吳里程， 王謙， 王靜， 趙煒

(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院內(nèi)燃機(jī)教研室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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車(chē)用Urea-SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

吳里程1， 王謙1， 王靜2， 趙煒1

(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院內(nèi)燃機(jī)教研室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為了對(duì)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)噴射區(qū)和催化轉(zhuǎn)化區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，采用AVL Fire軟件對(duì)某型號(hào)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)進(jìn)行了三維建模。分別對(duì)比了尿素噴嘴噴孔數(shù)、催化器結(jié)構(gòu)型式及轉(zhuǎn)向型催化器內(nèi)擴(kuò)散器的幾何參數(shù)對(duì)SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的影響。研究表明，最佳尿素噴孔數(shù)為4～6個(gè)，當(dāng)使用轉(zhuǎn)向型催化器并且擴(kuò)散器處開(kāi)孔區(qū)域角度在180°～270°之間時(shí)能達(dá)到最佳的優(yōu)化效果。

柴油機(jī)； 選擇性催化還原； 氮氧化物； 數(shù)值模擬； 轉(zhuǎn)向型催化器； 擴(kuò)散器

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻以及公眾環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，汽車(chē)尾氣排放特別是柴油機(jī)NOx排放逐漸受到了人們的重視。為了控制NOx和PM排放量，各國(guó)相應(yīng)制定了嚴(yán)格的柴油機(jī)排放法規(guī)。研究表明，僅靠機(jī)內(nèi)凈化已經(jīng)很難滿(mǎn)足排放要求，必須同時(shí)輔以尾氣后處理技術(shù)來(lái)控制污染物的排放。尿素選擇性催化還原(Urea-SCR)技術(shù)具有抗硫中毒和節(jié)油方面的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是我國(guó)車(chē)用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)未來(lái)嚴(yán)格排放法規(guī)的技術(shù)路線[1]。

鑒于車(chē)用柴油機(jī)運(yùn)行工況多變，排氣參數(shù)波動(dòng)大，且SCR系統(tǒng)布置空間有限，目前車(chē)用SCR系統(tǒng)需解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是系統(tǒng)中管路布置和催化器結(jié)構(gòu)尺寸；二是恰當(dāng)?shù)哪蛩貒娚渑c控制策略[2]。本研究運(yùn)用AVL Fire軟件在分析系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)和組分濃度的基礎(chǔ)上，對(duì)SCR系統(tǒng)噴射區(qū)和催化還原區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，分別對(duì)比了尿素噴嘴噴孔數(shù)、催化器結(jié)構(gòu)型式以及催化器內(nèi)擴(kuò)散器幾何參數(shù)對(duì)SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的影響，獲得了這些參數(shù)改變時(shí)組分分布、NOx轉(zhuǎn)化效率和均勻性指數(shù)變化的規(guī)律，為后續(xù)SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 研究對(duì)象

1.1 SCR系統(tǒng)幾何模型的建立

本研究模擬對(duì)象為某型號(hào)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)，封裝型式為桶式封裝，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。進(jìn)出口排氣管直徑為100 mm，所用催化劑為V2O5/WO3/TiO2整體式催化劑，內(nèi)部為方形孔道的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，容積為14 L，孔密度為62孔/cm2，壁厚為0.2 mm，載體涂層厚度為0.127 mm。其中催化器為轉(zhuǎn)向型，采用4孔噴嘴，中間徑向噴射，噴嘴的安裝位置到催化器入口的距離為7d，有利于尿素的蒸發(fā)、熱解以及還原劑與尾氣的均勻混合。催化器內(nèi)擴(kuò)散器四周上均勻分布著直徑為8mm的小孔。

