基于CFD的SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真研究

李 璞

（韶關(guān)學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，廣東，韶關(guān) 512005）

隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，柴油機排放，特別是氮氧化物（NOx）的排放成為關(guān)注的重點。選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是柴油機控制NOx的主要技術(shù)手段之一，其還原劑有氨基和烴基[1]等，其中以尿素作為氨（NH3）的載體的SCR系統(tǒng)，因其性能和使用的便利性被應(yīng)用到車用柴油機上。國外相關(guān)研究機構(gòu)對尿素SCR系統(tǒng)做了大量的研究和開發(fā)工作, 并且推出了很多商業(yè)化的產(chǎn)品[2-10]，而國內(nèi)對SCR的研究雖也做了大量的工作[1,11-12]，但對SCR催化器的開發(fā)設(shè)計基本停留在傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計基礎(chǔ)上。通過現(xiàn)代發(fā)動機CFD設(shè)計方法對所要開發(fā)的催化器進(jìn)行性能模擬，可實現(xiàn)設(shè)計階段對催化器的優(yōu)化，縮短設(shè)計時間，降低設(shè)計開發(fā)的成本，同時將數(shù)值模擬作為試驗手段的重要補充，為SCR催化器的各種設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

由于反應(yīng)物氨（NH3）的擴散及吸附速率影響了整個催化反應(yīng)的速率，且其在進(jìn)入載體前的空間分布情況直接影響載體內(nèi)的擴散、吸附速率，因此本文以CFD軟件為基礎(chǔ)建立尿素- SCR系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真計算，主要研究噴孔夾角及管道截面突變位置等裝置結(jié)構(gòu)因素對尿素- SCR系統(tǒng)霧化效果的影響，為柴油機尿素-SCR裝置的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

1 尿素- SCR工作原理

SCR系統(tǒng)的主要工作原理是向排氣管中噴入一定量的還原劑，在催化劑的作用下，還原劑與排氣中的NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成無害的氣體排出，達(dá)到降低NOx排放的目的。尿素（Urea）作為氨氣（NH3）的載體, 因具有無毒、無味、穩(wěn)定等優(yōu)點成為車用柴油機SCR技術(shù)的首選還原劑。商業(yè)上稱符合DIN 700070標(biāo)準(zhǔn)的32.5%的尿素水溶液為“AdBlue”。選用AdBlue為還原劑的SCR系統(tǒng)稱為尿素- SCR后處理系統(tǒng)。

尿素- SCR系統(tǒng)的工作過程可以簡化為如下過程：32.5%的尿素水溶液噴入尾氣中后發(fā)生脫水反應(yīng)和熱解反應(yīng)。

(NH2)2CO×7H2O（水溶液）→(NH2)2CO（固態(tài)）+7H2O（氣態(tài)）. （1）

NH2-CO-NH2（固態(tài)）→NH3（氣態(tài)）+HCNO（氣態(tài)）.（2）

其中尿素?zé)峤馍傻腍CNO（異氰酸）在催化劑表面還將發(fā)生水解反應(yīng)。

NH3作為還原劑在催化劑的作用下與NOx發(fā)生催化反應(yīng)，有兩個反應(yīng)占主體。其中一個是標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。

另一個為快速SCR反應(yīng)。

其中，式（5）的反應(yīng)速率比式（4）快10倍左右，其NH3和NOx比都是1∶1。在柴油機尾氣中NO2占總NOx的10%左右，當(dāng)NH3充足，首先發(fā)生NO2與等摩爾的NO按照式（5）進(jìn)行的反應(yīng)，剩下的NO按照反應(yīng)式（4）進(jìn)行，因此為了提高系統(tǒng)的反應(yīng)速率，通常在SCR反應(yīng)器前增加一級氧化還原裝置（DOC）,將部分NO氧化成NO2，讓NO與NO2之間比例接近1∶1，讓反應(yīng)更多地按照式（5）進(jìn)行。

