(杭州銀輪科技有限公司，杭州 310013)

集成噴嘴式SCR性能對(duì)比研究

鄭貴聰 陸國(guó)棟 張 婷 沈彩琴 許智強(qiáng)

(杭州銀輪科技有限公司，杭州 310013)

介紹應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)集成噴嘴式選擇性催化還原(SCR)技術(shù)和非集成噴嘴式SCR進(jìn)行流場(chǎng)分析，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行2種SCR方案轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)、壓力損失試驗(yàn)、排放循環(huán)試驗(yàn)和氨泄漏試驗(yàn)。分析與試驗(yàn)結(jié)果表明，非集成噴嘴式SCR的速度均勻性為0.965，壓力損失為 9.75kPa，均好于集成噴嘴式SCR均勻性0.940和壓力損失11.02kPa；兩者溫度場(chǎng)分析結(jié)果一致和轉(zhuǎn)化效率相當(dāng)，瞬態(tài)排放循環(huán)ETC結(jié)果都能滿(mǎn)足國(guó)家要求；但瞬態(tài)排放循環(huán)過(guò)程中集成噴嘴式SCR的氨泄漏峰值為28.1×10-6，平均值為5.7×10-6，明顯好于非集成噴嘴式SCR的氨泄漏峰值120×10-6，平均值25.7×10-6。

流場(chǎng)分析 氨泄漏 轉(zhuǎn)化效率 壓力損失

近年來(lái),環(huán)境保護(hù)受到國(guó)家和各企業(yè)的高度重視，國(guó)家排放法規(guī)也不斷升級(jí)，對(duì)車(chē)用柴油機(jī)排放物的檢測(cè)也越來(lái)越規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)。選擇性催化還原(SCR)技術(shù)是降低柴油機(jī)尾氣氮氧化物(NOx)排放的有效措施，因此SCR技術(shù)是主機(jī)廠(chǎng)排放升級(jí)首選的減排技術(shù)和研發(fā)方向[1-2]。但是從執(zhí)行國(guó)4排放標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)反饋看，把噴嘴安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管上，無(wú)論是安裝成本、安裝要求，以及后期維護(hù)都需要很大的服務(wù)成本，整車(chē)配套企業(yè)提出把噴嘴集成在催化轉(zhuǎn)化器上，降低對(duì)排氣管的安裝要求和維護(hù)成本。所謂集成噴嘴式SCR催化轉(zhuǎn)化器就是把噴嘴集成在SCR的筒體上，安裝后會(huì)使氨氣和尾氣的混合效果下降，會(huì)對(duì)整個(gè)SCR的轉(zhuǎn)化效率帶來(lái)很大的影響，且會(huì)帶來(lái)氨泄漏，造成二次污染[3]。所謂非集成噴嘴式SCR催化轉(zhuǎn)化器就是把噴嘴安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器出口的排氣管的直管上，噴嘴離SCR入口大約0.5～1.0m左右，故也稱(chēng)直管?chē)娮焓絊CR，由于噴嘴離SCR入口有一段距離，故氨氣與尾氣的混合時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，混合效果會(huì)更好，減少因?yàn)榛旌闲Ч缓脦?lái)的對(duì)SCR標(biāo)定的誤差。無(wú)論噴嘴是否集成，尿素結(jié)晶一直是SCR技術(shù)研究重點(diǎn)和難題[4]，而集成噴嘴式的SCR由于噴嘴安裝在SCR筒體上，長(zhǎng)度比較短，要從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化綜合考慮速度均勻度和壓力損失，增加混合效果。

本文介紹了1款集成噴嘴式的SCR催化器轉(zhuǎn)化器，優(yōu)化混合段結(jié)構(gòu)，通過(guò)CFD分析對(duì)比集成噴嘴式與非集成噴嘴式SCR轉(zhuǎn)化器流程均勻性和溫度場(chǎng)分布，同時(shí)也在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)2種SCR方案進(jìn)行轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)、壓力損失試驗(yàn)、氨泄漏試驗(yàn)和排放循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)比兩者性能結(jié)果。

1 FLUENT仿真分析

運(yùn)用FLUENT軟件分別對(duì)集成噴嘴式和非集成噴嘴式的SCR進(jìn)行建模仿真計(jì)算兩者的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，結(jié)果如表1所列。

表1 仿真結(jié)果對(duì)比

從表1可知，非集成噴嘴式SCR催化轉(zhuǎn)化器的速度均勻性要好于集成噴嘴式的SCR催化轉(zhuǎn)化器，但兩者模擬計(jì)算的均勻度都能滿(mǎn)足≥0.9；從壓降的角度考慮，噴嘴集成在轉(zhuǎn)化器上，需要增加氣液的混合效果，優(yōu)化的混合段結(jié)構(gòu)增加了壓阻，整個(gè)SCR催化器壓力損失增大，但也能滿(mǎn)足壓降≤15kPa的配套標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。

