淺談SCR反應(yīng)器模型計算與分析

謝勝富

（中國海警局第三局，廣東 廣州 510220）

1 SCR反應(yīng)器模型計算

1.1 COMSOL Multiphysics軟件簡介

本文在模型的建立和特性分析時，都是用COMSOL Multiphysics這款軟件來實現(xiàn)的；這是一款由瑞典的COMSOL公司開發(fā)的高級大型數(shù)值仿真軟件，在聲學(xué)、化學(xué)反應(yīng)、生物科學(xué)、流體動力學(xué)、電磁學(xué)、燃料電池、地球科學(xué)、熱傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、傳動現(xiàn)象、波的傳播微系統(tǒng)、多孔介質(zhì)、微波工程、光學(xué)、光子學(xué)、量子力學(xué)、射頻、半導(dǎo)體等數(shù)值仿真方面得到廣泛應(yīng)用。本文主要利用COMSOL Multiphysics軟件在化學(xué)反應(yīng)、流體動力學(xué)、傳熱學(xué)等方面的功能。通過化學(xué)方程式、物理公式和流體場的建立，在確定一些邊界條件下，設(shè)定一些參數(shù)來建立模型，并進行計算分析。

1.2 SCR模型內(nèi)溫度分布

利用COMSOL Multiphysics軟件的模擬計算功能，在已建好的三維模型基礎(chǔ)上，取氨氮比為1.3，進口溫度為523K，出口溫度為350K，流速為0.3m/s，NO摩爾濃度為0.0411mol/m3、NH3摩爾濃度為0.05343mol/m3時，可以計算得到反應(yīng)器模型內(nèi)溫度分布情況，接下來將對溫度分布情況進行分析。

如圖1，是在以上參數(shù)下，通過軟件計算繪制出來的模型內(nèi)溫度分布的等高圖，從整個圖來看溫度在SCR反應(yīng)器通道內(nèi)分布呈內(nèi)凹型，接近中心處溫度較高，在反應(yīng)器出口處溫度較低，整個溫度降低大約在49K左右。

圖1 溫度分布等高圖

為了更直觀地了解溫度分布情況，截取反應(yīng)器縱截面上的溫度分布情況如圖2，從圖上可以看出，在反應(yīng)器入口處的溫度并不是最高的，在反應(yīng)器內(nèi)部存在一個高溫區(qū)，在最高溫度區(qū)域后，直到出口溫度都成下降趨勢，之所以會有這種現(xiàn)象出現(xiàn)，是因為在反應(yīng)器內(nèi)部氣體反應(yīng)是放熱反應(yīng)，同時氣體在流道內(nèi)也對外傳熱，剛開始反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生反應(yīng)熱大于對外傳熱，溫度就不斷上升，反應(yīng)熱與傳遞熱相等時溫度達到最高，形成高溫區(qū)域。隨著反應(yīng)速率減慢，產(chǎn)生反應(yīng)熱減少，小于對外傳熱時，溫度就不斷降低。

圖2 反應(yīng)器縱截面溫度分布圖

圖3是在相同條件下截取的模型橫截面上的溫度分布情況圖。從不同截面上看，分析得到的結(jié)論和上面所述相同，都是溫度先升高然后降低。對同一個橫截面來說，中心溫度較高，邊緣溫度較低；造成這種現(xiàn)象是因為邊緣散熱多，溫度下降快。當(dāng)然溫度分布也受到化學(xué)反應(yīng)速率大小的影響。

圖3 反應(yīng)器橫截面溫度分布圖

2 SCR反應(yīng)器模型分析

2.1 NH3轉(zhuǎn)換率分析

在對以上反應(yīng)器內(nèi)溫度分布情況分析以后，接下來將對反應(yīng)器內(nèi)氨氣反應(yīng)速率情況進行分析，如圖4是在以上參數(shù)下得到的SCR反應(yīng)器流道內(nèi)氨氣轉(zhuǎn)換率的等高圖，圖5流道內(nèi)氨氣轉(zhuǎn)換率的截面圖，從圖4可以看出，氨轉(zhuǎn)換率從反應(yīng)器的入口到出口逐漸增加，而等高面在入口處幾乎接近平面，從入口端開始越接近出口端的轉(zhuǎn)換率越高，并且每一個等高面成內(nèi)凹型。再從圖5轉(zhuǎn)換率截面圖來看，也可以得到同樣結(jié)論，中心處轉(zhuǎn)換率遠高于邊緣部分。

