一种摩托车加油vOcs排放改良技术成果的研究

0引言

挥发性有机物(VOCS)是光化学污染的重要前体物,加油站汽油挥发是城市VOCS主要排放源之 一。现行GB20952—2020《加油站大气污染物排放标准》要求汽车加油过程实施油气密闭回收,但未明确摩托车加油的管控措施[1] 。由于摩托车油箱结构多样、加油枪嘴无法完全插入油箱口,传统集气罩与油箱口间存在较大空隙,导致油气回收效率不足30%。行业调研显示,全国约12万座加油站中仅3%设有摩托车专用加油位,年均VOCS逸散量超2 000 t[2]。现有研究多聚焦于汽车加油VOCS控制[3—4],针对摩托车的技术方案尚属空白。本文提出一种模块化加油枪套管装置,在不改造现有油枪的前提下,通过优化油气回收孔位与气压平衡设计,显著提升摩托车加油的VOCS回收效率。

1摩托车专用加油枪套管设计

1.1 结构设计原理

摩托车专用加油枪套管装置由固定底座、油枪套管、胶条卡箍和紧钉螺丝组成(图1),适配主流OPW型加油枪[5];固定底座由黄铜材质制造,通过M4×5螺丝固定于OPW型加油枪嘴处的铝环上;油枪套管由304不锈钢材质制造,前端设两排直径≥3 mm的油气回收孔,后端设直径≥2 mm的压差平衡孔(图2);套管与底座通过螺纹连接;卡箍加固防螺丝松动。

该装置的设计充分考虑了与市场主流OpW型加油枪的兼容性。安装时,首先将固定底座可靠地固定在加油枪枪嘴的铝环上。然后,将带有特定孔位的不锈钢油枪套管通过精密螺纹旋接在固定底座上。最后,套上胶条卡箍并用紧钉螺丝锁紧,即完成整个装置的安装。这种设计确保了加装过程简便快捷,且不会对加油枪原有功能造成任何影响。

1.2 气封效应流体力学机制

传统OpW型加油枪的油气回收孔通常位于枪嘴的后段,距离实际加油时与油箱口接触的集气罩前端有60~80 mm的距离。在摩托车加油过程中,当油品以高达35 L/min的流速通过枪嘴注入油箱时,根据流体力学原理,高速油流会在枪嘴出口附近产生文丘里效应[6],该效应导致枪嘴周围局部区域形成瞬时低压区(负压)。由于传统回收孔位置相对靠后,无法有效覆盖这个由高速油流产生的低压核心区,结果,油箱内挥发的油气不仅难以被有效抽吸至回收孔,反而会被这个低压区“抽吸”并裹挟着环境空气,通过集气罩与油箱口之间的缝隙高速逸散至大气中。这正是摩托车加油VOCS逸散率高达70%的核心流体力学原因。

本设计的核心创新在于对油气回收孔的位置进行了前移(图3),将其从枪嘴后段前移50~60 mm,使其加油作业时几乎与油箱口平齐。这一关键改进带来了双重优化效果。

1)形成动态气封区。回收孔前移后,其位置正好位于高速油流产生的文丘里低压区的核心区域附近。在油气回收系统真空泵产生的适度负压作用下(通常设计为—700~—500 pa),前移的回收孔能够更直接、更高效地捕获从油箱口挥发出的油气。当回收孔距离油箱口的物理间隙被缩短至最优的5~10 mm范围时,根据公式(1)流体力学分析,可以在回收孔与油箱口之间狭小的环形空间内建立起一个稳定的动态气密封区(图4)。此区域内的气流方向主要由回收孔向内抽吸主导,有效抑制了油气向外逸散的趋势。

