混合器對(duì)國(guó)六柴油機(jī)選擇性催化還原系統(tǒng)尿素結(jié)晶的影響

李江飛，牛雨飛,朱海艷，王龍飛，薛紅娟，張 強(qiáng)

(1.無錫億利環(huán)?？萍加邢薰?，無錫 214000；2.河北億利科技股份有限公司，邢臺(tái) 054800；3.一汽解放大連柴油機(jī)有限公司，大連 116600；4.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

0 概述

中國(guó)已連續(xù)十年成為世界機(jī)動(dòng)車產(chǎn)銷第一大國(guó)，柴油機(jī)因轉(zhuǎn)矩大、熱效率高、油耗低等優(yōu)點(diǎn)成為運(yùn)輸業(yè)的主要?jiǎng)恿υ?，也成為大氣污染的重要來源[1]。選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術(shù)是降低柴油車尾氣中NOx排放的主要技術(shù)[2-4]，即在催化劑的作用下，通過尿素噴射系統(tǒng)向SCR上游噴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%的車用尿素水溶液，把尾氣中NOx還原成N2和H2O。國(guó)六柴油機(jī)后處理總成如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣從入口進(jìn)入，經(jīng)柴油氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、柴油顆粒捕集器(diesel particulate filters，DPF)后進(jìn)入混合器，在混合器中與尿素噴霧混合，進(jìn)入SCR系統(tǒng)內(nèi)，最后通過出口排出凈化后的尾氣[5-7]。其中，DOC通過氧化反應(yīng)降低尾氣中的HC、CO等，DPF主要作用為降低尾氣中的顆粒物(particulate matter，PM)排放，SCR通過還原反應(yīng)降低尾氣中的NOx排放，氨進(jìn)逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)主要作用為捕捉多余的NH3。

圖1 國(guó)六后處理總成示意圖

排放法規(guī)的升級(jí)對(duì)SCR性能提出新的挑戰(zhàn)。國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)要求SCR系統(tǒng)具有更高的NOx轉(zhuǎn)化率，尿素噴射量更大，如果混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理易發(fā)生尿素結(jié)晶、氨泄漏、可靠性降低等問題，嚴(yán)重者會(huì)堵塞排氣管路，嚴(yán)重影響整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性[8-12]，但目前關(guān)于國(guó)六柴油機(jī)SCR尿素結(jié)晶問題的研究卻鮮有報(bào)道。

針對(duì)國(guó)六柴油機(jī)SCR尿素結(jié)晶問題，本文中設(shè)計(jì)了兩種不同的混合器結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法對(duì)不同混合器方案進(jìn)行了仿真分析和對(duì)比，并進(jìn)行了排放和結(jié)晶試驗(yàn)驗(yàn)證，為國(guó)六柴油機(jī)SCR混合器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 混合器方案

方案一混合器如圖2所示。尾氣從入口進(jìn)入混合器，尿素水溶液在初始噴射速度作用下與導(dǎo)流板1、導(dǎo)流板2碰撞，尾氣通過導(dǎo)流板2和導(dǎo)流板3后形成旋流，以螺旋軌跡從出口流出，在旋流的過程中尾氣和尿素蒸發(fā)出的氨氣(NH3)充分混合，提高氨氣在SCR中的均勻性。

圖2 方案一混合器示意圖

方案二混合器如圖3所示。尾氣從前擋板下方兩側(cè)的入口進(jìn)入混合器，自圓管兩側(cè)匯集到圓管中，尿素水溶液在初始速度和尾氣共同作用下與擋板1、擋板2、擋板3碰撞破碎，流向內(nèi)殼體下側(cè)的W形板后形成旋流，尾氣和尿素蒸發(fā)出的氨氣充分混合，有利于提高氨氣在SCR中的均勻性。

