李 鑫， 宋新剛, 高子朋， 吳桂濤， 孫 毅(.中國(guó)船級(jí)社 廣州分社, 廣州 505; .山東交通學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院, 山東 威海 6400; .大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 606)

基于AVLBOOST的柴油機(jī)SCR催化劑尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 鑫1， 宋新剛2, 高子朋3， 吳桂濤3， 孫 毅1
(1.中國(guó)船級(jí)社 廣州分社, 廣州 510235; 2.山東交通學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院, 山東 威海 264200; 3.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

以濰坊華東6105AZLD型柴油機(jī)的選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction, SCR)系統(tǒng)為研究對(duì)象，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用AVL BOOST軟件建立目標(biāo)柴油機(jī)SCR催化劑模型。進(jìn)行SCR化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化，分析催化劑體積、截面布置形式、孔密度以及布置層數(shù)對(duì)催化劑性能的影響，最終確定催化劑體積為0.072 m3，截面布置形式為2×2，孔密度為30×30，布置層數(shù)為2，每層高度為0.4 m。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的催化劑脫硝率、壓降和氨逃逸率分別為82%,237 Pa,0.007 5‰。

船舶工程；選擇性催化還原；催化劑；脫硝率；氨逃逸率；優(yōu)化設(shè)計(jì)

船舶柴油機(jī)排放的氮氧化物(NOx)約占全球NOx排放總量的15%。[1]為應(yīng)對(duì)NOx造成的環(huán)境污染，國(guó)際海事組織于2008年10月正式通過(guò)了《國(guó)際防止船舶造成污染公約》(International Convention for the Prevention of Pollution from Ships,MARPOL)附則Ⅵ的修正案《氮氧化物排放技術(shù)規(guī)則》，對(duì)NOx排放提出了3個(gè)階段的限值要求，其中Tier III的NOx排放限值比Tier I降低了80%。為在2016年達(dá)到Tier III標(biāo)準(zhǔn)，航運(yùn)界一直在探索可行的NOx減排措施，其中選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)技術(shù)[2]是公認(rèn)的能有效降低船舶柴油機(jī)NOx排放的措施。

SCR系統(tǒng)的體積較大，而船舶機(jī)艙的空間有限，因此設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊且性能可靠的SCR催化劑是船用SCR系統(tǒng)研究方面的主要課題之一。[3]目前SCR催化劑尺寸的設(shè)計(jì)主要通過(guò)結(jié)合目標(biāo)柴油機(jī)的排氣參數(shù)和所用催化劑的性能，利用AVL Fire和BOOST等軟件中的排氣后處理模塊來(lái)完成。研究表明，這種設(shè)計(jì)方法能較好地滿足實(shí)際需求。[4]這里利用AVL BOOST軟件完成目標(biāo)柴油機(jī)SCR催化劑尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 柴油機(jī)SCR系統(tǒng)工作原理

柴油機(jī)SCR系統(tǒng)布置圖見圖1。[5]尿素泵將尿素供入計(jì)量單元，計(jì)量單元根據(jù)控制信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)尿素的噴射量；噴入排氣管的尿素在高溫下分解為NH3，NH3與柴油機(jī)排出的氣體混合后進(jìn)入催化器，并在其中發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物主要為N2和H2O。壓縮空氣用于催化劑吹灰和輔助尿素噴射。SCR反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜，這里采用ER(Eley-Rideal)機(jī)理[6]，即認(rèn)為反應(yīng)發(fā)生在強(qiáng)烈吸附的NH3與氣相或微弱吸附的NO之間，這一過(guò)程中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)概括為

NH3+ME(S)→ME-NH3(S)

(1)

ME-NH3(S)→NH3+ME(S)

(2)

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(3)

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

(4)

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

(5)

4NH3+3O2→2N2+6H2O

(6)

