船用柴油機(jī)選擇性催化還原混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

李江飛，朱海艷，牛雨飛，徐 謙，喬寶英，張 強(qiáng)

（1.無(wú)錫億利環(huán)?？萍加邢薰荆瑹o(wú)錫 214000；2.北京大學(xué) 工學(xué)院，北京 100871；3.河北億利科技股份有限公司，邢臺(tái) 054800；4.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

0 概述

柴油機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、熱效率高、油耗低等優(yōu)點(diǎn)，是船舶的主要?jiǎng)恿υO(shè)備［1-2］。隨著船舶運(yùn)輸和漁業(yè)的繁榮發(fā)展，船用柴油機(jī)廢氣污染問(wèn)題逐漸成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，而NOx是船用柴油機(jī)最主要的排放污染物之一［3］。為了減少NOx造成的環(huán)境污染，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）對(duì)船舶尾氣中NOx排放提出了3 個(gè)階段的限制要求［4］，Tier Ⅲ要求NOx排放在Tier Ⅰ基礎(chǔ)上降低80%，單純依靠機(jī)內(nèi)凈化措施無(wú)法滿足Tier Ⅲ法規(guī)。

選擇性催化還原技術(shù)（selective catalytic reduction，SCR）是目前國(guó)際上公認(rèn)的用于降低船用柴油機(jī)尾氣中NOx排放的主要技術(shù)［5］，即在催化劑的作用下，通過(guò)尿素噴射系統(tǒng)向SCR 上游噴入尿素水溶液，把尾氣中的NOx還原成N2和H2O［6-11］。目前，針對(duì)船用柴油機(jī)SCR 系統(tǒng)的研究尚較少。船用柴油機(jī)的排氣量大且管道直徑大，若混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)造成NOx轉(zhuǎn)化效率低、尿素結(jié)晶、背壓大等問(wèn)題［12-17］，NOx轉(zhuǎn)化效率低則無(wú)法滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，混合器背壓大則會(huì)影響船舶的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。

本文中針對(duì)船用柴油機(jī)SCR 系統(tǒng)，設(shè)計(jì)6 種不同的混合器結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算流體動(dòng)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，選擇最優(yōu)方案，對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架排放試驗(yàn)以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)是否滿足Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)。本研究可為船用柴油機(jī)SCR 的混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)方案

SCR 初始方案如圖1所示。由于船用柴油機(jī)的排氣流量較大，SCR 結(jié)構(gòu)方案采用并聯(lián)對(duì)稱的雙通道結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道設(shè)置上下2 個(gè)對(duì)稱的尿素噴嘴座，即SCR 中共計(jì)安裝4 個(gè)尿素噴嘴。通道的管道直徑為300 mm，由于管道直徑較大，需要在管道中設(shè)置文丘里管，文丘里管上安裝有壓差管，通過(guò)壓差計(jì)算尾氣流量。尾氣從入口進(jìn)入SCR 系統(tǒng)，從兩個(gè)通道分別進(jìn)入文丘里管，然后進(jìn)入混合器，尿素噴嘴座上可以安裝尿素噴嘴，尿素從噴嘴座進(jìn)入混合器，尾氣與尿素蒸發(fā)出的氨氣（NH3）在混合器中充分混合，最后進(jìn)入SCR 載體中發(fā)生反應(yīng)。

圖1 SCR 初始方案

設(shè)計(jì)了兩種混合器的布置方式，如圖2所示。布置方式1 中，文丘里管布置在葉片板1 和尿素噴嘴的上游，3 個(gè)葉片板的結(jié)構(gòu)形狀相同，葉片板1 和葉片板2 的布置方向相同，葉片板3 的方向在前兩塊葉片板基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)90°，尾氣先進(jìn)入文丘里管，然后尾氣在葉片板1 的擾流作用下與尿素混合，在葉片板2 和葉片板3 的擾流作用下繼續(xù)混合，最后進(jìn)入SCR 載體。布置方式2 中，文丘里管布置在尿素噴嘴和葉片板的下游，3 個(gè)葉片板的結(jié)構(gòu)形狀相同，葉片板1 和葉片板2 的布置方向相同，葉片板3 的方向在前兩塊葉片板基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)90°，尾氣和尿素經(jīng)過(guò)葉片板1 后在其擾流作用下進(jìn)入文丘里管，并在文丘里管中混合，然后在葉片板2 和葉片板3 的擾流作用下繼續(xù)混合，最后進(jìn)入SCR 載體。

圖2 SCR 混合器布置方式

設(shè)計(jì)了3 種葉片板形狀，如圖3所示。葉片板形狀1 中，在葉片板上設(shè)置均勻布置的方形柵格，并在方形柵格上設(shè)置上下交錯(cuò)的葉片板，尾氣進(jìn)入方形柵格后在葉片板導(dǎo)流作用下發(fā)生擾流；葉片板形狀2 中，在葉片板中間設(shè)置均勻布置的方形孔，并在方形孔上設(shè)置左右交錯(cuò)的葉片板，尾氣進(jìn)入方形孔后在葉片板導(dǎo)流作用下發(fā)生擾流；葉片板形狀3 中，在葉片板中間設(shè)置均勻布置的方形孔，并在方形孔上設(shè)置旋轉(zhuǎn)的葉片板，尾氣進(jìn)入方形孔后在葉片板導(dǎo)流作用下發(fā)生旋流。

