尿素噴嘴對SCR 系統(tǒng)噴射霧化影響仿真研究

郭朋彥, 楊奧雷, 陳全征, 李立建

（華北水利水電大學(xué)機械學(xué)院， 河南 鄭州 450045）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，機動車數(shù)量不斷增加，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，其中內(nèi)燃機排放的污染物也已不容忽視。在內(nèi)燃機中，柴油機相對汽油機有燃油經(jīng)濟性強和效率高等優(yōu)點，一般多用在大型車輛和船只上等［1-2］。在柴油機排放的尾氣中，主要的有害物質(zhì)有氮氧化物（NOx） 和顆粒物（PM）。根據(jù)中國機動車環(huán)境管理年報（2019） 表明：柴油機排放的NOx約占總汽車污染物的70%，而PM約占90%，造成這種問題的主要原因是柴油機尾氣溫度比汽油機低，使尾氣后處理系統(tǒng)不能高效工作［4］，Urea-SCR技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于降低柴油機的NOx排放。盡管幾十年來取得了顯著進展，但隨著全球NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，仍需要對Urea-SCR系統(tǒng)進行更先進的控制和優(yōu)化。本文通過Fluent軟件針對尿素水溶液的噴射進行了模擬研究，探究改變尿素噴嘴參數(shù)對NOx轉(zhuǎn)化效率影響的研究。

1 Urea-SCR技術(shù)原理

Urea-SCR技術(shù)是通過控制單元的控制將32.5%的尿素水溶液在尾氣排氣管內(nèi)以霧化的形式噴入，在排氣管的高溫環(huán)境中尿素水溶液進行熱解反應(yīng)生成氨氣 （NH3） 和異氰酸（HNCO），氨氣與尾氣中的NOx在催化劑的作用下生成氮氣和水，而異氰酸在催化劑的作用下生成氨氣和二氧化碳，水解生成的氨氣與NOx在催化劑的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成氮氣和水。其反應(yīng)機理可簡化為下列幾步。

1） 熱解反應(yīng)：

2） 水解反應(yīng)：

3） 催化劑表面上的化學(xué)反應(yīng)：

2 SCR計算模型

2.1 幾何模型

如圖1所示為Urea-SCR系統(tǒng)尾氣管部分結(jié)構(gòu)二維圖，該部分結(jié)構(gòu)由入口管、擴張管、催化劑、收縮管、出口管這5部分組成。結(jié)構(gòu)尺寸分別為：①入口管管徑為20mm，長度為2000mm；②擴張管與收縮管的錐角為40°；③催化劑載體管徑為200mm，長度450mm；④出口管管徑為20mm，長度為200mm。

2.2 網(wǎng)格劃分

利用ICEM對所建立的模型進行網(wǎng)格劃分，為保證計算精度，網(wǎng)格使用6面體結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，由于該模型為圓柱形，采用O型剖分方法對該模型進行網(wǎng)格劃分，最后進行網(wǎng)格品質(zhì)檢查。

圖1 Urea-SCR系統(tǒng)尾氣管部分結(jié)構(gòu)二維圖

2.3 邊界條件

模型入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口300kg/h，進氣溫度設(shè)置為300K， 進口湍流參數(shù)采用湍流強度為5%，壓力直徑為80mm；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口壓力值為101kPa，壁面采用無滑移壁面，壁面對流傳熱系數(shù)設(shè)置為10W/（m2·K） 噴入尿素水溶液的質(zhì)量流量設(shè)置為20g/min［3］。尿素噴嘴的噴射類型為實心錐，尿素液滴為多組分 （尿素32.5%，水67.5%），尿素液滴初始溫度為300K，液滴直徑分布方式為Rosin-Rammler，噴霧半錐角為10°［5］。本文噴嘴均采用4噴孔，孔徑為0.5mm設(shè)計。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 噴嘴位置對尿素SCR系統(tǒng)的影響