式中:ΔP为气密封压差(pa);P为油气密度(kg/m³);v为油流速度(m/S);A1/A2为套管与油箱口截面积比。

2)引入压差平衡孔。单纯前移回收孔并增强抽吸力,可能带来一个副作用:过大的回收管路负压可能将液态汽油直接吸入回收管道,造成“液阻”,不仅污染回收系统,更会严重降低实际回收效率,甚至损坏设备。为解决此问题,本装置在套管后段专门设计了压差平衡孔(φ≥2 mm)。该孔的作用机理是引入适量的环境空气进入油气回收管路。当回收管路内的负压因抽吸力增强或油流波动而可能变得过大(如低于—0.5 kpa)时,平衡孔允许外部空气进入,从而主动调节并限制管路内的负压水平,将其稳定控制在安全范围内(通常>—0.5 kpa)。这有效避免了液态汽油被虹吸入回收管路的风险,确保了整个油气回收系统(包括真空泵、回收管线)的长期稳定、高效运行。

2 关键性能验证

2.1测试方法

在相同油场环境下,模拟摩托车油箱加油,选用口径为50 mm、容量为20 L的油箱,标准加油操作下,采用氢火焰离子化检测仪(FID,型号EXPEC3050),实时测量距离油箱口垂直方向上10 cm的VOCs浓度(注:VOCs浓度1 ppm即为VOCs体积分数1× 10^-6)。

测试条件:同一加油枪加装套管与未加装套管做对比,分别设定5、10、15 L三种加油量进行加油测试,每组重复3次,取每组VOCs浓度平均值。

EXPEC3050可测量浓度范围:1~50000 ppm浓度以内的挥发性有机物(对于FID检测器来说),其测量精确程度主要视仪器正确校准的程度而定。当被测样气中VOCs浓度过高(超过50 000 ppm),导致样气中含氧量不足,将会引起火焰熄灭。

数据处理:当FID屏显值骤降至40~60 ppm(火焰熄灭)时,判定实际浓度≥50 000 ppm。

2.2结果分析

实验通过对比加装套管前后的VOCs逸散浓度,系统验证了摩托车专用套管装置的减排效能。如表1所示,在5、10、15 L三种加油量下,加装套管后VOCs平均浓度较未加装状态分别降至1 281、2 352、4 696 ppm,对应减排比例高达95.5%、90.6%和85.7%。这一结果充分表明,套管装置对提高VOCs回收能力具有普适性,即能明显提高油气回收效率,且在小加油量(5 L)下表现尤为突出。

2.2.1峰值浓度有效抑制与持续时间缩短

1)峰值抑制:在未加装套管的状态下进行测试,加油过程进入中后期时,VOCs逸散浓度普遍且迅速地超过FID的50000 ppm量程上限(表现为FID火焰熄灭),实际峰值浓度可能远高于此,如图5(a)(b)(c)所示。而加装套管后,将加油过程中的VOCs峰值浓度成功压制在8000~26000ppm区间,如图5(d)(e)(f)所示。

2)高浓度窗口缩短:套管装置不仅降低了峰值,更显著缩短了高浓度VOCs逸散的持续时间。以典型的10 L加油测试为例:

(1)未加装套管:如图5(b)所示,加油开始后约第11s,VOCs浓度急剧上升到34000 ppm;到第17s时,VOCs浓度即突破50 000 ppm(仪器熄火),并一直持续这种超高浓度状态直至加油结束(持续7~8 s,取决于流速)。

(2)加装套管:如图5(e)所示,加油全程中,仅在加油中后期(约第16 s)出现一个短暂、相对较低的浓度峰值(约17 000 ppm),随后浓度迅速下降。高浓度(例如>10 000 ppm)的持续时间(约2 s)比未加装状态缩短了60%以上。这清晰地证明,套管形成的动态气封设计有效拦截了由文丘里效应引发的瞬时、高强度的油气喷发逸散。