圖3 葉片板形狀

按照不同的布置方式和葉片板形狀進(jìn)行排列組合，共設(shè)計(jì)6 種混合器結(jié)構(gòu)，不同混合器方案如表1所示。

表1 SCR 混合器方案表

2 CFD 分析

2.1 CFD 物理模型

CFD 物理模型中采用尿素直接蒸發(fā)方法，即不對(duì)熱解和水解兩個(gè)階段進(jìn)行明確建模，而是模擬從尿素液體到氣態(tài)氨氣的相變過(guò)程，分解過(guò)程中吸收的熱量看作是升華過(guò)程吸熱。不考慮載體表面化學(xué)反應(yīng)，氣體選擇為黏性可壓縮氣體，計(jì)算過(guò)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［18-20］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［21］，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 均勻性指數(shù)

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)，流速分布不均會(huì)造成催化劑局部老化，降低使用壽命；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)［22-23］評(píng)價(jià)其均勻性程度，流速均勻性指數(shù)Uflow的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中，j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)算公式見(jiàn)式（2）。

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)。

2.3 CFD 邊界條件

SCR 系統(tǒng)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為降低計(jì)算量，故建立一半模型。采用多面體方式劃分CFD 網(wǎng)格，網(wǎng)格基本尺寸為10 mm。為保證計(jì)算精度，噴嘴和葉片板的區(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0.037 mm，邊界層總厚度為2.1 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。最終SCR 系統(tǒng)中共計(jì)580 萬(wàn)個(gè)單元網(wǎng)格。SCR 方案3 的CFD 網(wǎng)格示意圖如圖4所示。選取標(biāo)定工況進(jìn)行CFD 仿真，排氣流量為3 588 kg/h，排氣溫度為423 ℃，尿素噴射量為2 380 mg/s。CFD 目標(biāo)要求SCR 系統(tǒng)背壓小于5 kPa 且NH3均勻性指數(shù)大于0.90。

圖4 SCR 混合器分案3 的CFD 網(wǎng)格示意圖

2.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和模型驗(yàn)證

不同網(wǎng)格尺寸下方案3 的CFD 仿真結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，隨著網(wǎng)格尺寸的減小，網(wǎng)格數(shù)量急劇增加，而UNH3的變化幅度不大于1%，Uflow和背壓不變，說(shuō)明本模型基本消除了網(wǎng)格大小對(duì)結(jié)果的影響。

表2 不同網(wǎng)格尺寸下方案3 的CFD 仿真結(jié)果

方案3 的試驗(yàn)測(cè)試背壓為4.5 kPa，CFD 計(jì)算背壓為4.8 kPa，誤差較小，說(shuō)明CFD 計(jì)算的背壓合理有效。

3 試驗(yàn)方案

3.1 臺(tái)架布置

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架如圖5所示。試驗(yàn)用測(cè)功機(jī)為西門子電力FC200（600 kW）測(cè)功機(jī)，尾氣分析儀為日本HORIBA MEXA—7500DEGR 氣體分析儀，排氣流量通過(guò)燃油質(zhì)量流量與空氣質(zhì)量流量相加計(jì)算得到，排氣溫度通過(guò)溫度傳感器測(cè)試得到，尿素噴射量通過(guò)標(biāo)定軟件INCA 調(diào)整。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表3所示。

圖5 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架圖

表3 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表

3.2 排放試驗(yàn)

按照《船用柴油機(jī)排氣排放污染物測(cè)量方法》（GB/T 15097—2008）進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架污染物排放試驗(yàn)，其中E3 循環(huán)為常用的標(biāo)定船用柴油機(jī)推進(jìn)工況，故選擇E3 工況測(cè)試NOx排放值。E3 工況參數(shù)如表4所示。IMO 對(duì)NOx排放限值的具體要求如表5所示，其中n為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速，單位為r/min。由表5可得該發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放限值為2.08 g/（kW·h）。

表4 船用柴油機(jī)E3 工況參數(shù)

表5 IMO 標(biāo)準(zhǔn)NOx 排放限值

尿素噴射系統(tǒng)的噴射壓力為0.5 MPa，噴束的噴霧錐角為45°，液滴索特平均直徑（Sauter mean diameter，SMD）為56.8 μm，噴射初速度為11 m/s。

