重型柴油機(jī)SCR轉(zhuǎn)化效率影響因素研究

劉文彬 劉屹 韋偉 王再興 余國成 王磊 宋志良

摘要：為了研究國六重型柴油機(jī)選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率影響因素，文章采用計算流體力學(xué)（CFD）和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)相結(jié)合的方法，對SCR催化器系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真和試驗驗證。結(jié)果表明：SCR催化器最佳反應(yīng)溫度范圍在180～550℃，催化器轉(zhuǎn)化效率達(dá)到95%以上，不同氨氮比對NOx轉(zhuǎn)化效率有一定的影響，存在一個臨界氨氮比，達(dá)到該臨界值后NOx轉(zhuǎn)化效率趨于穩(wěn)定而氨泄漏量增加;通過前置氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）可在排氣中增加NO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以提高催化器轉(zhuǎn)化效率且使NOx轉(zhuǎn)化效率都能保持在較高水平，也可以除去大部分尾氣中的CO和HC，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

Abstract： In order to study the factors affecting the NOx conversion efficiency of the selective catalytic reduction （SCR） system of the National Six Heavy duty diesel engine， the numerical simulation and experimental verification of the SCR catalyst system were carried out by the combination of computational fluid dynamics （CFD） and chemical reaction kinetics. The results show that the optimum reaction temperature range of SCR catalyst is 180-550℃， and the catalytic converter conversion efficiency is over 95%. Different ammonia-nitrogen ratios have certain influence on NOx conversion efficiency. There is a critical ammonia-nitrogen ratio. After reaching this critical value， the NOx conversion efficiency tends to be stable and the ammonia leakage increases. By pre-oxidation type catalytic converter （DOC）， the mass fraction of NO2 can be appropriately increased in the exhaust gas， which can improve the conversion efficiency of the catalyst and keep the NOx conversion efficiency at a high level，It can also remove CO and HC from most of the exhaust gas to meet emission standards.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);數(shù)值仿真;轉(zhuǎn)化效率;氨氮比

Key words： diesel engine;numerical simulation;conversion efficiency;ammonia-nitrogen ratio

0? 引言

柴油機(jī)因具有其獨特的優(yōu)勢廣泛運用，然而柴油機(jī)尾氣中的NOx參與光化學(xué)煙霧和酸雨的形成而危害極大[1]。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，僅僅依靠優(yōu)化缸內(nèi)燃燒過程已經(jīng)不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)了，需要輔以后處理系統(tǒng)。

尿素選擇性催化還原技術(shù)（Urea selective catalytic reduction ，Urea-SCR）是當(dāng)今世界公認(rèn)降低NOx排放最有效的技術(shù)之一。SCR技術(shù)因其具有高效率、高選擇性、高經(jīng)濟(jì)性及耐硫等優(yōu)點將是未來國內(nèi)柴油機(jī)排放升級的主要技術(shù)方向。近年來，很多學(xué)者對SCR催化器轉(zhuǎn)化效率影響因素做了大量的研究。文獻(xiàn)[2]將計算流體力學(xué)與化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)相結(jié)合，對催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)尿素噴霧和NOx還原等過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴位置、噴霧角度和管道設(shè)計都會影響液滴分布、碰壁及流動均勻性。文獻(xiàn)[3]人模擬研究了一個帶預(yù)氧化催化劑的Urea-SCR系統(tǒng)，建立了一個SCR催化器的單通道二維模型，并假設(shè)噴入模型中的尿素水溶液完全蒸發(fā)和分解且均勻地分布在通道前端，采用二維邊界層方程計算通道內(nèi)的流動，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果偏差較小。文獻(xiàn)[4]研究了組合式柴油顆粒過濾器系統(tǒng)對活性氮化合物排放的影響，改變了尿素進(jìn)料因子，溫度和停留時間。

已有研究表明，尿素噴射壓力、空速、催化劑類型等對SCR的轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。國六柴油機(jī)復(fù)合后處理系統(tǒng)針對重型柴油機(jī)而采用雙SCR串聯(lián)的箱式后處理。通過數(shù)值仿真的方式研究了排氣溫度、氨氮比、前置DOC對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響為SCR催化器的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1? 系統(tǒng)介紹

SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，SCR系統(tǒng)的主要部件有SCR催化箱、電控單元、尿素罐、計量泵總成、尿素噴嘴及溫度傳感器、NOx傳感器、相關(guān)線束及管路。其基本原理為：將一定量的濃度為32.5%尿素水溶液噴射到排氣管中，尿素水溶液在高溫下分解為氨氣和二氧化碳，氨氣在催化劑的作用下，與NOx發(fā)生還原反應(yīng)，將NOx還原成氮氣和水，從而降低柴油機(jī)的NOx排放[5]。