式(1)和式(2)為NH3在催化劑表面的吸附和解吸附反應(yīng)，其中ME-NH3(S)為吸附NH3后的金屬氧化物活性位(Active Sites)；式(3)為SCR中最主要的反應(yīng)，稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)，在溫度為300～400℃時(shí)有較高的反應(yīng)速率，但在溫度<250℃時(shí)反應(yīng)速率較低；式(4)的反應(yīng)速率是標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)的17倍，稱為快速SCR反應(yīng)；式(5)的反應(yīng)速率最低，稱為慢速SCR反應(yīng)；式(6)的反應(yīng)溫度高于400℃，NH3可能在催化劑表面發(fā)生氧化反應(yīng)。正是由于這些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生才使得柴油機(jī)排氣中的NOx被還原為N2，從而降低了柴油機(jī)NOx排放帶來(lái)的大氣污染。

圖1 SCR系統(tǒng)布置圖

2 目標(biāo)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)減排現(xiàn)狀

試驗(yàn)所用的柴油機(jī)為濰坊華東6105AZLD型船用發(fā)電柴油機(jī)，額定功率為110 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。該柴油機(jī)設(shè)計(jì)的脫硝率≥80%，催化器壓降≤500 Pa，氨逃逸率≤0.01‰。目標(biāo)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的初步安裝于2014年3月完成，并進(jìn)行了性能試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)布置見圖2a；所用催化劑參數(shù)見表1(其中，CPSI=Cells Per Square Inch)，其外觀見圖2b。分別在25%,50%,75%和100%負(fù)荷下測(cè)試SCR系統(tǒng)的脫硝性能，取各負(fù)荷下脫硝率最高的3組數(shù)據(jù)(見表2)。結(jié)果表明:各負(fù)荷下的壓降均<100 Pa，滿足設(shè)計(jì)要求;而最大脫硝率<50%，與設(shè)計(jì)指標(biāo)80%相差較大。由于試驗(yàn)臺(tái)的NH3檢測(cè)儀尚未安裝，因此沒有進(jìn)行氨逃逸率的測(cè)試。系統(tǒng)脫硝率較低可能是由于所用催化劑活性較低、體積較小。對(duì)此，利用AVL BOOST軟件進(jìn)行SCR催化劑尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析適合目標(biāo)柴油機(jī)的最佳催化劑結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，包括催化劑體積、長(zhǎng)度、截面積(截面布置形式)、孔密度和催化劑布置層數(shù)等。

a) SCR系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)布置

b) SCR催化劑

表1 試驗(yàn)臺(tái)SCR催化劑詳細(xì)參數(shù)

3 目標(biāo)柴油機(jī)SCR催化劑建模

3.1模型假設(shè)

1) 柴油機(jī)所排氣體中僅含有NOx,CO2,H2O,O2和N2。

2) 混合物的流動(dòng)為一維定常流動(dòng)，忽略氣體組分在徑向的速度和濃度梯度。

3) 認(rèn)為反應(yīng)器與外界絕熱，即忽略反應(yīng)器外壁與環(huán)境的熱交換。

4) 催化劑表面的SCR反應(yīng)符合Eley-Rideal機(jī)理，即化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在強(qiáng)烈吸附的NH3與氣相或微弱吸附的NOx之間。

5) 考慮NH3的吸附與解吸附反應(yīng)、標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)、快速SCR反應(yīng)以及NH3在催化劑表面的氧化反應(yīng)，忽略其他反應(yīng)。

表2 SCR系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2邊界條件的設(shè)置

AVL BOOST軟件排氣后處理模塊中的SCR催化劑模型[7]專門用于催化劑尺寸設(shè)計(jì)和性能分析。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)置邊界條件，入口質(zhì)量流量為0.17 kg/s，溫度設(shè)為440℃，各組分濃度取體積濃度，氨氮摩爾比取1∶1，具體設(shè)置見表3。[8]由于CO2不參與化學(xué)反應(yīng)且對(duì)催化劑性能沒有影響，因此用N2來(lái)平衡所排氣體中的CO2。5個(gè)化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)通過(guò)優(yōu)化獲得；出口邊界條件為壓力出口，取大氣壓值。[9]

