管壁与中心体之间的空间区域形成废气的流动通道。旋流分离器内通过中心体的半椭球体段设有螺旋叶片，螺旋叶片按螺旋线采用不等螺距法设计。拉伐尔喷管的喉口处设有第一颗粒物出口，用于废气中分离中的硫化物及颗粒物的排出。本发明结构简单，制造和使用成本低，不需要增加过多的设备即可为柴油机提供净化后的废气，并降低硫化物的排放，使其能够满足更为严格的排放要求。

Description

一种用于柴油机的废气预处理系统

技术领域

本发明涉及柴油机废气预处理技术领域，尤其涉及一种用于柴油机的废气预处理系统。

背景技术

废气再循环技术（简称EGR）是目前柴油机降低尾气排放的一项主要技术。为实现废气再循环技术，需将柴油机排出的废气引入进气管，以达到降低氮氧化物排放的目的。由于柴油机（特别是船用柴油机）所用燃料中含硫量过高（一般在1000ppm以上），造成柴油机废气中颗粒物及硫化物含量过高，因此在采用废气再循环技术时，会带来废气再循环系统关键零部件（EGR泵、EGR阀及EGR冷却器等）及柴油机本体关键零部件（进气阀组件、缸套等）的腐蚀及堵塞问题。因而对废气再循环中废气的预处理非常关键。

现有的废气预处理主要采用柴油机微粒捕捉器等技术来解决该问题，具体分析如下：

1、采用以壁流式蜂窝陶瓷块为滤芯的微粒滤清器（DPF），可有效降低柴油机颗粒物排放（降低颗粒物约80%以上）。但其目前面临的突出问题是DPF颗粒滤清器需要消耗大量贵金属（如Pt等）来实现DPF的连续再生，大大增加柴油机的成本（据不完全统计，美国每年大约54%的贵金属都用在了汽车工业上）。

2、为降低排气后处理系统的成本，采用柴油机氧化催化器（DOC）结合颗粒氧化催化器（POC）实现柴油机颗粒物排放的降低（降低颗粒物约505以上）。但其中DOC必须使用低硫柴油，POC同样需要采用贵金属催化剂来实现较好的除颗粒效果。

此外，采用DOC结合POC会带来排气后预处理系统的复杂程度大大增加，不利于其在船用柴油机产品上的应用推广。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种对柴油机废气进行预处理的除硫除颗粒装置，在满足降低尾气排放的同时，有效减少系统使用成本及系统复杂程度。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于柴油机的废气预处理系统，结构简单，使用成本低，能够有效针对柴油机废气进行除硫除颗粒的预处理。

为实现上述目的，在本发明的一个方面，提供了一种用于柴油机的废气预处理系统，沿废气的流向依次设置有加湿装置、旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管；所述旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管同轴；所述旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管的内部设有中心体；所述中心体包括半椭球体段、收缩段、直段、第一扩张段和第二扩张段。所述旋流分离器包括旋流分离器外壳、中心体的半椭球体段和螺旋叶片；所述中心体的半椭球体段上设有所述螺旋叶片，所述螺旋叶片位于所述旋流分离器外壳和所述中心体的半椭球体段之间。所述拉伐尔喷管包括顺次轴向连接的拉伐尔收缩管、喉口和拉伐尔扩张管；所述拉伐尔收缩管的内部对应中心体的收缩段，所述喉口的内部对应中心体的直段，所述拉伐尔扩张管的内部对应中心体的第一扩张段。所述扩压管包括扩压管外壳和中心体的第二扩张段。所述喉口的下端设有第一颗粒物出口；所述第一颗粒物出口与所述喉口一体成型，并垂直于喉口向下延伸一端距离。