2? SCR催化器CFD建模

2.1 幾何建模

研究對象為某重型柴油機(jī)的SCR系統(tǒng)，具體尺寸見表1所列，生成的網(wǎng)格模型如圖2所示，共有1000540個計算網(wǎng)格、邊界層網(wǎng)格層數(shù)為3層、邊界層厚度為1mm、邊界層增長率為1.5、多孔介質(zhì)區(qū)域網(wǎng)格生成方式為Directed Mesh。

SCR催化器載體采用方形孔道蜂窩狀結(jié)構(gòu)，若模擬整個載體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程，計算量過大。因為催化器內(nèi)每個孔道的結(jié)構(gòu)相同，內(nèi)的流場分布和化學(xué)反應(yīng)等相似，可以通過建立單孔道上的數(shù)學(xué)模型來模擬整個催化器的工作過程[6]，假設(shè)尿素能夠完全霧化與尾氣進(jìn)行充分混合。通過對單孔道的數(shù)學(xué)建模及催化器表面化學(xué)反應(yīng)建模能夠找到影響SCR轉(zhuǎn)化效率的主要因素。

2.2 數(shù)學(xué)模型

單孔道內(nèi)氣相動量守恒方程可以表示為：

式中：ρg表示氣相密度;ug表示氣體運動粘度;a表示孔道寬度;K表示為范寧摩擦系數(shù)。

氣相能量守恒方程可以表示為：

其中，ρg為氣體密度;wj，g 為氣相中組分j的質(zhì)量分?jǐn)?shù);hj為組分j的焓值;λg為氣相的導(dǎo)熱系數(shù);Tg為氣相溫度，Ts為固相溫度;α為氣相與固相之間對流換熱系數(shù);ri為化學(xué)反應(yīng)i的摩爾反應(yīng)速率;ΔHi為化學(xué)反應(yīng)i產(chǎn)生的焓值;ug為氣體運動黏度。

單孔道內(nèi)氣相組分平衡方程表示為：

其中，MGj為氣相j的摩爾質(zhì)量;vi，j為組分j在化學(xué)反應(yīng)i中的化學(xué)計量系數(shù);ug為氣相在軸向方向上的速度。

氣相連續(xù)性方程可以表示為：

其中，ρg為氣相密度;t為時間;vg為通道內(nèi)氣體速度;x為軸向空間坐標(biāo)。

2.3 催化器表面化學(xué)反應(yīng)建模

在催化器載體內(nèi)，尿素噴射計量閥噴射尿素?zé)峤獬蒒H3與尾氣中的NOx反應(yīng)，生成無害氣體。其反應(yīng)機(jī)理主要為：

上述反應(yīng)式中，式（5）～式（7）表示的是NH3選擇性地還原NOx的SCR反應(yīng)，被稱為主反應(yīng)。因為在發(fā)動機(jī)尾氣中NO 占總氮氧化物含量的90%左右，因此式（5）又被稱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)[7]。而式（6）是3個反應(yīng)中反應(yīng)速率最快的，因此被稱為快反應(yīng)。式（7）的反應(yīng)速率最慢，因此被稱為慢反應(yīng)，式（8）是可能在催化器載體內(nèi)發(fā)生的副反應(yīng)[8]。在SCR催化器中普遍接受的動力學(xué)流體流動計算方式為Eley-Rideal[9]，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率方程也主要采用Eley-Rideal[10]。

3? 試驗驗證

為了驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行對比試驗。模型參數(shù)的設(shè)定采用臺架試驗的測量數(shù)據(jù)作為計算的初始和邊界條件[11]。試驗安排在一臺排量為12.4L的增壓中冷，電控高壓共軌缸內(nèi)直噴柴油機(jī)上進(jìn)行。試驗采用了AVL SCHNEIDER電力測功機(jī)，AVL 735l CST油耗儀等設(shè)備以及溫度、氮氧傳感器，試驗用的設(shè)備及其技術(shù)參數(shù)見表2所列。

為了驗證所建模型的正確性，進(jìn)行了相關(guān)的發(fā)動機(jī)臺架試驗。試驗中過量噴射尿素，以氨泄漏10ppm時的測量值來計算轉(zhuǎn)化效率，并且每個工況點控制空速在40000h-1左右，按照不同溫度梯度去做得到數(shù)據(jù)。排氣溫度上升的過程中，排氣中NOx的濃度變化的試驗和計算結(jié)果對比如圖3所示，計算模型仿真得到的排氣中NOx濃度變化趨勢與試驗結(jié)果基本一致。由此表明，建立的計算模型能較為準(zhǔn)確。