圖3 方案二混合器示意圖

2 CFD分析

2.1 CFD物理模型

采用STAR-CD軟件進(jìn)行CFD仿真分析，CFD物理模型中不考慮載體表面化學(xué)反應(yīng)，采用熔融尿素分解機(jī)理，氣體選擇為黏性可壓縮氣體，計(jì)算過程為穩(wěn)態(tài)定常流，流動(dòng)模型選用Realizablek-ε湍流模型，載體處為多孔介質(zhì)模型，其壓力損失按照Darcy[13-15]定律計(jì)算，噴霧采用Lagrangian多相流模型。液滴碰撞選擇Bai-Gosman Wall Impingment模型[16]，液滴破碎選擇Reitz-Diwakar Breakup模型，同時(shí)選擇液滴蒸發(fā)模型。

2.2 CFD網(wǎng)格劃分

采用多面體方式劃分CFD網(wǎng)格。網(wǎng)格基本尺寸為8.0 mm，為保證計(jì)算精度，靠近擋板和導(dǎo)流板的區(qū)域網(wǎng)格尺寸細(xì)化為1.5 mm。邊界層設(shè)置為8層，第1層網(wǎng)格高度設(shè)置為0.02 mm，邊界層總厚度為1.15 mm。載體采用拉伸的方式劃分網(wǎng)格，靠近載體端面的區(qū)域網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離載體端面的區(qū)域網(wǎng)格稀疏?；旌掀鰿FD網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 混合器CFD網(wǎng)格

2.3 CFD分析工況

氣體溫度越低，氣體流速越小，混合器的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)越大，因此采用“過量能量系數(shù)”方法[17]從臺(tái)架試驗(yàn)中選取工況進(jìn)行CFD分析。過量能量系數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣總能量與尿素實(shí)際從尾氣中獲得的能量的比值，如式(1)所示。

E=Q1/(Q2+Q3)

(1)

式中，E為過量能量系數(shù)；Q1為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣能量；Q2為加熱尿素的能量；Q3為尿素的蒸發(fā)潛熱。

分別選取標(biāo)定工況、結(jié)晶臺(tái)架試驗(yàn)中過量能量系數(shù)E最小的工況進(jìn)行CFD分析，如表1所示。

表1 CFD分析工況

3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 臺(tái)架布置

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架如圖5所示，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、后處理總成、交流電力測(cè)功機(jī)、燃油消耗儀等，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。

圖5 臺(tái)架試驗(yàn)

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

3.2 排放試驗(yàn)

按照GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架污染物排放試驗(yàn)，分別測(cè)試了標(biāo)定工況、世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán)(world harmonised steady state cycle，WHSC)、世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(world harmonised transient cycle，WHTC)的NOx排放值。

3.3 結(jié)晶試驗(yàn)

按照HJ 689—2014《城市車輛用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(WHTC工況法)》規(guī)定的WHTC試驗(yàn)循環(huán)，選取WHTC循環(huán)第311 s至710 s編制WHTC市區(qū)工況進(jìn)行尿素結(jié)晶試驗(yàn)，單次循環(huán)時(shí)間400 s，重復(fù)運(yùn)行270次，累積運(yùn)行時(shí)間30 h，若試驗(yàn)結(jié)束后結(jié)晶質(zhì)量不高于30 g，則滿足主機(jī)廠要求。尿素噴射系統(tǒng)采用博世DeNOx2.2，具體參數(shù)見表3，噴射示意圖如圖6所示。

圖6 DeNOx 2.2尿素噴射示意圖

4 CFD分析和試驗(yàn)結(jié)果

4.1 CFD結(jié)果

SCR載體前端面的流速均勻性、NH3均勻性是評(píng)估性能的重要指標(biāo)。若流速分布不均，會(huì)造成催化劑局部老化，降低使用壽命；若NH3分布不均，則會(huì)降低載體的NOx轉(zhuǎn)化效率。一般用均勻性指數(shù)[18]評(píng)價(jià)其均勻性程度，流速均勻性指數(shù)Uflow的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，n為截面上單元網(wǎng)格總數(shù)量；vi為截面上第i個(gè)單元網(wǎng)格的氣體流速；vm為截面上氣體平均流速；Ai為截面上第i個(gè)單元網(wǎng)格的面積；A為截面上網(wǎng)格總面積。

