船舶柴油機(jī)SCR反應(yīng)器的數(shù)值模擬

李尊民 趙志強(qiáng) 翟偉 巴忠峰

摘 要：隨著國(guó)際海事組織對(duì)船舶柴油機(jī)尾氣排放的嚴(yán)格限制，選擇性催化還原技術(shù)（selective catalytic reduction，SCR）成為船舶脫硝的必然選擇。本文通過(guò)建立SCR反應(yīng)器的三維數(shù)值模型，對(duì)反應(yīng)器脫硝性能進(jìn)行了模擬，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。在此基礎(chǔ)上，該模型研究了排氣溫度、氨氮比、空速對(duì)氮氧化物轉(zhuǎn)化率的影響，為SCR反應(yīng)器工作效率的提高提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：氮氧化物;船舶SCR反應(yīng)器;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）04-0111-04

隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)一步深度融合，航運(yùn)業(yè)的重要地位越來(lái)越凸顯，但是船舶柴油機(jī)所帶來(lái)的環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。其中，船舶尾氣NOx的排放含量占到全球NOx排放量的15%左右，NOx會(huì)引起光化學(xué)煙霧、溫室效應(yīng)、酸雨等，這給環(huán)境帶來(lái)了巨大的危害，因此，減少船舶NOx的排放迫在眉睫。

國(guó)際海事組織為了限制船舶尾氣中NOx的排放，制定了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定自2016年1月1日起，在NOx排放控制區(qū)實(shí)行TierⅢ標(biāo)準(zhǔn)[1]，這與TierⅠ標(biāo)準(zhǔn)相比，NOx排放量下降了80%。為了滿足如此嚴(yán)格的排放要求，各柴油機(jī)制造廠商、研究機(jī)構(gòu)等對(duì)船舶柴油機(jī)尾氣脫硝技術(shù)展開(kāi)了積極的研究，如廢氣再循環(huán)、SCR技術(shù)等，其中SCR技術(shù)是被公認(rèn)為最經(jīng)濟(jì)、最穩(wěn)定、應(yīng)用最廣、能夠滿足TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)的處理技術(shù)[2]。

本文以船舶柴油機(jī)SCR系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用COMSOL軟件，對(duì)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果[3]進(jìn)行了比較，分析溫度、氨氮比、空速等因素對(duì)系統(tǒng)工作效率的影響，為SCR系統(tǒng)的優(yōu)化提供了參考。

1 SCR系統(tǒng)工作原理

船舶SCR系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將還原劑（大多為尿素水溶液）噴入柴油機(jī)排煙管中，在催化劑的作用下，尾氣中的NOx與還原劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解為對(duì)環(huán)境無(wú)害的N2與H2O[4]。船舶尾氣NOx成分主要是NO，所占比例達(dá)到90%以上，所以SCR反應(yīng)器內(nèi)主要發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)：

式中，k為化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)1/s;c為氣體的濃度mol/m3;A為反應(yīng)的指前因子;E為反應(yīng)活化能J/mol;Rg為摩爾氣體常量。

2 SCR系統(tǒng)反應(yīng)器模型建立

2.1單通道反應(yīng)模型

SCR系統(tǒng)實(shí)際工作過(guò)程中，柴油機(jī)尾氣通過(guò)蜂窩狀的催化劑，在眾多的反應(yīng)通道中與還原劑有選擇性地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這些單元通道中，涉及著化學(xué)反應(yīng)、流體流動(dòng)、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞等過(guò)程，因此，對(duì)單通道脫硝過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)是分析整個(gè)SCR反應(yīng)器的基礎(chǔ)。本文選擇建立單通道反應(yīng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，提高了計(jì)算效率。

單通道模型選擇了船舶SCR系統(tǒng)常用的V2O5/TIO2催化劑，其在250～400 ℃溫度范圍內(nèi)，主要以主反應(yīng)（1）與副反應(yīng)（2）為主，所以，在化學(xué)模型建立時(shí)主要考慮反應(yīng)（1）、（2）。所選取的單通道幾何模型及柴油機(jī)的尾氣參數(shù)來(lái)自參考文獻(xiàn)[3]的試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 基本控制方程