2 尿素- SCR系統(tǒng)模型建立

本文采用FIRE軟件進(jìn)行SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模和仿真計算，F(xiàn)IRE是一個通用的CFD軟件，是基于有限容積法的一個商用軟件，由奧地利著名的柴油機咨詢公司AVL公司開發(fā)。FIRE是針對性較強的模擬發(fā)動機工作過程的覆蓋化學(xué)反應(yīng)的CFD軟件包，其在網(wǎng)格生成方面采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元的形狀可以有六面體、四面體、三面體截面的棱柱體、金字塔形的錐體及6種形狀的其它多面體，還可以與目前通用的CAD/CAE軟件相聯(lián)接，如ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN等， 使 FIRE在 適應(yīng)復(fù)雜計算區(qū)域的能力方面具有特別的優(yōu)勢。

假設(shè)柴油機排氣中的各種污染物均勻分布，則還原劑NH3在進(jìn)入載體前的空間分布情況直接影響NOx的轉(zhuǎn)化率，其分布得越均勻，NOx的轉(zhuǎn)化效果越好。因此SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計對于NH3分布均勻性有重要的影響，即尿素噴射位置、噴嘴的方向、噴孔數(shù)目、噴孔夾角、催化器擴張口形狀及載體前的容積等結(jié)構(gòu)的設(shè)計。國內(nèi)外的一些研究人員對噴嘴位置、噴孔數(shù)目及催化器擴張口的形狀做過相應(yīng)的仿真研究[12-13]，本文主要研究噴孔夾角及管道截面突變位置等結(jié)構(gòu)因素。

2.1 網(wǎng)格生成

圖1（a）為某尿素-SCR裝置三維模型，主要由前置尿素噴射、混合管道和SCR催化器組成，各部分之間用法蘭連接。圖1（b）為其簡化后的尺寸示意圖。其中，Lf為催化器前端尿素噴射霧化段；Lm為整個催化器段；Lc為催化劑載體，噴嘴安裝于載體前端的（a+k）距離處。所用催化劑為釩基，孔密度為62孔/cm2，容積為4.4 L。

固定部分的參數(shù)值見表1。

表1 尿素SCR裝置固定部分尺寸

根據(jù)圖1及表1所示的尺寸，建立SCR裝置計算網(wǎng)格I（其中k為20 mm；Lm為300 mm），如圖2所示，共99 200個計算網(wǎng)格。

2.2 邊界條件

根據(jù)某4缸2.6 L柴油機排放測試結(jié)果設(shè)置邊界條件，采用額定轉(zhuǎn)速（2 400 r/min），100%負(fù)荷（146 N·m）的工況點（工況1）測試結(jié)果。入口邊界條件采用給定質(zhì)量流量和溫度方式，質(zhì)量流量為202.18 kg/h，溫度設(shè)為600 K；紊流參數(shù)中，紊動能設(shè)定為5%進(jìn)口平均流速的平方，紊流特征長度為排氣管水力直徑的10%。入口氣體組分根據(jù)工況1實際排氣測量值簡化后設(shè)置，各組分所占比例見表2，其中N2為平衡氣；出口設(shè)置為靜壓邊界條件，壓力為100 kPa，催化劑按多孔質(zhì)設(shè)置。尿素水溶液的噴射采用噴射模型，進(jìn)入排氣后發(fā)生的水解和熱解過程按照式（1）和式（2）進(jìn)行。

表2 排氣中各種氣體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（工況1）

2.3 評價指標(biāo)

采用催化劑載體前端截面的NH3摩爾分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差S表征NH3的分布均勻程度，S越小表示NH3在該截面上的分布越均勻，定義為