可选地，所述旋流分离器外壳、所述拉伐尔喷管和所述扩压管外壳一体成型。

可选地，所述旋流分离器外壳、所述拉伐尔喷管和所述扩压管外壳通过拼装焊接进行固定连接。

进一步地，所述螺旋叶片按螺旋线采用等螺距法或不等螺距法设计，周向均匀布置。

进一步地，所述加湿装置采用微雾加湿或超声波加湿。

进一步地，所述拉伐尔收缩管的入口直径为喉口直径的3～4倍，入口夹角为30～40°，出口夹角为20～30°。

进一步地，所述加湿装置与所述旋流分离器通过管道连通，所述加湿装置位于旋流分离器的上方。

进一步地，所述管道的一部分与所述螺旋叶片同轴，所述管道被设置为：废气通过管道以垂直角度进入旋流分离器；所述废气通过所述管道后正对所述螺旋叶片。

进一步地，所述旋流分离器外壳的下端设有第二颗粒物出口，所述第二颗粒物出口与所述旋流分离器外壳一体成型，并垂直于所述旋流分离器外壳向下延伸一端距离；所述第二颗粒物出口位于所述旋流分离器外壳的末端。

其中，所述旋流分离器外壳的末端是指靠近拉伐尔喷管的一端。

在本发明的另一个方面，提供了一种用于柴油机的废气预处理系统的使用方法，包括以下步骤：

a）柴油机的排气管中排出的废气进入加湿装置进行加湿处理；

b）经过步骤a）加湿处理后的废气进入旋流分离器，对所述废气中的硫化物及颗粒物进行初步分离；

c）经过步骤b）初步分离的废气进入拉伐尔喷管，对废气中的硫化物及颗粒物进行进一步分离，在喉口将硫化物及颗粒物从第一颗粒物出口排出；

d）经过步骤c）处理的废气经过扩压管进行减速和增压，排出废气预处理系统。

在本发明的一个较佳实施例中，一种用于柴油机的废气预处理系统，沿废气的流向依次设置有加湿装置、旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管；所述加湿装置与所述旋流分离器通过管道连通，所述加湿装置位于旋流分离器的上方；所述旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管同轴。所述旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管的内部设有中心体，所述旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管的管壁与中心体之间的空间区域形成废气的流动通道。所述旋流分离器内通过中心体的半椭球体段设有螺旋叶片，所述螺旋叶片按螺旋线采用不等螺距法设计。所述拉伐尔喷管包括顺次轴向连接的拉伐尔收缩管、喉口和拉伐尔扩张管；所述喉口处设有第一颗粒物出口，用于废气中分离中的硫化物及颗粒物的排出。

在本发明的另一个较佳实施例中，一种用于柴油机的废气预处理系统的使用方法，首先，将柴油机的排气管中排出的废气进入加湿装置进行加湿处理；然后，加湿处理后的废气进入旋流分离器，对所述废气中的硫化物及颗粒物进行初步分离；接着，经过初步分离的废气进入拉伐尔喷管，对废气中的硫化物及颗粒物进行进一步分离，在喉口将硫化物及颗粒物从第一颗粒物出口排出；最后，除硫除颗粒后的废气经过扩压管进行减速和增压，排出废气预处理系统。

由此可见，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的用于柴油机的废气预处理系统，结构简单，制造和使用成本低，不需要增加过多的设备即可为柴油机提供净化后的废气，并降低硫化物的排放，使其能够满足更为严格的排放要求。

2、本发明的用于柴油机的废气预处理系统的加湿装置，能够形成吸收硫化物及颗粒物后的废气，通过加湿使得硫化物及颗粒物形成凝聚，增大颗粒的尺寸，形成气-液两相流，明显有利于后续颗粒物的分离。

3、本发明的旋流分离器的螺旋叶片（螺旋型旋流叶片），与传统的弧形或直叶片相比，具有更强的旋流能力，旋流分离效果更好。进一步，螺旋叶片和管道的位置的设定使得废气以垂直角度进入旋流分离器，可以有效提高废气的旋流分离效果。

4、本发明的旋流分离器的末端下方设有颗粒物出口，可以将经过旋流分离器初步分离的硫化物及颗粒物通过该颗粒物出口排出废气预处理系统，实现硫化物及颗粒物的及时排出，减少对系统，特别是拉伐尔喷管的腐蚀和磨损。