圖4 NH3轉(zhuǎn)換率等高圖

圖5 NH3轉(zhuǎn)換率截面圖

為了更好地反映氨轉(zhuǎn)換率的分布情況，截取反應(yīng)器縱截面上氨的轉(zhuǎn)換率分布圖和出口轉(zhuǎn)換率分布圖，如圖6和圖7，從圖6不難看出，在反應(yīng)器入口處氨轉(zhuǎn)換率非常低而在出口時幾乎反應(yīng)完全，沒有泄漏。再看圖7，在反應(yīng)器出口，即使在反應(yīng)器邊緣部分氨基本全部反應(yīng)完全，可見氨的轉(zhuǎn)換率都是1，可以推斷出副反應(yīng)中氨氣基本已經(jīng)反應(yīng)完，氧氣在出口有剩余，隨尾氣排出。故可以說明氨氮比選擇適中。

圖6 縱截面NH3轉(zhuǎn)換率分布圖

圖7 出口氨氣轉(zhuǎn)換率截面圖

2.2 NO轉(zhuǎn)換率分析

在已有的模型和參數(shù)下，利用軟件對反應(yīng)器脫硝效果進行分析，如圖8和圖9分別是SCR反應(yīng)器內(nèi)NO轉(zhuǎn)換率的等高圖和橫截面圖，由圖可以看出在整個反應(yīng)器中一氧化氮的轉(zhuǎn)換率等高面和氨的相似，仍然成內(nèi)凹型，同一截面上NO轉(zhuǎn)換率中間較高，靠近邊緣部分逐漸降低。當(dāng)然從圖8可以看出，在出口轉(zhuǎn)換率最高，均在90%及以上。

圖8 NO轉(zhuǎn)換率等高圖

圖9 NO轉(zhuǎn)換率橫截面分布圖

如圖10是同一縱截面上NO轉(zhuǎn)換情況，從圖上可以看出NO轉(zhuǎn)換率從入口開始逐漸增大，到達出口已經(jīng)達到最大；從圖11的出口截面上一氧化氮轉(zhuǎn)換率分布圖來看，中間部分轉(zhuǎn)換率最高，邊緣部分轉(zhuǎn)換率雖然比較低，但是通過軟件查看邊緣最低處轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達到88.42%，中心處到達99.12%，顯然一氧化氮轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達到要求。

圖10 NO轉(zhuǎn)換率縱截面分布圖

圖11 NO轉(zhuǎn)換率出口分布圖

2.3 反應(yīng)選擇性分析

在已有的模型和參數(shù)下，利用軟件對反應(yīng)器脫硝效果進行分析，如圖8和圖9分別是SCR反應(yīng)器內(nèi)NO轉(zhuǎn)換率的等高圖和橫截面圖，由圖可以看出在整個反應(yīng)器中一氧化氮的轉(zhuǎn)換率等高面和氨的相似，仍然成內(nèi)凹型，同一截面上NO轉(zhuǎn)換率中間較高，靠近邊緣部分逐漸降低。當(dāng)然從圖12可以看出在出口轉(zhuǎn)換率最高，均在90%及以上。

圖12 NO轉(zhuǎn)換率等高圖

如圖13是同一縱截面上NO轉(zhuǎn)換情況，從圖上可以看出NO轉(zhuǎn)換率從入口開始逐漸增大，到達出口已經(jīng)達到最大；從圖14的出口截面上一氧化氮轉(zhuǎn)換率分布圖來看，中間部分轉(zhuǎn)換率最高，邊緣部分轉(zhuǎn)換率雖然比較低，但是通過軟件查看邊緣最低處轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達到88.42%，中心處到達99.12%，顯然一氧化氮轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達到要求。

圖13 NO轉(zhuǎn)換率橫截面分布圖

圖14 NO轉(zhuǎn)換率縱截面分布圖

圖15 NO轉(zhuǎn)換率出口分布圖

3 結(jié)語

本文在環(huán)境污染逐漸嚴重的背景下，以如何減少柴油機廢氣排放為主線，綜合分析并闡述柴油機節(jié)能減排技術(shù)的研究現(xiàn)狀；并且探討分析SCR技術(shù)的應(yīng)用背景、基本原理、技術(shù)特點、應(yīng)用范圍以及運用于柴油機尾氣凈化時的效果和影響因素。然后利用COMSOL Multiphysics軟件對SCR反應(yīng)器建模與仿真，并在一定參數(shù)下，對SCR反應(yīng)器模型內(nèi)溫度場、氨氣和氮氧化物轉(zhuǎn)換率、主副反應(yīng)速率和選擇性變化情況分析。