從圖1～4的2個(gè)方案的截面云圖來(lái)看，非集成噴嘴式SCR的流體運(yùn)動(dòng)速度整體要高于集成式的，截面的分布也比較均勻，速度均勻度與優(yōu)化的結(jié)構(gòu)相關(guān)，壓降和速度均勻度此消彼長(zhǎng)，需要綜合考慮進(jìn)行混合段結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和驗(yàn)證；兩者的溫度場(chǎng)分布相差不大，都是中心往外延伸均勻分布。

圖1 非集成噴嘴式SCR均勻度

圖2 集成噴嘴式SCR均勻度

圖3 非集成噴嘴式SCR溫度場(chǎng)分布

圖4 集成噴嘴式SCR溫度場(chǎng)分布

2 臺(tái)架試驗(yàn)裝置和設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為某國(guó)產(chǎn)6缸柴油機(jī)，并分別將2個(gè)SCR方案安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的尾管上進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格如表2所列。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)所采用的設(shè)備為全進(jìn)口的奧地利AVL測(cè)試設(shè)備，包括AVL排放測(cè)試設(shè)備i60/AMA4000、電力測(cè)功機(jī)、進(jìn)氣空調(diào)系統(tǒng)、AVL數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氨分析儀和溫度和壓力傳感器，具體的設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表3所列。試驗(yàn)完全按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)邊界條件的控制，試驗(yàn)過(guò)程保證設(shè)備的一致性和精度，2種方案的進(jìn)氣邊界盡可能控制一致[7]。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的主要設(shè)備及參數(shù)

3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和瞬態(tài)排放試驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)主要包括轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)和外特性各工況點(diǎn)SCR壓力損失試驗(yàn)。瞬態(tài)試驗(yàn)主要包括ETC排放循環(huán)試驗(yàn)。氨泄漏試驗(yàn)貫穿于所有的試驗(yàn)過(guò)程中。SCR轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定空速為(40000±300)h-1，不同溫度(200℃、225℃、250℃、275℃、300℃、350℃、400℃)和不同的氨氮比(0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2)下，測(cè)試催化器轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率和氨泄漏。

3.2 外特性壓力損失試驗(yàn)結(jié)果和分析

從圖5數(shù)據(jù)可知，集成噴嘴式SCR的外特性最大壓降為11.18kPa，而非集成噴嘴式SCR的最大壓降為9.68kPa，總體上集成在催化轉(zhuǎn)化器上噴嘴，為了增加混合效果，提高了整體SCR的壓力損失，同時(shí)壓力損失的試驗(yàn)結(jié)果與FLUENT模擬的結(jié)果保持一致，模型的建立和網(wǎng)格的劃分合理和準(zhǔn)確。

圖5 外特性壓力損失對(duì)比圖

3.3 轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)結(jié)果和分析

取氨氮比為1.2，不同溫度下的轉(zhuǎn)化效率和氨逃逸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6所示。集成噴嘴式SCR和非集成式SCR的轉(zhuǎn)化效率基本相當(dāng)，280～350℃之間的轉(zhuǎn)化效率基本達(dá)到了100%，但集成式的轉(zhuǎn)化器的氨逃逸明顯要小于非集成式的，穩(wěn)態(tài)氨逃逸小，這樣有利于避免尿素在排氣管結(jié)晶，降低排氣管結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 轉(zhuǎn)化效率和氨逃逸對(duì)比圖

圖7 275℃、1.2氨氮比下NOx和氨逃逸對(duì)比圖

圖8 200℃、1.2氨氮比下轉(zhuǎn)化效率和氨逃逸對(duì)比圖

為了分析各溫度下轉(zhuǎn)化效率和氨逃逸變化趨勢(shì)，選擇40000空速，溫度200℃和275℃，1.2氨氮比下，分析這兩個(gè)溫度下2種方案從不噴尿素到持續(xù)噴尿素過(guò)程N(yùn)Ox動(dòng)態(tài)變化、轉(zhuǎn)化效率動(dòng)態(tài)變化率以及氨逃逸動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)(圖7～圖8)。從2種方案的NOx變化量和氨逃逸動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)看，集成式SCR與非集成式的NOx減排量基本相當(dāng)，轉(zhuǎn)化效率的變化趨勢(shì)基本一致，但從氨逃逸的數(shù)據(jù)看，在相同的轉(zhuǎn)化效率下，200℃下的集成式SCR的氨逃逸的峰值為94×10-6，而非集成式SCR的氨逃逸高達(dá)140×10-6，明顯要高于集成式SCR的氨逃逸。