表3 催化劑進(jìn)口成分及濃度

3.3化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化

針對(duì)所考慮的5個(gè)化學(xué)反應(yīng)，將BOOST默認(rèn)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)為初始值，借助AVL Design Explorer優(yōu)化工具，采用遺傳算法,對(duì)模型涉及的13個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化前后的比較見圖3。

由圖3可知:化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化前，系統(tǒng)穩(wěn)定后出口的NOx濃度在0.370‰左右，而實(shí)測(cè)值在0.630‰左右，兩者相差較大，說(shuō)明默認(rèn)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)與實(shí)際所用催化劑的動(dòng)力學(xué)參數(shù)相差較大;而動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化后,催化劑出口的NOx濃度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近，穩(wěn)定后基本一致，說(shuō)明優(yōu)化后的催化劑活性更接近實(shí)際所用催化劑，該模型可用于催化劑尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化前后比較

4 SCR催化劑尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1催化劑體積和截面布置形式的確定

目前所用催化劑的長(zhǎng)度為0.7 m，體積為0.031 5 m3，截面布置形式為1×2。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的催化劑設(shè)計(jì)過(guò)程，估算出此處所用柴油機(jī)的SCR催化劑的體積為0.029～0.116 m3。首先選取孔密度為30×30，截面布置形式為1×2的催化劑，通過(guò)改變其長(zhǎng)度，分析適合該柴油機(jī)的最佳催化劑體積，具體參數(shù)設(shè)置見表4。

由圖4可知，當(dāng)催化劑長(zhǎng)度從0.6 m增加到2.4 m時(shí)，脫硝率從66%上升到90.2%。這是由于催化劑長(zhǎng)度增加后，體積增大，空速減小，柴油機(jī)排出的氣體與催化劑有更長(zhǎng)的接觸時(shí)間，排氣中更多的NOx與NH3發(fā)生了催化還原反應(yīng)。

此外，從圖4中還可看出,催化劑壓降基本上隨長(zhǎng)度呈線性增加，當(dāng)長(zhǎng)度從0.6 m增加到2.4 m時(shí)，催化劑壓降從336 Pa升高到1 566 Pa。這是由于所研究的催化劑橫截面積不變，長(zhǎng)度增加后柴油機(jī)排出的氣體在催化劑孔道中流動(dòng)的時(shí)間增長(zhǎng)，沿程損失增大。仿真結(jié)果顯示，催化劑每增長(zhǎng)1 m，壓降約升高683 Pa，這與已知數(shù)據(jù)(催化劑每增長(zhǎng)1 m，壓降約升高600 Pa)基本一致，說(shuō)明仿真結(jié)果較準(zhǔn)確。

圖4 催化劑脫硝率和壓降隨長(zhǎng)度的變化

催化劑氨逃逸率、空速隨體積的變化見圖5。當(dāng)催化劑長(zhǎng)度從0.6 m增加到2.4 m時(shí)，氨逃逸率由0.400‰逐漸降低到0.083‰。這是由于隨著催化劑體積增大，空速減小，NH3在催化劑中的停留時(shí)間延長(zhǎng)，更多的NH3參與了催化劑反應(yīng)，而噴入的NH3的總量不變。

圖5 催化劑氨逃逸率、空速與長(zhǎng)度的關(guān)系

由以上分析可知，催化劑模塊組合為1×2，孔密度為30×30，長(zhǎng)度在0.6～2.4 m變化時(shí)，催化劑長(zhǎng)度>1.2 m后，脫硝率能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，但催化劑壓降和氨逃逸率都較大。因此,選擇滿足脫硝率設(shè)計(jì)指標(biāo)且考慮一定余量的催化劑長(zhǎng)度(1.6 m)，對(duì)應(yīng)的催化劑體積為0.072 m3。為減小壓降和方便布置，考慮將催化劑模塊組合變?yōu)?×2，這時(shí)催化劑長(zhǎng)度為0.8 m，孔密度和壁厚不變，仿真結(jié)果見圖6。由圖6可知，當(dāng)催化劑體積固定為0.072 m3，截面布置由1×2改為2×2后，系統(tǒng)脫硝率和氨逃逸率基本不變，而壓降由1 043 Pa降到262 Pa，這是由于此時(shí)催化劑長(zhǎng)度縮短1/2，排氣阻力損失減小。