5、本发明的拉伐尔喷管采用特殊的计算设计，包括拉法尔收缩管的入口直径与喉口直径的比值、喉口的位置、入口夹角和出口夹角等参数的设计，有利于形成强烈的旋流场，进而加速分离气-液两相流，并在喉口处的第一颗粒物出口将硫化物及颗粒物进行分离和排出。此外，中心体的存在，一方面能够有效解决旋转气体的涡耗散问题，提高旋流分离的效率；另一方面能够减小旋转气体的径向速度梯度，降低能量损失。

6、本发明的扩压管能够对除硫除颗粒后的废气进行减速和增压，一方面能够降低废气进入后续废气处理装置的速度，避免对后续废气处理装置的磨损；另一方面通过增压设置，降低系统压力损失。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的用于柴油机的废气预处理系统的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，在一个实施例中，一种用于柴油机的废气预处理系统，沿废气的流向依次设置有加湿装置1、旋流分离器2、拉伐尔喷管3和扩压管4。旋流分离器2、拉伐尔喷管3和扩压管4同轴；旋流分离器2、拉伐尔喷管3和扩压管4的内部设有中心体5。中心体5沿废气的流向依次包括半椭球体段、收缩段、直段、第一扩张段和第二扩张段。

其中，图中的箭头方向表示了本实施例的用于柴油机的废气预处理系统中废气的流向。

加湿装置1与旋流分离器2通过管道6连通。加湿装置1采用微雾加湿或超声波加湿。当柴油机的排气管排出的废气进入加湿装置1后，首先通过加湿处理，废气中的硫化物及颗粒物等与湿空气形成含硫酸盐等有机可溶成分的气-液两相流；此外，加湿处理后硫化物及颗粒物形成凝聚，增大颗粒的尺寸。

旋流分离器2包括旋流分离器外壳、中心体的半椭球体段和螺旋叶片7。中心体的半椭球体段上设有螺旋叶片7，螺旋叶片7位于旋流分离器外壳和中心体的半椭球体段之间。螺旋叶片7按螺旋线采用等螺距法或不等螺距法设计，周向均匀布置。当旋流分离器2采用螺旋叶片7（又称为螺旋型旋流叶片）时，与传统的弧形或直叶片相比，具有更强的旋流能力，旋流分离效果更好。此外，旋流分离器2采用不等螺距法设计的螺旋叶片7，可减小进气阻力，形成初始的旋流气流。

当然，在本发明的一个较差实施例中，旋流分离器2仍可选用弧形或直叶片等方式，实现气-液两相的初步分离。

可选地，加湿装置1设在旋流分离器2的前方，并与旋流分离器2同轴。废气经过加湿装置1的加湿处理后，直接进入旋流分流器2中进行气-液两相的分离。

其中，旋流分离器2的前方是指沿轴向远离拉伐尔喷3管的一端。

优选地，加湿装置1位于旋流分离器2的上方，加湿装置1与旋流分离器2通过管道6连通。此外，管道6被设置为：废气通过管道6后以垂直角度进入旋流分离器2，废气通过管道6后正对螺旋叶片7。当采用该方式时，可被理解的是，经过加湿处理的废气以垂直角度进入旋流分离器2，可以进一步提交废气的旋流分离效果。

拉伐尔喷管3包括顺次轴向连接的拉伐尔收缩管、喉口和拉伐尔扩张管。拉伐尔收缩管的内部对应中心体的收缩段，喉口的内部对应中心体的直段，拉伐尔扩张管的内部对应中心体的第一扩张段。

对于船用柴油机，其排气系统马赫数不超过0.6，为亚音速流动。从流体力学和工程热力学原理可知，在亚音速范围内，气体在收缩形通道内流动，气流会加速，马赫数增大，气体压力会有所下降，这个过程为膨胀过程。反之，如果亚音速气流在扩张形通道内流动，则气体必然会减速，马赫数减小，气体压力有所升高，这个过程称为压缩过程。

