李旭南

(廣西玉柴動(dòng)力股份有限公司，廣西 玉林 537000)

?

影響柴油機(jī)Urea-SCR催化器轉(zhuǎn)化效率的因素分析

李旭南

(廣西玉柴動(dòng)力股份有限公司，廣西 玉林 537000)

為了能夠更好地分析影響SCR催化器氮氧化物轉(zhuǎn)化效率的根本因素，筆者充分運(yùn)用數(shù)值仿真與試驗(yàn)方法，對(duì)SCR催化器載體表面的催化還原反應(yīng)進(jìn)行分析與探討，以期獲得更多的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)信息，從而在設(shè)計(jì)與優(yōu)化SCR催化器上提供有益的參考建議。

柴油機(jī)Urea-SCR系統(tǒng)；SCR催化器；轉(zhuǎn)化效率；因素分析

因?yàn)椴裼蜋C(jī)工況復(fù)雜多變且在排氣溫度、尾氣流量、污染物濃度等方面具有較大的波動(dòng)性，因此，進(jìn)一步做好車(chē)載SCR技術(shù)，確保SCR催化劑轉(zhuǎn)化效率的穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 柴油機(jī)Urea-SCR系統(tǒng)

圖1為某型號(hào)柴油機(jī)Urea-SCR后處理系統(tǒng)示意圖，通過(guò)該結(jié)構(gòu)示意圖可以清楚看到，空壓機(jī)和空氣罐能夠?yàn)閴嚎s空氣計(jì)量泵提供足夠的空氣，計(jì)量泵則發(fā)揮著對(duì)尿素溶液進(jìn)行運(yùn)送、控制噴射量的重要作用。在作業(yè)過(guò)程中，其基本流程為:電控單元在計(jì)量泵的控制下，將尿素從尿素泵中抽出，經(jīng)加壓、過(guò)濾、噴射等環(huán)節(jié)的處理，與壓縮后的空氣進(jìn)行混合，后通過(guò)噴嘴直接噴入到排氣管內(nèi)。可將熱電偶傳感器分別布置在SCR催化的上游與下游位置，以此實(shí)施檢測(cè)SCR催化器的溫度，測(cè)量其是否得以發(fā)生反應(yīng)。將Adblue傳感器安裝在尿素罐之上則是為了對(duì)尿素中的溫度、質(zhì)量、液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將NOX、NH3傳感器加裝在SCR控制系統(tǒng)的前后端以此檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在排放過(guò)程中NOX、NH3的濃度。

1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.尿素罐 3.尿素液位傳感器 4.壓縮空氣 5.空氣泵 6.計(jì)量泵 7.噴射控制單元 8.儀表盤(pán) 9.NH3傳感器 10、15.NOx傳感器 11、16.溫度傳感器 12.SCR催化器 13.混合器 14.噴嘴圖1 Urea-SCR后處理系統(tǒng)示意圖Fig.1 Urea-SCR post-process system

2 SCR催化器CFD建模

眾所周知，現(xiàn)如今SCR催化器的載體結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)出方形孔道蜂窩狀，普通的SCR催化器所擁有的孔數(shù)大概在4 500～5 000。所以，如若模擬整個(gè)SCR催化器載體之內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，實(shí)際的計(jì)算量過(guò)于巨大。因此，筆者簡(jiǎn)化了計(jì)算所需模型，選擇了SCR催化器載中單獨(dú)一個(gè)孔作為建?；鶞?zhǔn)，并且假設(shè)尾氣在進(jìn)入催化載體前期，就已經(jīng)順利完成了霧化過(guò)程，進(jìn)行了均勻混合。

在CFD建模過(guò)程中，首先應(yīng)該考慮的重要因素就是所造成的壓力損失。催化器內(nèi)所發(fā)生的催化還原反應(yīng)以及發(fā)生催化還原反應(yīng)過(guò)程中各個(gè)物質(zhì)能量之間的轉(zhuǎn)換，其基本參數(shù)如下:進(jìn)氣流量0.24 kg/s，在不考慮回流的前提下出口邊界就是壓力出口；進(jìn)口氣體組分別為:NOX=1 000*10-6，O2=10%，H2O=2%，CO2=8%，CO=5*10-6，N2為平衡氣體；時(shí)間屬性為穩(wěn)態(tài)；化學(xué)反應(yīng)模型主要層流有限速率模型。

3 模擬與試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

為了能夠?qū)１旧淼恼_性進(jìn)一步實(shí)施驗(yàn)證，從而制定出最為科學(xué)、合理的建模參數(shù)，筆者實(shí)施了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，表1為某試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在空速40 000 h-1時(shí)試驗(yàn)工況所得的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 試驗(yàn)工況