綜上分析，柴油機(jī)SCR催化劑的體積設(shè)計(jì)為0.072 m3，截面催化劑單元布置形式為2×2。

4.2催化劑孔密度的確定

除了催化劑體積和截面布置形式以外，孔密度也是影響催化劑性能的重要因素，直接關(guān)系到比表面積和孔隙率，進(jìn)而影響脫硝率和壓降。船用SCR催化劑的孔密度一般不超過(guò)40×40，這里選取5種不同孔密度的催化劑進(jìn)行研究，相關(guān)參數(shù)見表5，壁厚選取推薦范圍內(nèi)的較大值。

圖6 不同催化劑截面形式系統(tǒng)性能比較

表5 不同孔密度的催化劑參數(shù)

圖7顯示了催化劑脫硝率、壓降和氨逃逸率隨孔密度的變化情況,從中可看出催化劑脫硝率隨孔密度的增大逐漸升高，這是由于孔密度增大后，催化劑比表面積升高近1倍(從453 m2/m3升高到847 m2/m3)，有更多的NH3吸附在催化劑表面發(fā)生吸附和解吸附反應(yīng)。在孔密度從20×20增大到40×40的過(guò)程中，氨逃逸率從0.264‰降到0.092‰，這與脫硝率逐漸升高是一致的。

圖7 催化劑脫硝率、壓降與孔密度的關(guān)系

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)孔密度在20×20到40×40內(nèi)變化時(shí)，脫硝率和壓降能滿足設(shè)計(jì)要求，而氨逃逸率一直遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值0.010‰。造成這種現(xiàn)象的原因可能是所用催化劑的活性較低，噴入排氣管的NH3無(wú)法全部反應(yīng)。為驗(yàn)證這種猜想，選用孔密度為25×25和30×30的催化劑，分析當(dāng)氨氮摩爾比在0.8～1.0變化時(shí)催化劑的性能變化情況。

圖8顯示了孔密度為25×25的催化劑的性能隨氨氮摩爾比的變化情況。在氨氮摩爾比從0.8升高到1.0的過(guò)程中，脫硝率保持在80%左右，催化劑壓降維持在175 Pa左右，兩者變化不大，而氨逃逸率從0.025 8‰升高到0.185‰，這反映出氨氮摩爾比>0.8部分的NH3幾乎沒有參與反應(yīng)，而是直接從催化劑逃出，因此造成了氨逃逸率連續(xù)升高。孔密度為30×30的催化劑的性能隨氨氮摩爾比的變化趨勢(shì)(見圖9)與孔密度為25×25的基本一致。

圖8 催化劑性能與氨氮摩爾比的關(guān)系(孔密度為25×25)

圖9 催化劑性能與氨氮摩爾比的關(guān)系(孔密度為30×30)

對(duì)比2種不同孔密度催化劑的性能變化情況可知，孔密度為30×30時(shí)的脫硝率和壓降略高，而氨逃逸率較低。因此，選擇孔密度為30×30的催化劑，氨氮摩爾設(shè)置為0.85，此時(shí)脫硝率、壓降和氨逃逸率分別為80.1%,262 Pa和0.019‰。

4.3催化劑布置層數(shù)的確定

上述催化劑參數(shù)的優(yōu)化選擇都是在催化劑單層布置的情況下進(jìn)行的，考慮到提高催化劑的橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和方便吹灰，催化劑一般會(huì)根據(jù)長(zhǎng)度合理地設(shè)置所需的層數(shù)，上述確定的催化劑長(zhǎng)度為0.8 m，下面將其設(shè)置為2層，每層長(zhǎng)度0.4 m。催化劑單層和雙層布置時(shí)的性能對(duì)比見圖10。由圖10可知，與單層布置相比，雙層布置下的脫硝率和系統(tǒng)壓降變化較小，分別在81%和237 Pa左右，而氨逃逸率從0.018 2‰減小到0.007 5‰。因此,柴油機(jī)SCR催化劑設(shè)計(jì)為雙層布置。