1.2 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

本研究采用的模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以利用Fire軟件中的FAME技術(shù)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分。生成的網(wǎng)格見(jiàn)圖2，為保證計(jì)算精度，對(duì)擴(kuò)散器處的小孔進(jìn)行了網(wǎng)格加密。圖3示出計(jì)算模型與工程上實(shí)際應(yīng)用模型的比較。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能測(cè)試試驗(yàn)，選取3個(gè)典型工況A25，B50，C100的數(shù)據(jù)作為邊界條件的輸入量(見(jiàn)表1)，A，B，C分別代表發(fā)動(dòng)機(jī)低、中、高3個(gè)轉(zhuǎn)速，后面的數(shù)字代表負(fù)荷百分?jǐn)?shù)[3]。其中采用質(zhì)量流量作為進(jìn)口邊界，出口邊界條件設(shè)為靜壓，壓力為0.1MPa。壁面采用無(wú)滑移邊界，外界溫度為300K。尿素溶液的噴射為間歇周期噴射，本次模擬選擇的噴射周期為0.8s，0.1s開(kāi)始噴射，噴射持續(xù)到0.4s。計(jì)算模型中的氣體成分主要有7種：NO，NO2，NH3，O2，CO2，HCNO，N2。

表1 典型工況的邊界條件

2 數(shù)值計(jì)算模型

系統(tǒng)內(nèi)部流體流動(dòng)采用質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程進(jìn)行描述，湍流運(yùn)動(dòng)過(guò)程用雷諾方程來(lái)分析，尿素在排氣管中的擴(kuò)散情況用湍流擴(kuò)散模型來(lái)分析[4]。從尿素噴射處到SCR催化器出口，涉及很多物理化學(xué)過(guò)程，主要包括尿素溶液的霧化、尿素液滴蒸發(fā)和熱解、尿素溶液撞壁及液膜模型和表面催化化學(xué)反應(yīng)。

2.1 噴霧模型

本研究尿素溶液的噴霧模擬采用離散液滴模型(DDM)，即忽略液相初次霧化過(guò)程，認(rèn)為尿素溶液離開(kāi)噴嘴就成為離散的液滴，并結(jié)合拉格朗日方法和歐拉方法來(lái)求解液滴運(yùn)動(dòng)軌跡。液滴的二次破碎過(guò)程采用Huh-Gosman破碎模型[5]。

2.2 尿素溶液蒸發(fā)模型

尿素水溶液噴霧到排氣管后，因?yàn)樗姆悬c(diǎn)比尿素低，所以尿素液滴中水先蒸發(fā)，直到形成熔融或固態(tài)的尿素。這一過(guò)程可以簡(jiǎn)化為以下兩步反應(yīng)[6]：

(1)

(2)

根據(jù)Arrhenius定理，反應(yīng)(2)的反應(yīng)速率表達(dá)式如下：

(3)

2.3 載體多孔介質(zhì)模型

催化劑載體通道尺寸很小，數(shù)量非常龐大，直接模擬載體所有通道內(nèi)的三維流動(dòng)較為困難，需要對(duì)載體內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。將整體式陶瓷蜂窩催化劑載體簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)、單一方向，即流體流經(jīng)載體時(shí)只有沿軸向方向的速度和壓力損失。壓力損失按Forchheimer模型[5]進(jìn)行計(jì)算。

(4)

該源項(xiàng)包括兩個(gè)損失項(xiàng)：黏性損失及慣性損失。αi為黏性損失系數(shù)(i代表X，Y，Z方向)；μ為動(dòng)力學(xué)黏度；wi為當(dāng)?shù)厮俣确至?；ζ為慣性損失系數(shù)；ρ為流體密度。

2.4 催化劑表面化學(xué)反應(yīng)模型

在催化器內(nèi)部，異氰酸進(jìn)入催化器發(fā)生的反應(yīng)主要是在催化劑涂層表面。當(dāng)條件合適時(shí)，NH3將選擇性地與尾氣中的NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和水，降低NOx排放。在催化劑表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)較多，本文中主要考慮了以下5個(gè)反應(yīng)：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