4? 實驗結(jié)果及分析

4.1 溫度對NOx的轉(zhuǎn)化效率影響

排氣溫度對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響是一個非常重要的因素，排氣溫度的提高有利于尿素的蒸發(fā)和熱解，但是排氣溫度過高，會導(dǎo)致催化劑高溫老化，催化劑對氨的吸附能力降低和NH3的氧化，從而降低NOx轉(zhuǎn)化效率。排氣溫度過低則會導(dǎo)致尿素不完全的分解，導(dǎo)致在壁面上產(chǎn)生結(jié)晶?？账僭?0000h-1時NOx轉(zhuǎn)化效率隨溫度的變化規(guī)律如圖4所示?？梢钥闯龅陀?80℃的時候，NOx轉(zhuǎn)化效率較低。這主要是因為溫度較低時，尿素水溶液霧化質(zhì)量差，不能較充分與NOx反應(yīng)以及在低溫情況下SCR催化劑活性非常低。隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)化效率也隨著升高，在180～550℃轉(zhuǎn)化效率達(dá)到95%以上，在最佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)SCR中的反應(yīng)以快反應(yīng)為主導(dǎo)[12]。而當(dāng)溫度超550℃后，SCR的轉(zhuǎn)化效率會降低，主要因為是發(fā)生了NH3的氧化反應(yīng)，即NH3與氧氣進(jìn)行反應(yīng)生成了氮氣和水，另一方面發(fā)生了NH3與NO2之間的慢反應(yīng)。

4.2 氨氮比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

排氣溫度是SCR系統(tǒng)中的重要影響參數(shù)，排氣溫度的提高有利于尿素的蒸發(fā)和熱解，但是排氣溫度過高，會導(dǎo)致催化劑高溫老化，催化劑對氨的吸附能力降低和NH3的氧化，從而降低NOx轉(zhuǎn)化效率[13]。改變排氣溫度的數(shù)值同時保持空速在40000h-1左右，研究在不同氨氮比條件下柴油機(jī)在特定工況下的NOx最大轉(zhuǎn)化效率，將氨泄漏量控制在10×10-6范圍內(nèi)。排氣溫度分別為180℃、200℃、380℃、550℃、565℃時對SCR系統(tǒng)的影響。計算的結(jié)果中的不同排氣溫度隨著氨氮比的變化與實驗結(jié)果基本一致如圖5所示。排氣溫度180℃到550℃時，NOx轉(zhuǎn)化效率基本上與氨氮比成正比，超過此溫度反應(yīng)區(qū)間，NOx轉(zhuǎn)化效率隨著氨氮比的增加趨于穩(wěn)定，如繼續(xù)增加氨的噴射量，會導(dǎo)致催化劑下游氨泄漏量增加，造成污染。

4.3 前置DOC對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

已有研究表明，發(fā)動機(jī)尾氣中NO2/NOx比例是影響SCR轉(zhuǎn)化效率的重要因素，適當(dāng)提高發(fā)動機(jī)尾氣中NO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率，而發(fā)動機(jī)排氣中NO2/NOx的比例一般小于10%[14]。為提高進(jìn)入催化反應(yīng)器時NO2所占比例，通常前置DOC。該裝置可將NO氧化形成NO2。前置DOC對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響如圖6所示，在低溫180～300℃范圍內(nèi)，DOC前置相比無DOC而言，轉(zhuǎn)化效率顯著提高;然而，在溫度300～500℃范圍時，有無前置DOC對系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率影響較小。這主要是排氣溫度升高，催化劑活性增加，加強(qiáng)了選擇性催化還原反應(yīng)中的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)，催化劑的活性占據(jù)了主導(dǎo)作用，NO2比例所帶來的影響相對弱化。所以，前置DOC能提高排氣低溫時的轉(zhuǎn)化效率。加裝DOC還可以大幅度去除尾氣中的CO和HC，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。前置DOC對CO和HC轉(zhuǎn)化效率如圖7所示。

5? 結(jié)論

①溫度較低時NOx轉(zhuǎn)化效率較低，隨著溫度升高NOx轉(zhuǎn)化效率也隨之升高，到達(dá)180℃時NOx轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到95%以上，溫度超過500℃時NOx轉(zhuǎn)化效率會有所降低。

②在最佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)隨著氨氮比的提高，NOx轉(zhuǎn)化效率也提高，溫度過高或過低存在一個臨界值，到達(dá)該臨界值后NOx轉(zhuǎn)化效率隨著氨氮比增加而趨于穩(wěn)定，氨泄漏量增加。

③前置DOC可在排氣中增加NOx中的NO2所占的比例，可以提高NOx轉(zhuǎn)化效率，也可以除去大部分尾氣中的CO和HC，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

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