NH3均勻性指數(shù)UNH3的計(jì)算公式如下：

(3)

式中，φi為截面上第i個(gè)單元網(wǎng)格上的NH3的質(zhì)量分?jǐn)?shù);φm為截面上NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值。

標(biāo)定工況方案一和方案二的SCR載體流速分布和NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖7所示，SCR載體流速、NH3均勻性指數(shù)結(jié)果如表4所示。方案二的流速均勻性和NH3均勻性優(yōu)于方案一，有利于提高SCR載體的NOx轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。

圖7 標(biāo)定工況載體流速分布、NH3分布

表4 標(biāo)定工況SCR流速、NH3均勻性指數(shù)

標(biāo)定工況方案一和方案二的混合器壓力分布如圖8所示。方案一混合器的壓力損失為3.8 kPa，方案二混合器的壓力損失為10.5 kPa，方案二的壓力損失比方案一大6.7 kPa，這是由于方案二尾氣經(jīng)過圓管后流速急劇增大，導(dǎo)致壓力損失增大。

圖8 標(biāo)定工況混合器壓力分布

結(jié)晶工況方案一和方案二的SCR載體流速分布和NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖9所示，SCR載體的流速均勻性、NH3均勻性結(jié)果如表5所示。方案二的流速均勻性和NH3均勻性優(yōu)于方案一，有利于提高SCR載體的NOx轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。

圖9 結(jié)晶工況載體流速分布、NH3分布

表5 結(jié)晶工況SCR流速、NH3均勻性指數(shù)

結(jié)晶工況方案一和方案二的混合器尿素軌跡和碰壁質(zhì)量分布如圖10所示，混合器尿素碰壁質(zhì)量結(jié)果如表6所示。從圖中可以看出：方案一中直徑較大的尿素液滴主要碰撞堆積在導(dǎo)流板1、導(dǎo)流板2的表面，其碰壁質(zhì)量占尿素噴射總量的63.1%，而直徑較小的尿素液滴沿混合器螺旋流出；方案二中直徑較大的尿素液滴主要碰撞堆積在圓管、擋板1、擋板2、擋板3和內(nèi)殼體的表面，其碰壁質(zhì)量占尿素噴射總量的86.4%，直徑較小的尿素液滴從圓管出口流出后旋轉(zhuǎn)進(jìn)入SCR系統(tǒng)，尿素液滴蒸發(fā)形成NH3，在圓管中尿素液滴和尾氣充分混合，有助于提高NH3均勻性。

表6 結(jié)晶工況尿素碰壁質(zhì)量分布

圖10 結(jié)晶工況尿素液滴軌跡和碰壁質(zhì)量分布

結(jié)晶工況方案一和方案二的混合器截面流速矢量圖如圖11所示。從圖中可以看出方案一中導(dǎo)流板1、導(dǎo)流板2的表面流速較低，尿素液滴碰撞堆積的區(qū)域流速在10 m/s以下，尿素液滴難以被吹散，

圖11 結(jié)晶工況方案一和方案二截面流速矢量圖

尿素的堆積同時(shí)也會(huì)降低此區(qū)域的溫度，容易產(chǎn)生尿素結(jié)晶；方案二的圓管、擋板1、擋板2和擋板3的表面流速較高，尿素液滴碰撞堆積的區(qū)域流速均在30 m/s以上，能夠提高尿素液滴的碰撞速度，實(shí)現(xiàn)尿素液滴的二次破碎，有助于吹散尿素液滴，同時(shí)也會(huì)提高碰撞堆積區(qū)域的溫度，降低尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)定工況方案一和方案二的混合器壓力損失和NOx轉(zhuǎn)化效率如表7所示。標(biāo)定工況下方案二的NOx轉(zhuǎn)化效率比方案一略有提高，通過CFD分析結(jié)果可知這是由于方案二的NH3均勻性指數(shù)比方案一高，從而提高了NOx的轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)方案二的壓力損失比方案一高6.6 kPa。