反應(yīng)式(5)表示尿素?zé)岱纸猱a(chǎn)物異氰酸在催化劑表面與水蒸氣發(fā)生水解反應(yīng)生成氨氣和二氧化碳。反應(yīng)式(6)至式(8)表示NH3選擇性還原NOx的SCR反應(yīng)。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中NO為主要氮氧化物(含量約為90%)，因此反應(yīng)式(6)被稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。研究表明NO2的存在可以提高反應(yīng)速率，當(dāng)V(NO2)/V(NOx)≈50%時(shí)反應(yīng)速率最快，因此反應(yīng)式(7)被稱(chēng)作快速SCR反應(yīng)。當(dāng)V(NO2)/V(NOx)比例繼續(xù)增大時(shí)，反應(yīng)式(8)所示的緩慢SCR反應(yīng)占主導(dǎo)作用，NOx轉(zhuǎn)化效率降低[7]。反應(yīng)式(9)為氨氣氧化反應(yīng)，以防止氨泄漏。

3 結(jié)果與分析

3.1 尿素噴射參數(shù)優(yōu)化

還原劑的分布均勻性與尿素噴霧液滴的分布直接相關(guān)，噴嘴噴孔數(shù)的增多有利于擴(kuò)大液滴的分布范圍，使還原劑在排氣管中與尾氣更好地混合[8]。所以本研究在B50工況的基礎(chǔ)上，比較了不同噴孔數(shù)(分別為1，2，3，4，5，6，7，8共8種情況)對(duì)SCR系統(tǒng)的影響。噴孔直徑保持0.5 mm不變，單個(gè)噴孔噴嘴的尿素噴射方向沿著軸線方向，與排氣流方向相同，其余幾種噴射均為徑向噴射，與排氣流方向垂直。

圖4示出了不同噴孔數(shù)下尿素液滴和還原劑分布情況。從圖中可以看出，單孔軸向噴嘴的液滴沿排氣方向運(yùn)動(dòng)，尿素噴射貫穿距偏大，尿素液滴分布主要集中在排氣管中心區(qū)域，到達(dá)擴(kuò)散器底部時(shí)，一部分液滴隨著排氣反彈到擴(kuò)散器上方，然后混合氣通過(guò)擴(kuò)散孔流出進(jìn)行二次分配，所以還原劑分布呈兩邊多中間少的趨勢(shì)，致使催化劑出口會(huì)有一部分NO未被還原。隨著噴孔數(shù)的增多，尿素液滴分散范圍擴(kuò)大，NH3的分布均勻性有所改善。

從圖5 NOx轉(zhuǎn)化效率中也可以看出，NOx轉(zhuǎn)化效率隨著噴孔數(shù)的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)噴孔數(shù)達(dá)到5時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高，繼續(xù)增加噴孔數(shù)，NOx轉(zhuǎn)化效率不再提高，反而呈下降趨勢(shì)。這是由于隨著噴孔數(shù)的增多，在噴射流量一定的情況下，單個(gè)噴孔流出的質(zhì)量流量會(huì)變少，相應(yīng)地噴射速度變小，液滴分布范圍隨之減小，所以液滴霧化效果以及與排氣的混合均勻性略有下降。而對(duì)于徑向噴嘴，隨著噴孔數(shù)的增加，相應(yīng)地噴孔加工面也增多，加工難度和成本隨之提高，所以綜合考慮NOx的轉(zhuǎn)化效率和噴嘴的加工工藝，噴孔數(shù)為4～6個(gè)比較合適。在以下模擬中使用的噴嘴噴孔數(shù)為4個(gè)。

3.2 催化器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

催化器結(jié)構(gòu)型式對(duì)SCR系統(tǒng)的速度和壓力分布影響很大,所以本研究比較了3種不同排氣結(jié)構(gòu)型式對(duì)SCR系統(tǒng)的影響，分別是轉(zhuǎn)向型催化器、圓錐型催化器和帶導(dǎo)流裝置的圓錐型催化器[9]。這3種催化器結(jié)構(gòu)的管徑、催化劑長(zhǎng)度及參數(shù)、噴嘴到催化劑的距離以及噴嘴參數(shù)都相同，計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖6。

樅陽(yáng)縣電商扶貧主體企業(yè)潛山和沐電子商務(wù)有限公司樅陽(yáng)運(yùn)營(yíng)中心總經(jīng)理李小多介紹，公司正在謀劃注冊(cè)統(tǒng)一的商標(biāo)，積極尋求規(guī)模化、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)路徑，打造屬于樅陽(yáng)縣的特色品牌，讓電商扶貧走得更遠(yuǎn)。