3.4 ETC排放循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果和分析

為了驗(yàn)證瞬態(tài)過(guò)程中2個(gè)方案的氨泄漏變化趨勢(shì)，進(jìn)行ETC排放循環(huán)，結(jié)果如表4所列，無(wú)論是集成式SCR還是非集成式SCR的ETC排放循環(huán)的NOx值都能滿(mǎn)足國(guó)5要求(NOx≤2g/(kW·h))[5]，且留有一定的裕度。但從氨逃逸數(shù)據(jù)看，非集成式SCR的氨逃逸的峰值高達(dá)120×10-6，平均值為25.7×10-6，不滿(mǎn)足法規(guī)要求氨泄漏≤25×10-6的要求。

表4 ETC排放循環(huán)結(jié)果

圖9顯示了ETC排放循環(huán)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)氨逃逸的變化趨勢(shì)，非集成式SCR在ETC循環(huán)過(guò)程中的500s左右和1400s左右出現(xiàn)峰值分別為45×10-6和120×10-6。而集成式SCR在ETC循環(huán)過(guò)程中的500s左右和1000s左右出現(xiàn)了峰值分別為9×10-6和28×10-6，集成噴嘴式SCR的氨泄漏要好于非集成式的，氨泄漏過(guò)大會(huì)造成二次污染，且增加了SCR結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。目前，很多主機(jī)廠(chǎng)為了降低成本而取消了氨氧化轉(zhuǎn)化器(Amox)，故氨逃逸要依靠SCR本身的反應(yīng)特性來(lái)壓抑，這樣對(duì)載體、涂層和封裝的混合效果的要求更加嚴(yán)苛。

圖9 ETC排放循環(huán)氨逃逸對(duì)比圖

圖10數(shù)據(jù)對(duì)比了2個(gè)方案的ETC循環(huán)過(guò)程中催化轉(zhuǎn)化器平均溫度的動(dòng)態(tài)變化情況，2個(gè)方案的溫度變化趨勢(shì)基本保持一致。

圖10 ETC排放平均溫度對(duì)比圖

4 結(jié)論

綜合仿真計(jì)算分析和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，雖然集成噴嘴式SCR催化轉(zhuǎn)化器增加了壓力損失，但在轉(zhuǎn)化效率相同的情況下，氨逃逸明顯小于非集成噴嘴式SCR。集成噴嘴不僅使配套和維護(hù)方便，降低對(duì)排氣管的安裝要求，而且從氨逃逸的角度降低了尿素結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。

在穩(wěn)態(tài)工況下，集成噴嘴式SCR的壓力損失為11.18kPa，高于非集成噴嘴式SCR的壓力損失。在空速40000h-1，氨氮比1.2狀態(tài)下，各個(gè)溫度兩方案的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化效率基本一致，但集成噴嘴式SCR的氨逃逸明顯低于非集成噴嘴式SCR。

2種方案ETC循環(huán)的NOx排放值滿(mǎn)足國(guó)家法規(guī)要求，非集成噴嘴式SCR在排放循環(huán)過(guò)程氨逃逸出現(xiàn)2次峰值，高達(dá)120×10-6，平均值為25.7×10-6，不滿(mǎn)足國(guó)家法規(guī)要求，而集成噴嘴式SCR平均氨泄漏為5.7×10-6滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。后續(xù)需要進(jìn)行2種方案的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架結(jié)晶試驗(yàn)和整車(chē)耐久結(jié)晶試驗(yàn)，定量對(duì)比分析2種方案的防結(jié)晶能力和風(fēng)險(xiǎn)。

[1] Chen L, et al. Simulation modeling and experiment to reduction of NOxemission by using SCR control System[C]. ICE 2011，4.

[2] 徐陽(yáng).面向歐三以上法規(guī)的柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)方案[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)： 信息與管理工程版，2006,28: 34-37.

[3] 陳鎮(zhèn)，陸國(guó)棟，趙彥光，等.集成式SCR催化轉(zhuǎn)化消聲器性能研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011，4.

[4] 溫苗苗.尿素選擇性催化還原系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化[D].武漢： 武漢理工大學(xué)，2009.

[5] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局、國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB17691—2005車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法[S]．北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[6] Helden V R, Verbeek R, Willems F, et al. Optimization of urea SCR de NOxsystem for HD diesel engines[C].SAE Paper 2004-01-0154.

[7] 陳凌珊，孫晨，騰華，等.柴油機(jī)SCR系統(tǒng)NOx催化還原反應(yīng)的模擬研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2012,41: 52-54.