氨分布對柴油機并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)NOx排放的影響

劉興龍，王軍，王奉雙，王遠景

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061)

隨著城市發(fā)展和科技水平的提升，政府對重型柴油車環(huán)保要求逐步提高：我國2013年7月實施了國四階段排放標準，2017年1月實施了國五階段排放標準[1]，2021年7月1日計劃實施國六6a排放階段標準，2023年7月1日計劃實施國六6b排放階段標準[2]。國六后處理與國五后處理的區(qū)別不只是對污染物量上的控制區(qū)別，更有質(zhì)的區(qū)別：國五柴油機的后處理系統(tǒng)僅采用選擇性催化還原器(selective catalytic reduction，SCR)，即可滿足發(fā)動機的排放法規(guī)限值要求；國六后處理系統(tǒng)需要借助氧化型催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)與SCR三者系統(tǒng)作用，既保證非常低的NOx排放值，又保證DPF的積炭再生循環(huán)，才能長期達到發(fā)動機的排放法規(guī)限值要求[3-7]。SCR后還增加氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)用于處理尿素過量噴射產(chǎn)生的NH3泄漏。國四、國五后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式較為簡單，主要區(qū)別為噴嘴布置在排氣管路上抑或集成到后處理裝置上[8-9]，國六后處理系統(tǒng)普遍采用噴嘴集成的方式。在對后處理系統(tǒng)排放的數(shù)值分析方面，一維仿真計算和二維仿真計算兩種方式并存，業(yè)內(nèi)主流的仿真評價方案是計算典型工況點催化劑前端截面的氣流速度均勻性和氨分布均勻性數(shù)據(jù)[10-16]。本研究在一款13 L國六柴油機上利用仿真計算、氨分布試驗、排放性能試驗等方法研究了影響國六并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)NOx排放的因素，為該后處理系統(tǒng)的設(shè)計仿真優(yōu)化提出了評價標準及驗證方法。

1 研究對象

1.1 后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式

圖1示出常見國六后處理系統(tǒng)各催化處理單元的布置順序，張俊等[17]通過試驗方法驗證了該構(gòu)型方案在實現(xiàn)DPF的連續(xù)被動再生方面的優(yōu)勢和較好的燃油經(jīng)濟性。為配套不同的車型，后處理系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)通常設(shè)計為桶式或箱式，箱式結(jié)構(gòu)主要配套大載量重型卡車，以滿足其緊湊型布置的需求：各催化單元來回折返布置在箱式結(jié)構(gòu)中；SCR設(shè)計為兩路并行的結(jié)構(gòu)，可充分利用空間、縮小尺寸(見圖2)。并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)在混合器后分成完全相同的兩路SCR，兩路SCR氣流特性的一致性將對NOx排放產(chǎn)生較大影響。

圖1 國六后處理系統(tǒng)各催化單元布置順序

圖2 國六并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 研究問題

選用1臺排量為13 L的國六重型柴油機為研究對象，發(fā)動機及后處理系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。在國六試驗臺架上進行了排放性能試驗，試驗布置見圖3。

表1 發(fā)動機及后處理系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖3 國六后處理系統(tǒng)排放性能試驗臺架布置

試驗用測功機為西門子電力FC200(600 kW)測功機；試驗用分析儀為日本HORIBA MEXA—7500DEGR氣體分析儀和AVL 472排放顆粒采集儀。

在排放試驗中發(fā)現(xiàn)，相同試驗條件下，兩種僅混合器不同的國六后處理系統(tǒng)(催化劑及其他結(jié)構(gòu)無任何變化)NOx排放值在WHSC循環(huán)中差異較大，在WHTC循環(huán)差異小，這應(yīng)是穩(wěn)態(tài)工況點比瞬態(tài)工況點更能夠體現(xiàn)后處理器催化能力的原因。試驗結(jié)果見表2，雖然排放結(jié)果都滿足國家排放限值，但兩者排放值的相對偏差高達253%。兩混合器的差異主要是混合器1僅采用一組圓周旋流片與擴口結(jié)構(gòu)混合尿素與尾氣，而混合器2在第一組圓周旋流片后面取消擴口結(jié)構(gòu)，增加了一組不同結(jié)構(gòu)的旋流片，形成雙旋流結(jié)構(gòu)。

