職業(yè)院校汽車制造與裝配專業(yè)SCR催化器整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真模擬教學(xué)探究

楊樹啟　段紹斌　張世偉

摘 要：通過對(duì)SCR催化器進(jìn)行了兩種整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過不同結(jié)構(gòu)的催化器的速度場(chǎng)、湍流動(dòng)能大小、NOx轉(zhuǎn)化效率等，分析不同SCR催化器整體結(jié)構(gòu)可行性。相比較于原方案，優(yōu)化后的兩個(gè)方案有更好的流動(dòng)均勻性;三個(gè)工況中NOx轉(zhuǎn)化效率最高是排氣溫度為195℃的工況B，達(dá)到82%左右;在排氣溫度較高260℃時(shí)轉(zhuǎn)化效率僅為75%，催化器整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)SCR轉(zhuǎn)化效率影響較小，但催化器后端整流板，對(duì)NO在載體中的分布和NO轉(zhuǎn)化效率影響較小，但對(duì)NO在催化器出口處的分布均勻性有較大影響。

關(guān)鍵詞：職業(yè)院校;SCR催化器;對(duì)湍流動(dòng)能;教學(xué)實(shí)踐

1 引言

氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）為柴油機(jī)主要排放污染物，NOx排放對(duì)人體和大氣環(huán)境有較大的破壞作用[1]。面對(duì)日漸加重的環(huán)境污染問題，國(guó)家制定的排放法規(guī)愈發(fā)嚴(yán)格，而選擇性催化還原反應(yīng)（Selective catalytic reduction，SCR）技術(shù)是處理NOx排放的最有效的技術(shù)手段之一[2]。SCR技術(shù)是以涂覆有貴金屬催化劑（如釩基，銅基）的催化器的催化促進(jìn)作用下，在排氣管中噴射尿素水溶液（一般濃度為32.5%）或以NH3作為直接還原劑，將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NO和NO2還原為N2和O2的凈化裝置。在NOx處理技術(shù)中目前歐洲和國(guó)內(nèi)最主流采用SCR技術(shù)。對(duì)SCR的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及催化反應(yīng)特性的研究具有重要的理論指導(dǎo)和實(shí)踐應(yīng)用意義[3]。

2 柴油機(jī)SCR三維模型的構(gòu)建

2.1 邊界條件的設(shè)置

本次模型驗(yàn)證仿真過程選擇了不同轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩工況下，SCR臺(tái)架試驗(yàn)過程中的3個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行邊界條件參數(shù)設(shè)置。模型計(jì)算過程中，所有的計(jì)算在1s內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定，所以SCR模型計(jì)算時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為1s。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。各個(gè)工況下的排氣組分參數(shù)如表2所示。

2.2 不同方案的SCR整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)果對(duì)比分析

本次整體優(yōu)化主要是針對(duì)載體前后進(jìn)出口端進(jìn)行了擴(kuò)張管和收縮管的優(yōu)化，并去除載體出口端的整流器，制定了方案一和方案二。

2.2.1 不同方案速度場(chǎng)對(duì)比分析

SCR不同整體優(yōu)化方案在A、B、C三個(gè)工況下的速度場(chǎng)對(duì)比。由圖可知，隨著催化器入口流量的增加，三個(gè)工況中的氣流速度均不斷增加，三個(gè)方案的速度場(chǎng)分布趨勢(shì)相似，但是三個(gè)方案在模型改進(jìn)前后的局部區(qū)域氣體流動(dòng)特性存在明顯差異。對(duì)比三個(gè)方案的載體入口區(qū)域，在無擴(kuò)張管的原混合器上氣體流速明顯往載體徑向外側(cè)方向加快，在載體中心出流速較慢，而在有擴(kuò)張管的方案一、二中載體入口區(qū)域內(nèi)速度分布較為均勻;對(duì)比三個(gè)方案的載體出口區(qū)域，明顯發(fā)現(xiàn)原混合器的出口區(qū)域速度場(chǎng)分布很不均勻，而在有收縮管的方案一、二中載體出口區(qū)域，氣流速度分布均較為均勻。對(duì)于模型優(yōu)化而言，更好的模型設(shè)計(jì)為速度均勻性較好的方案[4]，所以對(duì)比原模型，有擴(kuò)張管和收縮管及進(jìn)出口在一直線上的方案一和二均較為合理。

2.2.2 不同方案對(duì)湍流動(dòng)能對(duì)比分析

SCR不同整體優(yōu)化方案在A、B、C三個(gè)工況下的湍流動(dòng)能對(duì)比。隨著三個(gè)工況氣流量的不斷增大，三個(gè)方案載體前后區(qū)域湍流動(dòng)能不斷增大，整體變化趨勢(shì)相似，但是相同工況下三個(gè)方案的湍流動(dòng)能有較為明顯的差異。相較于原模型，方案一和二的入口端的湍流動(dòng)能均較小，特別在載體入口區(qū)域段原模型有較大的湍流動(dòng)能;在載體出口端區(qū)域原模型SCR的湍流動(dòng)能遠(yuǎn)高于方案一和二，而且隨著氣流量的增大，差異越明顯。另外，在載體后端整流器比無整流器的湍流動(dòng)能更小。對(duì)于SCR系統(tǒng)而言，在混合器后端有較高的湍流動(dòng)能說明氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，有利于進(jìn)入氣流中的尿素的蒸發(fā)和NH3與NOx的混合，促進(jìn)SCR系統(tǒng)的反應(yīng)效率。但湍流動(dòng)能也會(huì)造成SCR系統(tǒng)壓力損失增加，特別是在載體后端區(qū)域，應(yīng)該有較小的湍流動(dòng)能[5]。

