宋 鑫

(中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

環(huán)境保護(hù)是當(dāng)今社會發(fā)展的重要話題，國際環(huán)保組織已向各國提出了越來越高的環(huán)保指標(biāo)。船機(jī)氣體排放是海洋污染中的主要來源之一。船機(jī)排放的廢氣中主要包括NOX，CO2，CO，VOCs 及碳粒及煙塵等物質(zhì)，在排出的氮氧化物NOX中主要為NO和NO2。氮氧化物是毒性很強(qiáng)的氣體，對人體有很大傷害，進(jìn)入大氣中會促進(jìn)酸雨和光化學(xué)煙霧的形成，引起土壤酸化，影響植物生長。

為了進(jìn)一步控制船機(jī)NOX排放，國際海事IMO組織提出Tier III 排放標(biāo)準(zhǔn)，明確2016年以后要執(zhí)行的船機(jī)排氣NOX指標(biāo)要求。根據(jù)新要求，船機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已很難滿足，因此排氣后處理技術(shù)越來越受到重視，在歐美日等國已興起排氣后處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)，并逐步把相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。選擇性催化還原技術(shù)(SCR)具有很高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，被認(rèn)為是船舶廢氣排放處理技術(shù)中最具有推廣價(jià)值的技術(shù)之一［1］。國內(nèi)對船機(jī)SCR 系統(tǒng)的研究開展較晚，因此相關(guān)理論知識的儲備非常迫切。本文以計(jì)算流體力學(xué)CFD 理論為基礎(chǔ)，針對船機(jī)排氣的特點(diǎn)得出數(shù)值仿真計(jì)算的基本方法，結(jié)合船舶管路布置情況，分析了SCR 系統(tǒng)排氣流場規(guī)律及湍動能分布等特點(diǎn)。

1 SCR 系統(tǒng)的工作基本原理

選擇性催化還原系統(tǒng)SCR，主要由電控系統(tǒng)(尿素電子控制單元、發(fā)動機(jī)電子控制單元)，SCR催化器、尿素噴射系統(tǒng)、傳感器等組成。通過電控系統(tǒng)對尿素噴射的精確控制，來實(shí)現(xiàn)NOX的有效轉(zhuǎn)化，同時(shí)控制NH3的泄漏量。目前系統(tǒng)的主要還原劑材料是尿素，尿素水溶液在蒸發(fā)作用下析出固態(tài)尿素顆粒［2］:

在一定溫度下尿素?zé)峤馍砂睔夂颓杷?，氰酸水解生成氨氣和CO2:

在SCR 催化器中NOX的催化還原反應(yīng)主要有:

標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng):

快速反應(yīng):

2 模型計(jì)算方法分析

SCR 系統(tǒng)管道內(nèi)部是復(fù)雜流體運(yùn)動的過程，包含了尿素水溶液的噴射分解、催化反應(yīng)、排氣運(yùn)動等方面。為更準(zhǔn)確對物理化學(xué)過程的全面、準(zhǔn)確數(shù)值模擬，本文采用湍流數(shù)值模型對SCR 內(nèi)部流場仿真計(jì)算。采用雷諾平均法對非穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程和Navier-Stokes 方程做時(shí)間平均，得到湍流時(shí)均流動的控制方程如下［3］:

連續(xù)性方程:

動量方程:

因此湍動能和耗散率的控制方程分別為［4］:

式中:Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);v 為運(yùn)動粘度。模型常數(shù)取Cμ=0.08，Bε1=1.42，Bε2=0.83，Bε3=0.34，Bε4=1.94，σk=1。

SCR 系統(tǒng)的物理化學(xué)反應(yīng)過程，存在質(zhì)的交換且存在多種化學(xué)組分，每組分都遵循組分質(zhì)量守恒定律。根據(jù)組分的質(zhì)量守恒定律，寫出組分的質(zhì)量守恒方程如下［5］:

式中:yk為化學(xué)組分k 的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Γyk為對應(yīng)組分的質(zhì)量擴(kuò)散;Syk為單位時(shí)間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的組分質(zhì)量(即生產(chǎn)率);產(chǎn)生速率Kgas為化學(xué)組分的總數(shù)。Γyk一般通過湍流施密特?cái)?shù)計(jì)算得到，組分輸運(yùn)方程中的源項(xiàng)Syk與組分的反應(yīng)速率及計(jì)算網(wǎng)格體積的大小相關(guān)。

考慮到催化器特有的多孔介質(zhì)模型，需在標(biāo)準(zhǔn)動量方程后附加動量方程源項(xiàng)來計(jì)算通道中的氣流速度，包括粘性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)2 個(gè)部分，如下所示:

多孔介質(zhì)模型中，湍動能k 通過求解標(biāo)準(zhǔn)的輸運(yùn)方程得到，湍動耗散率ε 采用如下公式進(jìn)行計(jì)算:

其中Lpor為湍流長度尺度，用于表征多孔介質(zhì)中的湍流特性。

為計(jì)算單位時(shí)間單位體積內(nèi)物理量的守恒性質(zhì)，采用如下固體能量守恒方程:

式中:Cp，s為催化劑表面的比熱容;U 為固體熱傳導(dǎo)項(xiàng);kh為氣固兩相的傳熱系數(shù);atran為催化劑的比表面積;ΔT 為氣體與固體的溫度差;Sr為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的源項(xiàng);V 為催化劑的體積;Vs為固體的體積;As為固體的表面積。

3 仿真模型與計(jì)算結(jié)果對比

以常用船舶柴油機(jī)排氣管路分布為例，管路布置及催化器簡化模型如圖1所示。

圖1 管路布置及催化器模型Fig.1 Exhaust pipe and catalyst model

采用柴油機(jī)100%負(fù)荷作為仿真工況，操作壓力設(shè)為0 Pa，催化劑采用多孔介質(zhì)模型，壁面為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模型。其他主要邊界條件為:進(jìn)口速度6.75 m/s，氣體密度2.36 kg/m3，湍流強(qiáng)度3%，孔隙率0.78。

1)速度分布

圖2 為全管路的速度分布圖，圖3 為進(jìn)催化器擴(kuò)壓區(qū)的速度分布圖。從圖中可知，排氣經(jīng)彎管時(shí)流速快速增大，主要是因?yàn)閮?nèi)壁壓力的減小，當(dāng)壓力升高時(shí)，流速逐步降低。

圖2 管道流速圖Fig.2 Gas velocity in pipe

從圖3 可知，當(dāng)進(jìn)入催化器擴(kuò)壓區(qū)域位置時(shí)，左右側(cè)產(chǎn)生2 個(gè)漩渦，這主要是因?yàn)闅怏w通過的催化器內(nèi)壁及催化劑孔道導(dǎo)致氣體流經(jīng)的截面積變化產(chǎn)生流動分離現(xiàn)象，在彎管的作用下右側(cè)的流速較高，導(dǎo)致形成較小的渦流。漩渦的產(chǎn)生更有利于尿素水溶液的分解和提高排氣與尿素的混合程度，促進(jìn)氣流沿管路擴(kuò)散能力，提高NOX轉(zhuǎn)化效率。

圖3 進(jìn)口區(qū)流速圖Fig.3 Inlet gas velocity of catalyst model

為進(jìn)一步分析管路中氣體流場的分布變化情況，取4 截面位置如圖4所示，其中截面4 為催化器進(jìn)口出，取沿管道左側(cè)壁到右側(cè)壁方向，對各截面的速度分布數(shù)值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖4 排氣管截面Fig.4 Slice area of exhaust pipe

由圖5 分析可知，氣體在截面1和截面2 中表現(xiàn)不均勻，兩邊流速呈明顯差異，因?yàn)閺澒艿淖饔?，截? 中氣體流場的流速高的部分向中間集中，兩端流速相對較低。在進(jìn)入催化器截面時(shí)，高流速逐步向四周擴(kuò)散，中間部分流速降低，原因主要是因?yàn)闇u流的產(chǎn)生使氣體開始呈現(xiàn)出四周擴(kuò)散的形態(tài)。

2)湍流動能分布

由圖6 可知，氣體進(jìn)入彎管和催化器擴(kuò)壓區(qū)域后，湍流動能明顯增強(qiáng)，原因是彎管使氣體流速變化增大，流速梯度的增大帶來流體之間內(nèi)部的摩擦加大增強(qiáng)了湍流的動能，而對于催化器擴(kuò)壓區(qū)，由于內(nèi)壁及催化劑孔效應(yīng)，氣體發(fā)生流動分離，產(chǎn)生漩渦，使漩渦外圍的湍流增強(qiáng)。進(jìn)入催化劑后氣體擾動變小，湍流動能較低，體現(xiàn)出層流的特點(diǎn)。

圖5 排氣管流速對比圖Fig.5 Gas velocity comparison in exhaust pipe

圖6 排氣管湍流動能分布Fig.6 Turbulence energy distribution in exhaust pipe

4 結(jié) 語

本文針對船機(jī)SCR 系統(tǒng)，結(jié)合CFD 理論提出船機(jī)排氣運(yùn)動的數(shù)值計(jì)算方法，得出船機(jī)SCR 系統(tǒng)排氣流場流速及湍動能等分布特點(diǎn)以及形成的原因，為船機(jī)SCR 系統(tǒng)的研究開發(fā)提供參考。

［1］KOEBEL M，ELSENER M，et al．Urea－SCR:a promising technique to reduce NOXemissions from automotive diesel engines［J］．Catalysis Today，2000，59:335－345．

［2］NOEL W C，DEAN C C，et al．Formation and reactions of isocyanic acid during the catalytic reduction of nitrogen oxides［J］．Topics in Catalysis，2000，10:13－20．

［3］王福軍．計(jì)算流體動力學(xué)分析:CFD 軟件原理與應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004．

［4］HERMAN W，HARALD B，F(xiàn)RANK T，et al．Optimization of catalytic converter gas flow distribution by CFD prediction［C］．SAE Paper 930780．

［5］S．V．帕坦卡．傳熱與流體的數(shù)值計(jì)算［M］．北京:科學(xué)出版社，1992．