圖7示出了B50工況下不同催化器結(jié)構(gòu)SCR系統(tǒng)的湍動(dòng)能分布。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)向型催化器的湍動(dòng)能較高，能夠促進(jìn)尿素液滴的蒸發(fā)熱解以及異氰酸的水解，所以生成的HCNO量比較多，進(jìn)而產(chǎn)生的還原劑能夠與NOx充分發(fā)生反應(yīng)，催化器出口的NOx消耗完全。而圓錐型催化器的湍動(dòng)能較低，比較容易發(fā)生壁面分離，在催化器壁面處會(huì)引起流體回流，形成了漩渦。加裝導(dǎo)流裝置后，湍動(dòng)能變高，促進(jìn)了尿素液滴的熱解，同時(shí)排氣流經(jīng)導(dǎo)流裝置后會(huì)形成沿軸線旋轉(zhuǎn)的旋流，可以促進(jìn)還原劑的混合，進(jìn)而減少了催化器出口未被還原的NOx量。但是加裝導(dǎo)流裝置后湍動(dòng)能過(guò)高，發(fā)生了質(zhì)變，會(huì)使還原劑的均勻性不夠 。所以轉(zhuǎn)向型催化器的還原劑均勻性要優(yōu)于圓錐型和帶導(dǎo)流裝置的圓錐型催化器。

催化劑入口速度與還原劑分布直接影響催化器的轉(zhuǎn)化效率。還原劑分布不均會(huì)使得還原劑局部過(guò)量或不足，從而導(dǎo)致SCR轉(zhuǎn)化效率降低和氨氣的泄漏[9]，長(zhǎng)時(shí)間氨氣分布不均勻會(huì)加速催化劑老化，從而影響催化劑的整體性能[10]。

均勻性指數(shù)γ定義為[11]

(10)

圖8和圖9分別示出了3種催化器結(jié)構(gòu)的NH3均勻性指數(shù)和NOx轉(zhuǎn)化效率。從圖8中可以看出，從0.1 s開(kāi)始噴射尿素，0.4 s停止噴射，圓錐型催化器NH3均勻性一直較差，均勻性指數(shù)在0.60～0.74之間，所以NOx轉(zhuǎn)化效率相應(yīng)地較低，只有60%。而加裝導(dǎo)流裝置后，催化劑入口處還原劑的均勻性略有提高，能夠達(dá)到0.86左右，NOx轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到71.7%，比圓錐型催化器的提高了11.7%左右。相對(duì)于圓錐型和帶導(dǎo)流裝置的圓錐型催化器，轉(zhuǎn)向型催化器的NH3均勻性指數(shù)可到達(dá)0.9，NOx轉(zhuǎn)化效率也隨之提高到80%左右。

通過(guò)比較3種型式的SCR系統(tǒng)可知，轉(zhuǎn)向型催化器在湍動(dòng)能分布、還原劑均勻性和NOx轉(zhuǎn)化效率等方面都要優(yōu)于其他兩種。

3.3 擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

擴(kuò)散器主要起導(dǎo)流作用，能夠引導(dǎo)氣體快速地通過(guò)擴(kuò)散孔進(jìn)入催化器內(nèi)部，同時(shí)起到促進(jìn)尿素液滴破碎的作用。合理地設(shè)計(jì)擴(kuò)散器不僅可以使氣體快速地到達(dá)催化器，還可以使還原劑均勻地分布到催化劑表面，從而提高催化劑的利用率。而擴(kuò)散器處的開(kāi)孔區(qū)域是擴(kuò)散器細(xì)孔面占整個(gè)擴(kuò)散器外圍的角度，它對(duì)載體內(nèi)部氣流分布具有一定的影響，所以對(duì)擴(kuò)散器處開(kāi)孔區(qū)域角的影響進(jìn)行了模擬分析。