2.2.3 不同方案NO分布及NOx轉(zhuǎn)化效率對(duì)比分析

SCR不同整體優(yōu)化方案在A、B、C三個(gè)工況下的NO分布對(duì)比。由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NO占NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)的90%以上的比例，NO的轉(zhuǎn)化效率可以作為NOx轉(zhuǎn)化效率的主要依據(jù)，所以為了便于分析將NO轉(zhuǎn)化效率為NOx轉(zhuǎn)化效率高低的依據(jù)[6]。由圖可知，隨著氣流量和溫度的不斷增大，三個(gè)方案中的NO的轉(zhuǎn)化效率均有所升高，且呈相似分布趨勢(shì)。三個(gè)工況中NO轉(zhuǎn)化效率在工況B最高，工況A最小。

SCR不同整體優(yōu)化方案在A、B、C三個(gè)工況下的NOx轉(zhuǎn)化效率對(duì)比。在三個(gè)工況中NOx轉(zhuǎn)化效率最高是排氣溫度為195℃的工況B，達(dá)到82%左右;而在溫度較低168℃時(shí)的工況A時(shí)，轉(zhuǎn)化效率在53%左右;在排氣溫度較高260℃時(shí)轉(zhuǎn)化效率僅為75%。這是因?yàn)樵诠rA時(shí)SCR催化器溫度較低，釩基催化劑未完全起活（釩基催化劑全面起活溫度200℃左右），所以NOx轉(zhuǎn)化效率較低;在溫度上升到200℃左右時(shí)催化劑完全起活，且工況B中的NO2占NOx的比例較高，促進(jìn)SCR反應(yīng)速率[7]，因此工況B的NOx轉(zhuǎn)化效率較高;在工況C中由于氣體組分中NO2含量較少，且SO2的含量較高，抑制了催化劑的活性[8]，導(dǎo)致在排氣溫度較高的工況下NOx轉(zhuǎn)化效率反而降低。

對(duì)比NO和NOx轉(zhuǎn)化效率可知，在穩(wěn)態(tài)工況1s的SCR反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，0.1s以后轉(zhuǎn)化效率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的三個(gè)方案的轉(zhuǎn)化效率差異很小，只有在低溫工況A中反應(yīng)的0.5～0.7s中有最大為2%的差異。說明不同方案的SCR在低溫和中高溫的NOx轉(zhuǎn)化效率差異較小。方案一和二的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是針對(duì)SCR氣體流動(dòng)特性方面的優(yōu)化，并在速度場(chǎng)均勻性和湍流動(dòng)能方面有明顯的改善作用，但對(duì)SCR催化還原反應(yīng)和NOx轉(zhuǎn)化效率影響較小。相較于方案二，原混合器SCR和方案一在載體出口區(qū)域NO分布較為均勻，主要原因是方案二中去除了載體后端的整流器所導(dǎo)致。對(duì)比方案一和二發(fā)現(xiàn)，雖去除整流器對(duì)NO在載體中的分布和NOx轉(zhuǎn)化效率影響較小，但是對(duì)NO在催化器出口處的分布均勻性有較大影響。說明載體后端的整流器對(duì)SCR的反應(yīng)影響較小，但是對(duì)出口端的NO分布有較大影響。在實(shí)際應(yīng)用中，出口端的NO分布會(huì)影響SCR后端NOx傳感器NOx的檢測(cè)，造成SCR系統(tǒng)控制精確度降低，可能會(huì)造成尿素噴射量過多或過少，所以在實(shí)際應(yīng)用中載體后端的整流器必不可少。

3 總結(jié)

（1）針對(duì)載體前后進(jìn)出口端進(jìn)行了擴(kuò)張管和收縮管的改進(jìn)，并去除載體出口端的整流器，制定了方案一和方案二的整體優(yōu)化方案。對(duì)于模型優(yōu)化而言，更好的模型設(shè)計(jì)為速度均勻性較好的方案，所以方案一和二均較為合理。載體出口區(qū)域原模型SCR的湍流動(dòng)能遠(yuǎn)高于方案一和二。

（2）在NOx轉(zhuǎn)化效率方面，在溫度較低168℃時(shí)的工況A時(shí)，轉(zhuǎn)化效率在53%左右;三個(gè)工況中NOx轉(zhuǎn)化效率最高是排氣溫度為195℃的工況B，達(dá)到82%左右;在排氣溫度較高260℃時(shí)轉(zhuǎn)化效率僅為75%。去除催化器后端整流板對(duì)NO在載體中的分布和NO轉(zhuǎn)化效率影響較小，但對(duì)NO在催化器出口處的分布均勻性有較大影響，所以為了SCR出口NOx傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確性，需要在催化器后端加整流器。

參考文獻(xiàn)：

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