4 CFD 結(jié)果分析

4.1 均勻性和背壓分析

6 種方案的SCR 載體流速分布、NH3分布如圖6、圖7所示，其均勻性指數(shù)和背壓如表6所示。從表中可以看出，6 種方案的流速均勻性均在0.98 或以上，說(shuō)明其載體內(nèi)的流速分布較均勻。對(duì)比圖7可知：葉片板形狀3 的NH3均勻性指數(shù)最優(yōu)，其次為葉片板形狀2，葉片板形狀1 最差，這是由于葉片板形狀3 可以引導(dǎo)尾氣形成旋流，旋流時(shí)將尾氣和尿素充分混合；文丘里管布置在尿素噴嘴下游后葉片板形狀1 的NH3均勻性指數(shù)顯著提高，葉片板形狀2 的NH3均勻性指數(shù)降低，葉片板形狀3 的NH3均勻性指數(shù)略有提高；葉片板形狀2 的背壓最大，其次為葉片板形狀3，葉片板形狀1 的背壓最小，文丘里管的布置順序?qū)CR 系統(tǒng)的背壓無(wú)影響。

圖6 6 種方案的載體流速分布CFD 仿真結(jié)果

圖7 6 種方案的NH3 分布CFD 仿真結(jié)果

從表6中可以看出，方案3、方案5 和方案6 均同時(shí)滿足SCR 系統(tǒng)背壓小于5 kPa 和NH3均勻性指數(shù)大于0.90 的要求，故需要繼續(xù)在這3 個(gè)方案中篩選出結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)最小的方案。

表6 6 種方案的均勻性指數(shù)和背壓CFD 仿真結(jié)果

4.2 尿素碰壁和流速分析

方案3、方案5 和方案6 的混合器尿素軌跡和碰壁結(jié)果如圖8和圖9所示，混合器尿素碰壁量結(jié)果如表7所示?？梢钥闯龇桨? 的尿素液滴碰壁主要在葉片板2 表面，且碰壁位置較分散，碰壁量為199.1 mg/s，葉片板3 和殼體的碰壁量較小，尿素軌跡較均勻分散地充滿腔體，尿素液滴在葉片板的擾流作用下與尾氣發(fā)生混合，尿素液滴在流動(dòng)過(guò)程中液滴直徑逐漸減小最終蒸發(fā)形成NH3進(jìn)入SCR 載體；方案5 的尿素液滴主要碰撞在殼體的表面，碰壁量為358.2 mg/s，葉片板2 的碰壁量為145.8 mg/s，葉片板3 的碰壁量較小，尿素軌跡形成上下兩股旋流，尿素液滴在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中與尾氣混合并蒸發(fā)進(jìn)入SCR 載體；方案6 的尿素液滴主要碰撞在殼體和葉片板1 的表面，碰壁量分別為197.6 mg/s 和199.4 mg/s，尿素軌跡較集中。

表7 方案3、方案5 和方案6 的尿素碰壁分布

圖8 方案3、方案5 和方案6 的尿素軌跡

圖9 方案3、方案5 和方案6 的尿素碰壁分布

方案3、方案5 和方案6 的流速分布如圖10所示。從圖中可以看出方案3 的葉片板2 的尿素碰壁區(qū)域流速較高，流速范圍在50 m/s～60 m/s 之間，尾氣可以對(duì)碰壁區(qū)域進(jìn)行加熱，有利于尿素蒸發(fā)，減小尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)；方案5 和方案6 的碰壁區(qū)域主要集中在殼體表面上，而殼體表面流速較低，且殼體向周圍環(huán)境散熱，因此殼體區(qū)域溫度較低，溫度較低的尿素液滴碰撞殼體后進(jìn)一步降低殼體溫度，導(dǎo)致較高的尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 方案3、方案5 和方案6 的流速分布圖

綜上所述，方案3、方案5 和方案6 均能滿足背壓和均勻性的要求，但是方案5 和方案6 的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)較高，方案3 相對(duì)更優(yōu)，選擇方案3 進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，方案3 在E3 工況下尾氣NOx排放為0.66 g/（kW·h），滿足Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)NOx排放低于2.08 g/（kW·h）的要求。

方案3 在E3 工況下的NOx轉(zhuǎn)化效率如表8所示。由表8可知，不同工況點(diǎn)的NOx轉(zhuǎn)化效率都不低于91%，平均值為91.4%。

表8 方案3 在E3 工況的NOx 轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)值

6 結(jié)論

（1）葉片板左右交錯(cuò)方案的NH3均勻性最好，葉片板形狀1 的背壓最小，文丘里管的布置順序?qū)Ρ硥簾o(wú)影響，文丘里管布置在上游、葉片板左右交錯(cuò)的方案滿足背壓和NH3均勻性要求。

（2）葉片板旋轉(zhuǎn)布置方案的尿素碰壁集中在流速和溫度較低的殼體表面，結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)較大，文丘里管布置在上游、葉片板左右交錯(cuò)方案的尿素碰壁集中在流速和溫度較高的葉片板2 表面，尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)最小。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，文丘里管布置在上游且葉片板左右交錯(cuò)的方案在E3 循環(huán)工況下NOx排放為0.66 g/（kW·h），滿足IMO Tier Ⅲ的 排放標(biāo)準(zhǔn)要求，NOx轉(zhuǎn)化效率平均值為91.4%。