圖10 催化劑單層與雙層布置時(shí)的性能對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

利用AVL BOOST軟件進(jìn)行了目標(biāo)柴油機(jī)SCR催化劑尺寸的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了催化劑的體積、截面布置形式、孔密度和布置層數(shù)對(duì)催化劑性能的影響。結(jié)果表明:通過(guò)合理設(shè)計(jì)催化劑的尺寸,能滿足船舶柴油機(jī)SCR技術(shù)指標(biāo)要求，該優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程可為今后船用SCR催化劑設(shè)計(jì)提供一定的參考和指導(dǎo)。

[1] HANSHEINRICH M P, FRANK B.船舶工程技術(shù)手冊(cè)[M].陳剛,宋新新,譯.上海:上海交通大學(xué)出版社,2009：814.

[2] 李斌. 現(xiàn)代船舶動(dòng)力裝置的節(jié)能與排放控制技術(shù)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2013:25.

[3] 冷先銀,隆武強(qiáng). 船用柴油機(jī)NOx排放的機(jī)外凈化技術(shù)[J]. 柴油機(jī), 2009,31(3):19-23.

[4] JOHANN C．Wurzenberger,Multi-Scale SCR Modeling，l D Kinetic Analysis and 3D System Simulation[D]. Berkeley: University of Califorma, Berkely, 2005.

[5] IMO. Tier III Solutions For Wartsil? 2-Stroke Engines-Selective Catalytic Reduction[R].2011.

[6] MAJEWSKI W A．Selective Catalytic Reduction[J]．Diesel Catalysts，2003(46):4-8.

[7] PONTIKAKIS G N, TONSTANTAS G S, STAMATELOS A M. Three-Way Catalytic Converter Modeling as a Modern Engineering Design Tool[J]. Journals of Engineering for Gas Turbine and Power,2004(10):906-923.

[8] SANG M L, SUNG S K, SUNG C H. Systematic Mechanism Study of the High Temperature SCR of NOxby NH3over a W/TiO2Catalyst[J]. Chemical Engineering Science, 2012,79(10): 177-185.

[9] 汪立志.柴油機(jī)Urea-SCR系統(tǒng)控制模型的設(shè)計(jì)與仿真研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué), 2011.

[10] 徐月明.船用柴油機(jī)SCR催化劑選型及性能評(píng)價(jià)研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué), 2012.

OptimizingStructureDesignofMarineSCRCatalystThroughAVLBOOST

LIXin1，SONGXin’gang2,GAOZipeng3，WUGuitao3，SUNYi1
(1. Guangzhou Branch, China Classification Society, Guangzhou 510235, China; 2. Maritime College, Shandong Jiaotong University, Weihai 264200, China; 3. Marine Engineering College， Dalian Maritime University， Dalian 116026, China)

The model for Selective Catalytic Reduction(SCR) catalyst in 6105AZLD diesel engine made by Weifang Huadong Diesel Engine Co.Ltd is established based on relative experimental data by using AVL BOOST. The parameters related to the chemical kinetics are optimized and the effects of volume, section type, cell density and layer number on catalyst performance are analyzed. The determined optimal catalyst dimensions are 0.072 m3in volume, 2×2 in section layout, 30×30 in cell density and layer number is 2 with each layer 0.4 m in height. The NOxconversion, pressure drop and ammonia slip with the optimized catalyst structure are respectively 82%, 237 Pa and 0.007 5‰.

ship engineering; SCR; catalyst; NOxconversion; ammonia slip； optimization

2015-05-07

李 鑫(1988—)，男，山西太原人，碩士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代輪機(jī)管理。E-mail：taldarren007@163.com

吳桂濤(1968—)，男，江蘇泰州人，教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代輪機(jī)管理。E-mail：wgt1129@163.com

1000-4653(2015)03-0018-05

TQ426；TK421+.5

A