表2 排放性能試驗結(jié)果

2 影響NOx排放的仿真分析研究

2.1 速度均勻性仿真分析

速度均勻性是混合廢氣通過催化劑截面的均勻性參數(shù)，它代表著混合廢氣與催化劑接觸時的氣流一致性水平。選擇13 L國六發(fā)動機的標定點(最大廢氣流量點)進行穩(wěn)態(tài)CFD仿真。對圖2中的各個功能單元進行3D建模，經(jīng)Hypermesh V13.0劃分網(wǎng)格形成圖4所示的數(shù)值模型，采用Fluent計算每個后處理催化劑前端面的氣流速度均勻性，結(jié)果如圖5、圖6所示。對比圖5、圖6可知，兩個后處理系統(tǒng)的SCR前端面速度均勻性都在0.97以上，處于較好水平。在該工況點進行了廢氣的質(zhì)量流量分布計算，結(jié)果如圖7所示。通過圖7a和圖7b對比，確認2個后處理系統(tǒng)的廢氣質(zhì)量流量分布基本相當(dāng)。

圖4 后處理系統(tǒng)數(shù)值模型

圖5 混合器1后處理系統(tǒng)各載體前端面速度均勻性

圖6 混合器2后處理系統(tǒng)各載體前端面速度均勻性

圖7 SCR后處理系統(tǒng)的廢氣質(zhì)量流量分布

經(jīng)CFD仿真計算，確認兩后處理系統(tǒng)廢氣速度均勻性和廢氣質(zhì)量流量分布都在合理范圍內(nèi)，廢氣流量特性不足以導(dǎo)致兩后處理系統(tǒng)總成的WHSC循環(huán)排放結(jié)果的差異。

2.2 氨分布均勻性仿真分析

尿素噴射至混合器后熱解為NH3，與廢氣混合均勻，混合氣體流動到催化劑，催化劑前端面的NH3分布均勻性對SCR催化劑的催化反應(yīng)有著至關(guān)重要的意義。圖8、圖9示出不同混合器后處理系統(tǒng)的SCR前端面NH3均勻性計算結(jié)果對比。由圖可見，兩后處理系統(tǒng)的NH3均勻性相差在2%以內(nèi)，且處于較高水平，不足以影響后處理系統(tǒng)總成的WHSC循環(huán)排放結(jié)果。

圖8 混合器1后處理系統(tǒng)的NH3均勻性

圖9 混合器2后處理系統(tǒng)的NH3均勻性

2.3 兩路SCR平均氨濃度差異計算

通過氨分布均勻性計算僅能了解單路SCR的氨分布情況，無法全面評估兩路SCR的氨分布差異。計算并聯(lián)SCR前端面的NH3加權(quán)質(zhì)量(該工況下通過截面的總質(zhì)量)進行對比分析，可較全面地評估兩路SCR的氨分布差異情況。如圖10所示，采用混合器1后處理系統(tǒng)時兩路SCR前氨濃度的相對偏差是3.82%，采用混合器2后處理系統(tǒng)時兩路SCR前氨濃度的相對偏差是17.5%。在混合器1內(nèi)增加一個多孔管提升氣流的混合均勻性，形成混合器3；對比采用混合器3時兩路SCR前氨濃度差異與最終NOx比排放量，進一步驗證兩者的關(guān)系。采用混合器3后處理系統(tǒng)時兩路SCR前氨濃度的相對偏差為2%。根據(jù)計算結(jié)果對比可知，混合器1后處理系統(tǒng)和混合器3后處理系統(tǒng)的氨混合效果遠優(yōu)于混合器2后處理系統(tǒng)，混合器3后處理系統(tǒng)氨混合效果略優(yōu)于混合器1后處理系統(tǒng)。

圖10 后處理系統(tǒng)兩路SCR前端面的氨濃度差異

3 NOx排放差異的試驗研究

3.1 SCR氨均勻性試驗

通過試驗測試SCR前端面的氨濃度分布，可以獲得真實的氨均勻性數(shù)據(jù)，還可以校正仿真計算結(jié)果。選擇發(fā)動機的常用工況點，正常噴射尿素進行測試。氨均勻性試驗需要將后處理系統(tǒng)剖切斷面，用儀器測試氣流中氣體成分的濃度。若在SCR前剖切斷面，則因后面無載體氣壓阻力，氣流會發(fā)生較大變化；若剖切至ASC后，氨氣會被ASC催化劑吸收，測試結(jié)果將產(chǎn)生一定誤差。因此，將后處理系統(tǒng)剖切至ASC催化劑前，形成剖切斷面，取點進行測試。如圖11所示，測試時，探頭深入斷面移動到圖11b對應(yīng)點位置，完成一個位置點的測試后再移動到下一個位置點測試，直至完成所有位置點的數(shù)據(jù)測試。

