柴油機(jī)尾氣后處理混合器對(duì)NH3分布均勻性影響的研究

閆安

摘要：本文研究混合器對(duì)NH3分布均勻性的影響，對(duì)提高NOx轉(zhuǎn)化率、降低排放污染物具有指導(dǎo)意義。文章通過(guò)CFD軟件對(duì)SCR后處理系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，改變變量波浪型混合器，進(jìn)行不同排溫工況下模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：加裝波浪型混合器可以有效改善NH3與尾氣混合的均勻性;加裝波浪型混合器相比不加裝混合器的SCR后處理系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化率可有效提升5%左右。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);SCR;混合器;均勻性

0 ?引言

截至2019年6月，全國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)2.5億輛。隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染已經(jīng)成為城市大氣污染的重要來(lái)源，尤其是柴油車(chē)尾氣污染更為嚴(yán)重。面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)形勢(shì)，我國(guó)于2019年7月1日正式實(shí)施國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，相比國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)增加了THC、NMHC、PN、N2O等污染物，NOx的排放限值較國(guó)五降低了66.6%。

目前減少尾氣氮氧化物最有效的后處理技術(shù)是以32.5%尿素水溶液為還原劑的選擇性催化還原（SCR），而SCR前端NH3和NOx混合分布的均勻性對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化率有重要影響，混合不均造成的部分區(qū)域過(guò)濃或過(guò)稀，混合氣過(guò)濃會(huì)造成NH3泄露，過(guò)稀會(huì)造成SCR內(nèi)部轉(zhuǎn)化效率降低。國(guó)內(nèi)外研究證明混合氣長(zhǎng)時(shí)間分布不均還會(huì)降低催化劑的使用壽命，造成排氣系統(tǒng)局部溫度過(guò)低產(chǎn)生結(jié)晶[1]。

本文提出通過(guò)在SCR前端加裝混合器的方式提高混合氣的均勻性，從而提高NOx轉(zhuǎn)化效率方案，利用CFD軟件建立尾氣后處理模型，通過(guò)數(shù)值分析模擬柴油機(jī)尾氣后處理的工作過(guò)程，利用模擬結(jié)果進(jìn)行混合器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)意義。

1 ?選擇性催化還原技術(shù)（SCR）

選擇性催化還原技術(shù)（SCR）的工作原理以32.5%的尿素水溶液為還原劑根據(jù)柴油機(jī)的運(yùn)行工況通過(guò)計(jì)量泵向SCR前端噴射尿素水溶液，尿素水溶液經(jīng)過(guò)霧化、蒸發(fā)、熱解、水解最終生成NH3，進(jìn)入SCR在催化劑的作用下經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)最終把尾氣中NOx污染物反應(yīng)生成無(wú)毒無(wú)害的N2和H2O分子，Topsoe等人介紹了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的大致歷程如圖1所示。

1.1 SCR催化器內(nèi)的主要反應(yīng)化學(xué)式

①4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

②2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O

③4NH3+5O2→4NO+6H2O

④4NH3+4NO+3O2→4N2O+6H2O

①式稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)是柴油機(jī)尾氣NO還原成N2最主要的反應(yīng)過(guò)程，②式稱(chēng)為快速SCR反應(yīng)其優(yōu)先級(jí)要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)，尾氣中NO2主要通過(guò)此反應(yīng)進(jìn)行還原。③、④屬于SCR催化器內(nèi)的副反應(yīng)，主要發(fā)生在高溫環(huán)境中，嚴(yán)重制約了NOx的轉(zhuǎn)化效率[2]。

2 ?SCR系統(tǒng)數(shù)值模擬

2.1 SCR系統(tǒng)計(jì)算模型

利用Solidworks進(jìn)行SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并建模，并導(dǎo)入CFD流體計(jì)算軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖2為所研究的SCR系統(tǒng)網(wǎng)格模型，主要包括尿素?zé)峤?、NH3與尾氣混合、NOx催化反應(yīng)三部分，其中混合器部分為選裝部分[3]。

2.2 NH3均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文主要參考Hermam Weltens等人對(duì)NH3均勻離散性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究[4]，在催化器前端的截面上沿徑向方向取n個(gè)NH3濃度測(cè)量點(diǎn)（n取值越大測(cè)量結(jié)果越精確），利用催化器前端截面NH3濃度的離散程度對(duì)NH3與尾氣混合的均勻性進(jìn)行量化。截面濃度的標(biāo)準(zhǔn)差公式為，其中c表示該截面NH3平均濃度，ci截面中徑向上第i點(diǎn)的NH3濃度，σ的值越小表明NH3與尾氣混合的越均勻。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

本文通過(guò)對(duì)混合器的選擇進(jìn)行唯一變量仿真模擬，首先進(jìn)行不加裝混合器的在仿真實(shí)驗(yàn)，其變量為排氣溫度，模擬排氣溫度為200/280/350/400/450℃下NH3濃度分布的特征;加裝波浪狀混合器后進(jìn)行同樣的仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比觀察NH3濃度分布的不同點(diǎn)[5]。選取典型工況下排氣溫度為350℃下SCR前端截面的NH3濃度分布如圖3所示。

由圖3可知SCR處理系統(tǒng)在加裝混合器后，其SCR前端的NH3濃度分布更加均勻，SCR入口處NH3與尾氣混合的越均勻，SCR內(nèi)部的催化反應(yīng)效率越高，本文通過(guò)五個(gè)不同溫度下的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分別在加裝波浪型混合器與不加裝混合器的情況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，NOx的轉(zhuǎn)化效率如圖4所示，實(shí)驗(yàn)表明柴油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)在加裝波浪型混合器的情況下其N(xiāo)Ox的轉(zhuǎn)化效率可以有效提高5%左右。

3 ?結(jié)論

本文通過(guò)CFD軟件進(jìn)行SCR后處理仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變混合器唯一變量，分析其對(duì)NH3與尾氣混合的均勻性和NOx轉(zhuǎn)化率的影響，主要結(jié)論如下：

①加裝波浪型混合器可以有效改善NH3與尾氣混合的均勻性;

②加裝波浪型混合器相比不加裝混合器的SCR后處理系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化率可有效提升5%左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]張東劍，馬其華，任洪娟，張璐璐.噴射參數(shù)對(duì)柴油機(jī)SCR內(nèi)部NH3均勻性影響分析[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2017，7（04）：299-305.

[2]陳鎮(zhèn)，陸國(guó)棟，趙彥光，胡靜，周小燕，帥石金.柴油機(jī)尿素SCR氨分布均勻性的試驗(yàn)與模擬優(yōu)化[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（01）：41-45.

[3]Ingrit Castellanos.， Olivier Marie. An operando FT-IR study of the NOx SCR over Co-HFER and Fe-HFER using acetylene as a reducing agent[J]. Catalysis Today， 2016.

[4]Weltens， BresslerH， TerreH，etal. Optimization of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Prediction[C].SAE Paper930780，1993.

[5]周健，閻維平，石麗國(guó)，孔凡卓.SCR反應(yīng)器入口段流場(chǎng)均勻性的數(shù)值模擬研究[J].熱力發(fā)電，2009，38（04）：22-25.