2.2.2加油量与逸散趋势分析

测试结果也揭示了加油量对逸散浓度的影响规律:在加装套管后,随着加油量从5 L增加到15 L,观测到的VOCs峰值浓度呈现出上升趋势(5L:8 000ppm;10L:17000 ppm;15L:26000 ppm),如图5 (d)(e)(f)所示。这种相关性主要源于油箱内物理状态的变化:随着注入油量的增加,油箱内原有的气相空间被不断压缩,导致该空间内的油气压力逐渐升高。这种升高的压力增强了油气分子向油箱口外逸散的动力(驱动力增大)。因此,即使有套管的气封作用,在加油后期,油箱口附近需要被即时回收的油气浓度和逸散趋势本身也在增强,导致测得的峰值升高。

尽管如此,套管装置的动态气封效应仍然展现出了强大的适应能力。综合分析所有测试数据(不同加油量、不同状态),计算得出加装套管后,整个加油过程(从开始到结束)在油箱口10 cm处测得的VOCs逸散浓度时间平均值,仅相当于未加装套管状态下的13.1%。

这意味着该装置在全局尺度上,将逸散量平均削减了近87%,再次印证了其综合减排效能。

3技术创新优势

1)该技术具有强兼容性,适配主流OPW油枪,无须改造加油机硬件;

2)操作便捷,通过螺纹紧固安装,汽车加油时无须拆卸,实现了“一枪两用”;

3)高效气封设计,前移回收孔结合压差平衡孔,攻克了摩托车油箱口密封难题;

4)低碳推广价值:以低改造成本满足GB 20952—2020《加油站大气污染物排放标准》的精细化治理要求,助力“双碳”目标实现。

4存在问题与改进方向

尽管该套管装置展现出优异的性能和实用性,但在实际大规模应用推广过程中,仍需关注并持续优化以下问题:一是机械松动,长期使用后套管与底座可能松动,需定期检查紧固件;二是小口径油箱适配,部分汽车油箱口较小,需临时拆卸套管。

针对上述问题,未来的技术改进可聚焦于以下方向:一是可优化螺纹防松设计,增加自锁结构;二是开发快拆式套管,提升切换效率。

5 结论

本研究成功设计、开发并验证了一种用于提升摩托车加油过程VOCS回收效率的专用加油枪套管装置。该装置的核心创新在于通过将油气回收孔位置前移50~60 mm至枪嘴前端,并结合压差平衡孔设计,在传统密封失效的摩托车油箱口区域创造性地建立了动态气封效应。

这一设计不仅从流体力学层面重构了油气回收路径,更在工程应用中展现出环保效益与推广潜力,具体体现为以下四大核心价值:一是摩托车加油枪套管装置,通过前移油气回收孔位与气压平衡设计,有效解决了油箱口逸散问题;二是创新性设计的油枪套管通过前移回收孔50~60 mm,建立动态气密封区,将VOCS回收效率从不足30%提升至90%;三是经实测数据验证,加装套管后逸散浓度均值降至未加装状态的13.1%;四是未来可通过自锁螺纹、快拆结构等优化,进一步提升系统鲁棒性。随着加油站VOCS治理要求精细化,本技术可为行业提供可推广的解决方案,助力实现“双碳”目标下的减排任务。

[参考文献]

[1]王思宇,黄玉虎,胡玮,等.加油站油气处理装置作用及VOCS排放现状[J].环境科学研究,2021,34(2):279-285.

[2]韩昊,刘剑筠,廖程浩,等.广东省加油站VOCS排放特征及减排潜力研究[J].环境科技,2023,36(5):1-6.

[3]那忠庆,赖军.加油站油气回收系统[J].油气田地面工程,2012,31(2):75.

[4]詹玉顺.加油站分散式二次油气回收技术分析[J].石油库与加油站,2008,17(5):42-44.

[5]王海坚,吴国栋,廖志宇,等.一种加装在加油站摩托车加油枪的油气回收装置:CN202321537931.6[P].2023-06-15.

[6] 陈硕.文丘里效应在负压风选中的应用[J].机械工程师,2024(5):110-112.

《机电信息》2025年第18期第21篇