柴油機選擇性催化還原后處理系統(tǒng)的數值模擬

陳代金，鄭明剛，許伯彥，張現(xiàn)成

(1.山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101;2.山東建筑大學機電工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

車用重型柴油機尾氣中的顆粒物(PM)和氮氧化物(NOx)已成為城市空氣的主要污染源。國Ⅲ以前的排放標準可通過優(yōu)化柴油機燃燒系統(tǒng)來實現(xiàn)，但國Ⅳ及其以上排放標準僅依靠合理的組織燃燒過程等機內凈化措施已經無法滿足。歐洲已在2008年10月開始實施歐Ⅴ標準，我國北京、上海等城市以已舉行奧運會為契機，已于2008年開始在實施國Ⅳ標準，但2013年7月在全國將全面實施國Ⅳ標準。而使用排氣后處理技術是目前國際上減少PM、NOx排放最有效的手段，已成為各國柴油機研究的熱點，所形成的產業(yè)正在歐美日等國蓬勃興起，我國也開展了相應的研究。其中，采用32.5%尿素水溶液作為還原劑的選擇性催化還原(SCR)技術能夠有效降低柴油發(fā)動機尾氣氮氧化物(NOx)的排放[1]，在我國尿素－SCR技術以其抗硫性能好，被認為是重型柴油機最可行的NOx排放控制后處理技術[2]。本文應用AVL-FIRE(V2008)通用CFD軟件，根據Eley－Rideal機理對以32.5%尿素水為還原劑為柴油機的選擇性催化還原系統(tǒng)進行了數值建模[3，4]。在驗證了計算模型可行性的基礎上，數值解析了不同尿素水的添加方案對NOx還原效率的影響等，其結果對優(yōu)化設計柴油機選擇性催化還原后處理裝置提供了理論依據。

1 歐洲的Urea(尿素)－SCR系統(tǒng)

1.1 尿素－SCR的工作原理

尿素選擇性催化還原使用的還原劑是含有32.5%尿素的水溶液[5]，利用燃料供給裝置將尿素水溶液與發(fā)動機尾氣進行混合，尿素水溶液在高溫廢氣中轉化為氨氣，在催化劑的作用下把廢氣中的NOx還原為N2和H2O，這樣達到了降低NOx的目的。圖1為簡化的SCR催化器系統(tǒng)結構圖，32.5%的尿素水溶液被噴入到排氣管內部后的主要反應過程如下[6]:

①排氣管和SCR催化器內的反應過程

尿素水溶液在高溫廢氣中(溫度高于300℃)結晶為尿素固體顆粒;尿素熱解反應為等物質的量的異氰酸(HNCO)與氨氣;異氰酸接著水解為等物質的量的二氧化碳與氨氣。SCR的催化劑對反應過程(2)起到催化進行作用，能夠促進異氰酸的繼續(xù)水解過程。

②SCR催化器內的反應過程

圖1 簡化的尿素－SCR系統(tǒng)尺寸示意圖

1.2 尿素－SCR的試驗

對Cummins ISBe140型柴油機在轉速1800r/min時進行了發(fā)動機臺架試驗，測定了在不同負荷工況下的試驗數據如表1，它為數值模擬的進行提供了初始邊界條件。

表1 發(fā)動機穩(wěn)定工況試驗數據

2 SCR系統(tǒng)CFD模型建立與驗證

2.1 網格模型的建立

SCR催化器CFD模型的建立:首先利用三維造型軟件Pro/E根據由表1得到的測試發(fā)動機的排氣數據，過稀的混合氣使NOx轉化效率降低，故研究建立了稀燃NOx催化器系統(tǒng)的幾何模型，并以STL文件格式輸出;然后利用FIRE的網格生成器生成網格。如圖2所示。

圖2 催化器ProE三維幾何模型

2.2 計算模型及邊界初始條件

數值模擬涉及到氣流傳送、噴霧、催化劑多孔結構、氣象反應與催化反應體系，所以耦合了fire中的五種模型，包括物質輸運模型、噴霧模型、多孔介質模型、氣相反應模型與催化反應模型[7]。在模擬計算過程中為了研究溫度的影響，選取四個工況點有代表性的示如表1，對于進口邊界采用給定質量流量的方式，以便于邊界條件的輸入，對于湍流參數設定將5%進口平均速度的平方設為湍動能值，特征長度值設定進口直徑的10%[8];出口邊界條件參數設為靜壓，壓力為1.01MPa;壁面邊界條件參數的設置均相同，其速度分量均是0。模擬中進口各組分濃度的設定，均根據發(fā)動機臺架試驗測量值進行[9]。對于尿素還原劑的噴射，通過化學反應的理論比值，按照其與尾氣中NOx的物質的量比值為1.2∶1進行[10]。

2.3 模型的可行性驗證

為了檢驗 SCR催化器化學動力學模型 ，通過發(fā)動機臺架試驗進行試驗驗證，實驗條件在表1中明示，模擬結果和試驗結果對比曲線如圖3所示。由圖3可知模擬得到的轉化效率要高于實際的試驗結果，這是因為模擬中考慮的是一種理想狀態(tài)時的化學反應，這與預測的結果相吻合，但總體上來看二者的變化趨勢是一致的，模擬結果與試驗結果有很好的一致性，可以有效地對實際結果進行預測。

圖3 模擬結果和試驗結果對比

3 三維模擬結果及分析

表2 尿素添加方案

圖4 不同尿素噴射方案的液滴分布

針對如表2所示的4種尿素的添加方案，從噴嘴的型號、噴射方向、噴孔數目對柴油機NOx催化器還原劑尿素與所排廢氣的混合過程進行計算模擬，通過考察4種不同方案下催化器內部NH3的濃度分布，研究了噴射方向和噴油器形式等因素對還原劑濃度分布產生的影響。

圖5 不同方案下還原劑NH3濃度分布

通過比較方案1和方案2的噴霧液滴分布，可以看出，不同孔數的噴射可以得出不同還原劑分布范圍，6孔噴油器比4孔得到的還原劑分布范圍更大更均勻。

通過比較方案1和方案3的噴霧液滴分布，可以發(fā)現(xiàn)，對于兩種尿素噴射方式，沿著排氣管中心線方向噴射情況下還原劑濃度的分布均勻性要比垂直排氣管壁方向情況下好很多。方案3中還原劑的分布不夠均勻，其只在下半圓內分布，另外半圓分布很少。

通過比較方案1和方案4的噴霧液滴分布，可以看出兩種不同的噴油器各有優(yōu)缺點，孔式噴油器的優(yōu)點在于它能將還原劑分散到更大的區(qū)域范圍。方案1中截面靠近管壁處的邊緣一帶存在濃稀交錯的區(qū)域，而方案4中還原劑濃度的分布區(qū)域接近同心圓的形狀?？梢钥闯觯S針式噴油器的圓周方向分布均勻性更好，這點是軸針式噴油器的優(yōu)勢所在。

4 結論

(1)對于尿素－SCR系統(tǒng)的研究表明，在穩(wěn)態(tài)工況下，NOx的轉化與催化劑的溫度相關，溫度越高催化劑的性能越好，轉化率越高。

(2)尿素噴射方向的比較，尿素沿著排氣管中心線逆向噴射情況下要比垂直排氣管壁方向情況下獲得更為均勻的還原劑分布，并且6孔要比4孔更優(yōu)。

(3)尿素噴射噴嘴形式的比較:孔式尿素噴射能將還原劑在催化器內分散到更大更廣的區(qū)域范圍，軸針式尿素噴射可以得到更好的圓周方向分布，兩者各有特點，但轉化率上前者要優(yōu)于后者。

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