如圖10所示，當(dāng)區(qū)域角大于90°時(shí)，由于擴(kuò)散孔處的徑向流通面積增大，導(dǎo)致從擴(kuò)散孔處流出的氣體速度減弱，催化器前腔內(nèi)氣體發(fā)生負(fù)壓卷吸作用的能力也會(huì)相應(yīng)減小，進(jìn)而使流動(dòng)分離現(xiàn)象減弱，提升了載體內(nèi)部還原劑的對(duì)稱(chēng)性。而當(dāng)區(qū)域角上升至360°時(shí)，由于氣體通過(guò)擴(kuò)散孔流出，沒(méi)有形成有效的二次分配，而是一部分氣體直接到達(dá)載體前端面，造成載體前端面氣體分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致載體內(nèi)部還原劑的不對(duì)稱(chēng)性增加，影響NOx轉(zhuǎn)化效率。

通過(guò)圖11可以發(fā)現(xiàn)，還原劑隨著區(qū)域角的增加而變得更加均勻，均勻性指數(shù)由0.933 6增加到0.947，但當(dāng)區(qū)域角大于270°時(shí)，還原劑均勻性開(kāi)始下降，進(jìn)而影響NOx轉(zhuǎn)化效率。 圖12示出3種典型工況(A25，B50，C100)下NOx轉(zhuǎn)化效率隨區(qū)域角的變化。從區(qū)域角為90°開(kāi)始，NOx轉(zhuǎn)化效率呈先增加后下降的趨勢(shì)，區(qū)域角在180°～270°時(shí)3種工況下的NOx轉(zhuǎn)化效率都達(dá)到最大值，分別為92%，81%，68%。繼續(xù)增大開(kāi)口區(qū)域角，NOx轉(zhuǎn)化效率開(kāi)始下降，到區(qū)域角為360°時(shí)，3種工況下轉(zhuǎn)化效率分別降為90%,78%,67%。所以，擴(kuò)散器處開(kāi)孔區(qū)域角最好在180°～270°之間。

4 結(jié)論

a) 尿素噴嘴噴孔數(shù)會(huì)影響液滴形態(tài)和空間分布，通過(guò)綜合比較催化器的性能和噴嘴的加工工藝，發(fā)現(xiàn)噴孔數(shù)為4～6個(gè)最為合適；

b) 通過(guò)比較3種不同結(jié)構(gòu)型式的催化器發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向型催化器在湍動(dòng)能分布、還原劑均勻性和NOx轉(zhuǎn)化效率方面都要優(yōu)于其他兩種催化器，而且在圓錐型催化器的基礎(chǔ)上加裝導(dǎo)流裝置，可以提高系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率；

c) 對(duì)轉(zhuǎn)向型催化器內(nèi)的擴(kuò)散器進(jìn)行優(yōu)化，比較了不同開(kāi)孔區(qū)域角度的催化器，發(fā)現(xiàn)區(qū)域角存在一個(gè)最佳的范圍，可以使載體內(nèi)部氣流分布均勻，同時(shí)提高NOx轉(zhuǎn)化效率。

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[編輯: 李建新]

Optimization of Structural Parameters for Vehicle Urea-SCR System

WU Licheng1, WANG Qian1, WANG Jing2, ZHAO Wei1

(1. School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China；2. Internal Combustion Engine Research Institute， Zhenjiang Watercraft College， Zhenjiang 212003， China)

In order to optimize the injection and catalytic conversion area of SCR system, 3D simulation of SCR system for a diesel engine was conducted with AVL Fire software and the influences of nozzle hole number, catalyst structure and geometry parameters of diffuser for steering-type catalyst on conversion efficiency were analyzed and compared. The results showed that the optimal nozzle hole number was 4-6. The SCR system using steering-type catalytic converter with 180°-270° angle at the drilling area of diffuser could achieve the best optimization effects.

diesel engine; selective catalyst reduction(SCR); nitrogen oxides; numerical simulation; steering-type catalytic converter; diffuser

2015-07-07;

2015-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51276084)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ11_0560)

吳里程(1991—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)NOx的排放控制;wulicheng@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.012

TK 421.5

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1001-2222(2015)06-0059-06