3 尿素-SCR工作過程模擬仿真結(jié)果

3.1 噴孔夾角的影響

柴油機為了提高噴射的霧化效果，往往采用有一定夾角的多噴孔噴油器。因此，通過改變尿素水溶液噴嘴的孔數(shù)和噴孔夾角提高NH3的空間分布均勻性。圖3為噴嘴示意圖（?1/2表示噴孔夾角）。根據(jù)文獻(xiàn)[12]和[13]的研究結(jié)論可知，尿素噴嘴布置在催化劑前端5d以上距離及增加噴孔數(shù)目均有利于NH3的空間分布從而提高NOx的轉(zhuǎn)化率。采用孔數(shù)為4的噴嘴，噴嘴平面法線+ξ與管道軸向平行且與氣流方向成180°，噴嘴位于管道軸線處，距離載體前端面距離（a+k）=5d。

噴孔夾角對NH3分布均勻性的仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，噴孔夾角由0°增加到90°，載體前端截面上NH3摩爾分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差越來越小，即NH3分布得越來越均勻。其原因是當(dāng)噴嘴的孔數(shù)大于1以后，帶有一定夾角的液體噴射更有利于液滴在空間的分散。在實際運用中，SCR裝置在車上布置的空間有限，再加上成本因素，載體前端的混合器管道直徑d不能過大，在較窄的管道內(nèi)垂直于氣流方向噴射尿素會使大量尿素噴射到管壁上，不利于尿素與氣流的混合，因此多噴孔的噴射夾角在45°左右為最優(yōu)。

3.2 管道截面突變的影響

文獻(xiàn)[14]研究表明，尿素噴嘴布置在催化劑前端5d以上距離有利于NH3的空間分布。而在噴嘴距離載體前端距離一定的情況下，通過管道截面積的變化可以引起氣流的變化并影響尿素與氣流的混合空間。

表3 尿素SCR裝置可變部分尺寸

本研究中采用入口擴張管錐角和出口收縮錐角為90°的催化器結(jié)構(gòu)，通過改變k參數(shù)來改變載體前容積大小。其中固定比例尺寸按表1設(shè)置，其余尺寸見表3，共生成II、III、IV、V 4種計算網(wǎng)格。邊界條件與上文所述一致，噴嘴采用4噴孔45°噴射夾角形式。

載體前容積對NH3分布均勻性仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，k由0.5D增大到1.5D，即管道截面的突變處向噴嘴與載體前端面的中間位置逐漸靠近時（載體前容積逐漸增大），NH3濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸減??；當(dāng)k繼續(xù)增大到2D，即管道的截面突變處向噴嘴一方偏移時（載體容積繼續(xù)增大），NH3的濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差反而略有增加。

SCR裝置中不同k參數(shù)下NH3濃度分布如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)截面突變時，氣流在突變處產(chǎn)生渦流促進(jìn)尿素與氣流的混合。當(dāng)管道突變處向噴嘴方向移動，即增大載體前容積，可以增加載體前端面的渦流活動時間和空間，促進(jìn)尿素與氣流的混合，使載體前端NH3濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差逐漸減小；而管道突變處過于接近噴嘴時，在噴射管道內(nèi)的尿素擴散還不充分，在載體前端的NH3的濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差反而略有增加。因此管道突變處位于噴嘴與載體前端面的中間位置，尿素與氣流混合效果更好。

4 結(jié)論

本文基于CFD軟件，建立了尿素-SCR系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了仿真計算，研究尿素噴嘴的噴孔夾角及管道截面突變位置等結(jié)構(gòu)參數(shù)對尿素霧化效果的影響，主要結(jié)論如下。

（1）增大噴孔夾角有利于促進(jìn)NH3與排氣氣流的混合。當(dāng)噴射區(qū)管道直徑足夠大時可以采用徑向噴射方式；當(dāng)噴射區(qū)域管道直徑較小，為了防止尿素噴射到管壁上，噴射夾角在45°左右為最優(yōu)。

（2）采用錐角為90°的入口擴張管為噴射管道與載體殼體之間的突變過渡，并且在空間允許的前提下，噴射管道與載體殼體之間的突變處位于噴嘴與載體前端面中間位置有利于尿素與氣流的混合。

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