表7 標(biāo)定工況的壓力損失和NOx轉(zhuǎn)化效率

WHSC和WHTC工況方案一和方案二的NOx排放值如表8所示，WHSC和WHTC工況下兩個(gè)方案的NOx排放均滿足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)，且方案二的NOx排放均低于方案一。

表8 WHSC和WHTC工況NOx排放值

方案一和方案二的結(jié)晶試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。用電子天平稱量，方案一15 h后結(jié)晶質(zhì)量107 g，30 h后結(jié)晶物質(zhì)量608 g，尿素結(jié)晶主要從導(dǎo)流板1、導(dǎo)流板2的尿素碰撞堆積位置產(chǎn)生，方案一混合器不滿足主機(jī)廠結(jié)晶質(zhì)量不高于30 g的要求。方案二30 h后結(jié)晶物質(zhì)量6 g，結(jié)晶位置出現(xiàn)在擋板1、擋板2和擋板3表面，方案二混合器滿足主機(jī)廠結(jié)晶質(zhì)量不高于30 g要求。

圖12 方案一和方案二結(jié)晶試驗(yàn)?zāi)蛩亟Y(jié)晶分布

4.3 CFD和試驗(yàn)對(duì)比

標(biāo)定工況混合器壓力損失CFD分析和試驗(yàn)對(duì)比如表9所示。標(biāo)定工況混合器壓力損失CFD和試驗(yàn)偏差均在10%以內(nèi)，表明CFD仿真是合理有效的。

表9 標(biāo)定工況CFD與試驗(yàn)混合器壓力損失對(duì)比

標(biāo)定工況UNH3和NOx轉(zhuǎn)化效率對(duì)比如表10所示。從表中可以看出，NOx轉(zhuǎn)化效率隨UNH3提高而提高。

表10 標(biāo)定工況CFD分析UNH3和試驗(yàn)NOx轉(zhuǎn)化效率對(duì)比

結(jié)晶工況UNH3和NOx排放值對(duì)比如表11所示。從表中可以看出NOx排放值隨UNH3提高而降低。

通過對(duì)比圖10和圖12可以看出，方案一的CFD分析結(jié)果顯示尿素碰壁量最大位置位于導(dǎo)流板1和導(dǎo)流板2，試驗(yàn)結(jié)果尿素結(jié)晶位置同樣位于導(dǎo)流板1和導(dǎo)流板2，方案二的CFD分析結(jié)果顯示尿素碰壁量最大位置位于擋板1，試驗(yàn)結(jié)果尿素結(jié)晶位置同樣位于擋板1，說明CFD分析和試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

(1)方案二混合器中尿素碰壁位置的橫截面和縱截面氣流速度遠(yuǎn)高于方案一，有助于尿素液滴破碎和吹散尿素液滴，減小尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。方案二SCR載體的流速均勻性、NH3均勻性優(yōu)于方案一，有助于提高載體壽命和NOx轉(zhuǎn)化效率。方案二混合器的壓力損失大于方案一。

(2)方案一混合器的尿素結(jié)晶質(zhì)量為608 g，不滿足主機(jī)廠要求；方案二混合器的尿素結(jié)晶質(zhì)量為6 g，滿足主機(jī)廠要求。

(3)混合器壓力損失的CFD分析和試驗(yàn)結(jié)果一致，標(biāo)定工況時(shí)SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率隨CFD分析NH3均勻性提高而提高，瞬態(tài)工況(WHTC)時(shí)SCR的NOx排放值隨CFD分析NH3均勻性提高而降低，表明CFD分析是合理有效的。