SCR系統(tǒng)單通道內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程及流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)，本文建立了穩(wěn)態(tài)條件下的反應(yīng)模型，模擬過(guò)程中涵蓋了質(zhì)量傳遞方程、能量傳遞方程和流體流動(dòng)的控制方程等基本控制方程。

單通道內(nèi)的質(zhì)量傳遞方程為：

式中，Ri為組分i對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率mol/（m3·s），Di為組分i對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)m2/s，u為速度m/s，ci為物質(zhì)濃度mol/m3。

流體流動(dòng)控制方程為：

穩(wěn)態(tài)情況下，熱量傳遞的控制方程為：

式中，ρf為流體密度kg/m3，Cpf為流體熱容J/（kg·K），u為速度m/s，keq為等效熱導(dǎo)率W/（m·K），Q為熱源W/m3。

3數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1模型驗(yàn)證

本文以NOx轉(zhuǎn)化效率為這一最重要的指標(biāo)來(lái)衡量SCR反應(yīng)器的工作性能，轉(zhuǎn)化率表達(dá)式為：

式中，為柴油機(jī)尾氣中NOx的轉(zhuǎn)化效率，CNOx，in為反應(yīng)器入口處NOx的濃度，CNOx，out為反應(yīng)器出口處NOx的濃度。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)COMSOL軟件建立SCR反應(yīng)器模型，模擬反應(yīng)器在不同排氣溫度條件下的脫硝效率：

模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖2所示：

由圖2可以看出，在450k～660K溫度區(qū)間內(nèi)，試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)隨著溫度的提升，脫硝效率先增加然后降低，轉(zhuǎn)化效率曲線變化趨勢(shì)基本一致，平均相對(duì)誤差低于10%，吻合度較高，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了較好的一致性，因此，仿真模型具有可行性。但由于模擬過(guò)程做了適當(dāng)?shù)暮侠砗?jiǎn)化，如假設(shè)還原劑與柴油機(jī)尾氣混合充分;反應(yīng)器與外界無(wú)熱量交換;反應(yīng)過(guò)程只考慮了主要反應(yīng)和主要副反應(yīng)等，使實(shí)際反應(yīng)過(guò)程趨于理想，因此模擬數(shù)據(jù)最高脫硝率高于試驗(yàn)值，整體仍然存在一定的偏差。

3.2 NOx轉(zhuǎn)化效率的影響因素分析

3.2.1 溫度對(duì)脫硝性能的影響

柴油機(jī)的排氣溫度對(duì)SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率有著較大的影響，溫度過(guò)低，化學(xué)反應(yīng)速率低;溫度過(guò)高，將會(huì)造成催化劑的熱失效及還原劑的氧化[5]，同樣會(huì)造成工作效率的降低，因此，保持SCR系統(tǒng)在適宜的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行至關(guān)重要。由圖2可以看出，450K～660K范圍內(nèi)，脫硝效率先增后減;這是因?yàn)榈蜏貭顟B(tài)下，催化劑活性不高，隨著溫度的提升，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率升高，550K～600K溫度范圍內(nèi)NOx轉(zhuǎn)化效率較高，維持在80%左右;隨著溫度的繼續(xù)增加，脫硝效率反而下降，這是因?yàn)樵诟邷貭顟B(tài)下，脫硝反應(yīng)速率升高，還原劑的氧化反應(yīng)速率同樣也在升高，造成了還原劑消耗增加，整體工作效率下降。

3.2.2氨氮比對(duì)脫硝性能的影響

還原劑NH3含量過(guò)少時(shí)，NOx脫除反應(yīng)不完全，脫硝效率低，若NH3含量過(guò)高，雖然會(huì)保證脫硝效率，但會(huì)造成NH3的泄漏，污染環(huán)境和增加物料成本。因此，氨氮比也是衡量SCR系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，圖為溫度583K條件下，不同氨氮比的脫硝效率及氨逃逸率：