此尿素SCR系統(tǒng)尿素噴嘴采用徑向噴射方法，本文采用噴嘴在尾氣管內(nèi)的6個位置來研究噴嘴位置對尿素SCR系統(tǒng)的影響，令進口直徑為D，該6個位置分別為離尾氣管進口為2D、6D、10D、14D、18D、22D的位置。通過改變噴嘴的位置來分析催化器前端位置的氨氣的均勻性。

結(jié)果如圖2所示，由結(jié)果顯示可知，隨著尿素噴嘴位置的不斷向催化劑靠近，載體前端位置的氨氣均勻性以及平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)都呈下降趨勢，并且是隨著噴嘴距離催化劑越近，均勻性和平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降趨勢越大，下降趨勢基本和文獻(xiàn)［6］保持一致。

圖2 載體前端位置氨氣均勻性及平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)

原因是由于尿素噴嘴距離催化劑越近，噴射霧化的尿素溶液沒有充分進行熱解，尿素溶液不能與尾氣進行充分混合，使其尿素溶液熱解產(chǎn)生的氨氣不能與尾氣中的NOx進行充分反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑前端的氨氣分布均勻性系數(shù)和平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。提高尿素噴嘴與催化劑之間的距離，可以有效提高NOx的轉(zhuǎn)化效率。

3.2 噴嘴數(shù)目對尿素SCR系統(tǒng)的影響

為了方案的質(zhì)量流量的一致性，每個方案的噴孔流量為總質(zhì)量流量與噴孔數(shù)目之比。噴嘴位置設(shè)置在10D位置呈等距圓周分布。噴嘴數(shù)目分別設(shè)置為3、4、6、8，來分析噴嘴數(shù)目對載體前端氨氣分布均勻性的影響。

結(jié)果如圖3所示，隨著噴嘴數(shù)目的增加，載體前端NH3均勻性系數(shù)呈現(xiàn)先上升后趨于平緩狀態(tài)。

圖3 載體前端位置氨氣均勻性系數(shù)

原因是由于總質(zhì)量流量一定，隨著噴嘴數(shù)目的增加，液滴越分散，液滴與尾氣混合效果越好，尿素?zé)峤獬浞?，能有效提高NOx轉(zhuǎn)化效率。由于噴嘴數(shù)目越多，液滴與尾氣混合度達(dá)到臨界值，氨氣的均勻性不再增加，使其NH3均勻性系數(shù)趨于平緩狀態(tài)后略微下降，所以6噴嘴數(shù)目效果最好。

3.3 噴射方向?qū)δ蛩豐CR系統(tǒng)的影響

噴嘴位置設(shè)置在10D位置，設(shè)置7個噴射方向與尾氣流向方向的夾角，分別是22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°，來分析這7個噴射方向?qū)d體前端NH3分布的均勻性的影響。

結(jié)果如圖4所示，隨著噴射方向與尾氣流向夾角的不斷增大，載體前端NH3均勻性系數(shù)呈現(xiàn)先上升，再趨于平緩，再下降趨勢。

原因是由于噴射方向角度小，呈現(xiàn)銳角或者鈍角狀態(tài)，液滴的軸向分速度大于徑向速度，液滴在尾氣管中存在時間短，以及液滴主要分布在中間部位，不能與尾氣充分混合，在噴射方向90°狀態(tài)時，液滴在尾氣管存在的時間最長，與尾氣混合度也最好，所有NH3的分布均勻性最高。

4 總結(jié)

本文針對柴油機尾氣后處理SCR系統(tǒng)中尿素噴嘴對SCR系統(tǒng)噴射霧化的影響進行仿真研究。研究結(jié)果表明：隨著噴嘴和尾氣進口之間距離的增大，NH3的均勻性系數(shù)和平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均逐漸減??；隨著噴嘴數(shù)目的增加、噴射方向與尾氣流動方向夾角的增加，載體前端NH3分布均勻性均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖4 載體前端位置氨氣均勻性系數(shù)