3.1 基于溫度對(duì)SCR催化器轉(zhuǎn)化效率所造成的影響

在對(duì)比表1中6種工況下所得的試驗(yàn)結(jié)果后，得出了催化器NOX的轉(zhuǎn)換效率，如圖2所示。通過(guò)對(duì)圖2的分析可以得知，通過(guò)模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算所得出的數(shù)值基本上一致，因此，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理被證明是正確的。所以，模型中的反應(yīng)常數(shù)可以作為本次研究的基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)SCR催化器實(shí)施進(jìn)一步的研究與分析。因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)尾氣之中總氮氧化物含量90%都是NO，所以，在分析NOX轉(zhuǎn)換效率時(shí)可以根據(jù)NO的濃度變換實(shí)行進(jìn)一步的剖析，圖3為NO濃度對(duì)比圖。由圖3可知，隨著溫度的不斷變化，NOX的轉(zhuǎn)換效率也相應(yīng)發(fā)生著變化，即:溫度高，催化劑的活性也就越高，轉(zhuǎn)換的效率也就越高，反之亦然。同時(shí)，由圖3還可得知，當(dāng)溫度升高至350℃時(shí)，SCR的轉(zhuǎn)化效率也隨之達(dá)到了巔峰狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)化效率達(dá)到80%時(shí)所需要的時(shí)間僅為0.04 S。

圖2 空速40000h-1時(shí)的試驗(yàn)、模擬結(jié)果比較Fig.2 The test, simulation results comparison when airspeed at 40 000 h-1

圖3 NO濃度分布對(duì)比Fig.3 Comparison of NO concentration distribution

3.2 基于空速對(duì)SCR催化器轉(zhuǎn)化效率所造成的影響

在對(duì)SCR催化器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要重點(diǎn)考量空速問(wèn)題，這是因?yàn)槠洳粌H是設(shè)計(jì)催化器過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，其同時(shí)也是催化器性能評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。尤其是通過(guò)建模計(jì)算可以得知，當(dāng)柴油機(jī)的排氣溫度高于350℃時(shí)，轉(zhuǎn)換效率受到空速的影響較小，但當(dāng)柴油機(jī)的實(shí)際排氣溫度低于350℃時(shí)，那么空速則會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生十分巨大的影響。因此，為了有效提高轉(zhuǎn)化效率，在低溫作業(yè)條件下必須進(jìn)一步增大催化器體積，從而減少NOX的排放量。

3.3 基于NO2對(duì)NOX的轉(zhuǎn)化效率所造成的影響

正是因?yàn)榭偟趸锖?0%都是NO，所以，將尾氣中的NO2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行加大則已經(jīng)成為進(jìn)一步提高低溫特性的重要方法。結(jié)合上一節(jié)中的建模模型則可以計(jì)算出當(dāng)溫度為250℃時(shí)，NO2/NOX的體積比，從0%～100%時(shí)NOX的轉(zhuǎn)化效率如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)NO2/NOX的體積比是1時(shí)，SCR催化劑的低溫性能將被大大提高。

圖4 空速40 000 h-1時(shí)NOX轉(zhuǎn)化效率隨NO2比例變化Fig.4 NOX conversion efficiency changes with the NO2 ratio when airspeed at 40 000 h-1

4 結(jié)語(yǔ)

SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率會(huì)受到溫度的巨大影響，其中350℃是SCR催化器的最佳反應(yīng)溫度。在低溫時(shí)，空速會(huì)對(duì)SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生影響，此時(shí)則應(yīng)該進(jìn)一步增大催化器體積，從而有效降低低溫時(shí)對(duì)SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率所帶來(lái)的影響。不斷加大NO2濃度雖然會(huì)將SCR催化器的轉(zhuǎn)換效率有所提高，但為了獲得最大效果，還必須要將NO2/NOX的體積比控制在50%以內(nèi)。

[1] 辛喆，張寅，王順喜，等.柴油機(jī)Urea-SCR催化器轉(zhuǎn)化效率影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(09):30-34.

[2] 焦運(yùn)景，紀(jì)曉靜，紀(jì)麗偉.柴油機(jī)Urea-SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率影響因素研究[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2015，(02):16-19.

Analysis of factors affecting the conversion efficiency of diesel engine Urea-SCR catalyst

LI Xu-nan

(Guangxi Yuchai Power Co., Ltd., Yulin 537000, China)

In order to better analyze the fundamental factors influencing the nitrogen oxide conversion efficiency of SCR catalyst, the author fully uses the numerical simulation and test method to analyze and discuss the catalytic reduction of SCR catalyst carrier surface in order to obtain more internal chemical reaction information, so as to provide useful reference recommendations to the design and optimization of SCR catalyst.

Diesel engine Urea-SCR system; SCR catalyst; Conversion efficiency; Factor analysis

2017-02-21

李旭南(1984-)，男，本科，助理工程師。

TK421

A

1674-8646(2017)10-0092-02