由圖3可知，隨著還原劑數(shù)量的增加，NOx轉(zhuǎn)化效率呈上升的趨勢(shì)，當(dāng)氨氮比為0.7～1范圍內(nèi)，脫硝效率上升明顯，氨氮比大于1時(shí)，脫硝效率上升速率相對(duì)平緩。這是因?yàn)樵诶碚撋螻H3與NO的反應(yīng)計(jì)量比為1，所以氨氮比小于1時(shí)，還原劑含量不足，隨著還原劑含量的增加，脫硝效率會(huì)明顯升高;當(dāng)氨氮比大于1時(shí)，隨著還原劑的增加，脫硝效率增速減緩，這是因?yàn)檫€原劑含量已經(jīng)達(dá)到需求量，部分還原劑并未參加化學(xué)反應(yīng)就被移出SCR系統(tǒng)，因此，在氨氮比大于1.1時(shí)，脫硝效率增加緩慢，氨逃逸率卻顯著增加;當(dāng)氨氮比小于1時(shí)，氨的逃逸率維持在10ppm以下，當(dāng)氨氮比為1.2時(shí)，氨逃逸率達(dá)到了47.8ppm，更多的還原劑未參加脫硝反應(yīng)，造成了對(duì)環(huán)境的二次污染，因此氨氮比為1～1.1為合適的氨氮比范圍。本文中，模擬過(guò)程所選取的氨氮比數(shù)值為1。

3.2.3空速對(duì)脫硝性能的影響

空速（space velocity）為空間速度的簡(jiǎn)稱，它是排氣流量與反應(yīng)催化劑體積的比值，反映了尾氣在催化劑內(nèi)停留時(shí)間的長(zhǎng)短，即NOx與催化劑接觸時(shí)間的長(zhǎng)短，進(jìn)而影響到NOx的脫除效率。下圖為溫度583K，氨氮比為1時(shí)不同空速條件下NOx轉(zhuǎn)化效率的關(guān)系圖：

由圖4可知，空速在10000h-1至20000h-1范圍內(nèi)，隨著空速的逐漸增加，NOx轉(zhuǎn)化效率逐漸降低，這是由于空間速度大，排氣在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間短，NOx與催化劑接觸時(shí)間短，導(dǎo)致脫硝化學(xué)反應(yīng)不夠完全，進(jìn)而降低了NOx的脫除效率。

4結(jié)論

（1）依據(jù)某船舶柴油機(jī)尾氣排放數(shù)據(jù)及SCR機(jī)構(gòu)參數(shù)建立了SCR單通道反應(yīng)模型，模型考慮了化學(xué)反應(yīng)、傳熱、傳質(zhì)等多物理場(chǎng)的耦合。通過(guò)模擬計(jì)算，得到的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的吻合度，對(duì)模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，這表明所建模型能夠反映出SCR反應(yīng)器內(nèi)部的物理化學(xué)過(guò)程，通過(guò)模擬，可以對(duì)SCR系統(tǒng)不同工況進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，本文分析了各因素對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。

（2）溫度是影響SCR系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)，在450K～660K溫度范圍內(nèi)，NOx的轉(zhuǎn)換效率呈拋物線趨勢(shì)變化。溫度低于550K時(shí)，隨著溫度增加，催化劑活性不斷增加，NOx的轉(zhuǎn)化率也逐漸升高;但溫度高于550K時(shí)，由于副反應(yīng)反應(yīng)速率的增加，導(dǎo)致NOx的轉(zhuǎn)化效率有所降低。由模擬結(jié)果得知，550K～600K為適宜溫度區(qū)間，此溫度范圍內(nèi)可保持較高的NOx轉(zhuǎn)化效率。

（3）隨著氨氮比的增加確實(shí)可以提高SCR系統(tǒng)的工作效率，但是過(guò)高的氨氮比易造成環(huán)境的污染和還原劑的浪費(fèi)，當(dāng)氨氮比范圍在1～1.1區(qū)間時(shí)，既可以保證脫硝的高效率，又不會(huì)造成過(guò)多的氨泄漏。

（4）空速對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率有著顯著的影響，隨著空速的增加，在10000h-1至20000h-1范圍內(nèi)脫硝效率逐漸降低。

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