发明人结合如下气体动力学公式，进行拉伐尔喷管的收缩段和第一扩张段的结构设计：

（1）理想气体状态方程：

（2）连续流量方程：

（3）气体的音速方程：

（4）马赫数计算公式：

得到，对于船用柴油机，一种较佳的实际范围为：拉伐尔收缩管的入口直径为喉口直径的3～4倍，入口夹角为30～40°，出口夹角为20～30°，有利于形成强烈的旋流场，加速分离气-液两相流。

拉伐尔喷管3的喉口8的下端设有第一颗粒物出口9；第一颗粒物出口9与喉口8一体成型，并垂直于拉伐尔直线管向下延伸一端距离。当废气进入拉伐尔喷管3后，形成旋流场，根据角动量守恒原理，随着气-液两相流的旋流气流在拉伐尔喷管3中旋转半径的减小，角速度大大增加，两相流旋流进一步增强，并在喉口8处气流速度达到临界状态（音速），将颗粒物及硫化物从第一颗粒物出口9排出，从而实现对废气的除硫除颗粒的净化处理。

扩压管4包括扩压管外壳和中心体的第二扩张段。当废气经过拉伐尔喷管3，在喉口8处将颗粒物及硫化物从第一颗粒物出口9排出后，净化后的废气继续前进，进入扩压管4，随着旋流气流的旋转半径的增大，旋流速度降低，压力增大。可见，废气经过扩压管4，一方面能够降低废气进入后续废气处理装置的速度，避免对后续废气处理装置的磨损；另一方面通过增压设置，降低系统压力损失。

在本实施例中，中心体5与旋流分离器外壳、拉伐尔喷管和扩压管外壳同轴；旋流分离器外壳、拉伐尔喷管和扩压管外壳一体成型。当然，旋流分离器外壳、拉伐尔喷管和扩压管外壳也可以通过拼装焊接进行固定连接。

中心体5的设置，一方面能够有效解决旋转气体的涡耗散问题，提高旋流分离的效率；另一方面能够减小旋转气体的径向速度梯度，降低能量损失。

此外，本实施例的旋流分离器外壳、拉伐尔喷管和扩压管外壳还可以直接利用柴油机的排气管进行改造，能不需要引入其他的设备，可进一步降低改造的空间成本和材料成本。

可被理解的是，旋流分离器外壳的下端还可以增设第二颗粒物出口，第二颗粒物出口与旋流分离器外壳一体成型，并垂直于旋流分离器外壳向下延伸一端距离；第二颗粒物出口位于旋流分离器外壳的末端。旋流分离器的末端下方设有颗粒物出口，可以将经过旋流分离器初步分离的硫化物及颗粒物通过该颗粒物出口排出废气预处理系统，实现硫化物及颗粒物的及时排出，减少对系统，特别是拉伐尔喷管的腐蚀和磨损。

其中，旋流分离器外壳的末端是指沿轴向靠近拉伐尔喷管的一端。

进一步，一种基于上述用于柴油机的废气预处理系统的使用方法，包括以下步骤：

1、柴油机的排气管中排出的废气进入加湿装置1进行加湿处理。

2、经过加湿处理后的废气进入旋流分离器2，对废气中的硫化物及颗粒物进行初步分离。

3、经过初步分离的废气进入拉伐尔喷管3，对废气中的硫化物及颗粒物进行进一步分离，在喉口8将硫化物及颗粒物从第一颗粒物出口9排出。

4、经过除硫除颗粒后的废气进入扩压管4进行减速和增压，排出废气预处理系统。

本实施例的工作原理如下：在柴油机排气管路上，首先加装加湿装置1（可采用微雾加湿或超声波加湿等方式），使柴油机废气中的硫化物、颗粒物等与湿空气形成含硫酸盐等有机可溶成分的气-液两相流。然后将其由旋流分离器2径向引入，其中旋流分离器中的旋转叶片7按螺旋线采用不等螺距法设计以减小进气阻力，形成初始的旋流气流。根据角动量守恒原理，随着两相流旋流气流在拉伐尔喷管中旋转半径的减小，角速度大大增加，两相流旋流进一步增强，提高气-液分离效率。在拉伐尔喷管3的渐缩喷管喉口8处，设置颗粒物及硫化物出口，将颗粒物及硫化物及时排出。在扩压管4段，随着管口直径的增大，超声速气流减速至亚音速气流，使得整个废气后处理系统的总压损失较小。最终经净化后的柴油机尾气可用于后续柴油机减排技术。