圖11 氨均勻性試驗方案

測試探頭連接至氣體分析儀，記錄每一個位置點的NOx濃度和NH3濃度。根據(jù)NH3對NOx的催化反應(yīng)可知，NOx的反應(yīng)量與NH3的參與反應(yīng)量的比值為1∶1，所以，SCR前每一個位置點的氨濃度可通過式(1)計算獲得，即參與催化反應(yīng)的NH3加上SCR后的NH3等于SCR前的NH3。匯總所有SCR前端面位置點的氨濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)過式(2)計算獲得SCR前氨均勻性數(shù)據(jù)。

C單側(cè)SCR前端氨氣=(C發(fā)動機原排NOx-C單側(cè)SCR后端面NOx)+
C單側(cè)SCR后端面氨氣。

(1)

式中：C為氣體的摩爾濃度。

(2)

3.2 單路SCR氨均勻性試驗數(shù)據(jù)分析

試驗獲得SCR后49個位置點的NH3濃度，利用式(1)計算獲得SCR前NH3濃度，繪制如圖12所示云圖。采用混合器1后處理系統(tǒng)時兩路SCR前端面氨均勻性數(shù)據(jù)都是0.988，采用混合器2后處理系統(tǒng)時兩路SCR前端面氨均勻性數(shù)據(jù)分別是0.986和0.987。圖8、圖9的計算結(jié)果與圖12的試驗結(jié)果相對偏差在3%以內(nèi)，確認后處理器的實際氨均勻性較好，結(jié)合表2中WHSC循環(huán)排放結(jié)果表明：即使單路SCR氨均勻性較好，最終后處理系統(tǒng)的NOx比排放量也并不理想。

圖12 SCR后處理系統(tǒng)氨均勻性試驗結(jié)果

3.3 兩路SCR平均氨濃度差異分析

對比兩路SCR前端面平均氨濃度試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然單個SCR截面上的氨均勻性較好，但是兩路SCR的前端面平均氨濃度差值略大，以工況1為例，SCR1前端面平均氨濃度為979×10-6，SCR2前端面平均氨濃度為1 089×10-6。從發(fā)動機常用工況中選擇高、中、低3個典型工況，進行SCR前端面平均氨濃度測試，獲得SCR1平均氨濃度值距中間值的相對偏差，結(jié)果見圖13。

圖13 兩路SCR氨均勻性在不同工況點的相對偏差

由圖13可見，混合器1后處理系統(tǒng)的SCR前端面平均氨濃度距中間值相對偏差在5%以內(nèi)，混合器2后處理系統(tǒng)該數(shù)據(jù)在5%～17%之間，偏差明顯較大。兩路SCR的平均氨濃度差異過大，導(dǎo)致一路SCR的氨濃度過量，尾氣中NOx處理正常，但另一路SCR的氨濃度較低，尾氣中NOx處理不足。兩路SCR的氨濃度差異過大是導(dǎo)致混合器2后處理系統(tǒng)WHSC循環(huán)NOx排放略差的主要原因。

3.4 排放性能試驗

在13 L國六發(fā)動機上對采用混合器3的后處理系統(tǒng)進行了WHSC循環(huán)排放試驗，NOx比排放量試驗結(jié)果為0.08 g/(kW·h)。對比排放試驗結(jié)果與本研究氨分布差異仿真計算結(jié)果(見圖14)，可見兩路SCR前端面的NH3質(zhì)量加權(quán)百分數(shù)相對偏差與WHSC循環(huán)排放試驗結(jié)果趨勢一致。

圖14 NOx排放測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比

該結(jié)果表明，國六并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)SCR前氨濃度相對偏差與NOx排放試驗結(jié)果相關(guān)，可以通過該數(shù)據(jù)評估后處理系統(tǒng)的催化能力，其值設(shè)定為5%較為合理。

4 結(jié)論

a) 兩路SCR并聯(lián)的后處理系統(tǒng)速度均勻性和氨分布均勻性計算值都比較高(0.96～0.99之間)，但不能全面評估后處理系統(tǒng)催化性能；

b) 單路SCR前的氨濃度均勻性試驗測試結(jié)果在0.98以上，結(jié)果較好，但兩路SCR前端面的平均氨濃度差值較大，這是NOx排放略差的主要原因；

c) 氨質(zhì)量加權(quán)百分數(shù)相對偏差仿真值與NOx排放試驗結(jié)果相關(guān)度較高，并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)的氨質(zhì)量加權(quán)百分數(shù)相對偏差的仿真計算在后處理系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計中具有較大意義，建議計算標準設(shè)定為5%以內(nèi)。