由此可见，本实施例的用于柴油机的废气预处理系统，结构简单，制造和使用成本低，不需要增加过多的设备即可为船用柴油机提供净化后的废气，并降低硫化物的排放，使其能够满足更为严格的排放要求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于柴油机的废气预处理系统，其特征在于，沿废气的流向依次设置有加湿装置、旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管；所述旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管同轴；所述旋流分离器、拉伐尔喷管和扩压管的内部设有中心体；所述中心体包括半椭球体段、收缩段、直段、第一扩张段和第二扩张段；

所述旋流分离器包括旋流分离器外壳、中心体的半椭球体段和螺旋叶片；所述中心体的半椭球体段上设有所述螺旋叶片，所述螺旋叶片位于所述旋流分离器外壳和所述中心体的半椭球体段之间；

所述拉伐尔喷管包括顺次轴向连接的拉伐尔收缩管、喉口和拉伐尔扩张管；所述拉伐尔收缩管的内部对应中心体的收缩段，所述喉口的内部对应中心体的直段，所述拉伐尔扩张管的内部对应中心体的第一扩张段；

所述扩压管包括扩压管外壳和中心体的第二扩张段；

所述喉口的下端设有第一颗粒物出口；所述第一颗粒物出口与所述喉口一体成型，并垂直于所述喉口向下延伸一段距离；

所述加湿装置与所述旋流分离器通过管道连通，所述加湿装置位于旋流分离器的上方，所述管道的一部分与所述螺旋叶片同轴，所述管道被设置为：废气通过管道以垂直角度进入旋流分离器；所述废气通过所述管道后正对所述螺旋叶片。

2.如权利要求1所述的用于柴油机的废气预处理系统，其特征在于，所述旋流分离器外壳、所述拉伐尔喷管和所述扩压管外壳一体成型。

3.如权利要求1所述的用于柴油机的废气预处理系统，其特征在于，所述旋流分离器外壳、所述拉伐尔喷管和所述扩压管外壳通过拼装焊接进行固定连接。

4.如权利要求1所述的用于柴油机的废气预处理系统，其特征在于，所述螺旋叶片按螺旋线采用等螺距法或不等螺距法设计，周向均匀布置。

5.如权利要求1所述的用于柴油机的废气预处理系统，其特征在于，所述加湿装置采用微雾加湿或超声波加湿。

6.如权利要求1所述的用于柴油机的废气预处理系统，其特征在于，所述拉伐尔收缩管的入口直径为喉口直径的3～4倍，入口夹角为30～40°，出口夹角为20～30°。

7.如权利要求1所述的用于柴油机的废气预处理系统，其特征在于，所述旋流分离器外壳的下端设有第二颗粒物出口，所述第二颗粒物出口与所述旋流分离器外壳一体成型，并垂直于所述旋流分离器外壳向下延伸一段距离；所述第二颗粒物出口位于所述旋流分离器外壳的末端。

8.如权利要求1所述的用于柴油机的废气预处理系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)柴油机的排气管中排出的废气进入加湿装置进行加湿处理；

b)经过步骤a)加湿处理后的废气进入旋流分离器，对所述废气中的硫化物及颗粒物进行初步分离；

c)经过步骤b)初步分离的废气进入拉伐尔喷管，对废气中的硫化物及颗粒物进行进一步分离，在喉口将硫化物及颗粒物从第一颗粒物出口排出；

d)经过步骤c)处理的废气经过扩压管进行减速和增压，排出废气预处理系统。