吳 恒, 程曉章, 韋 偉

(1.合肥工業(yè)大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽艾可藍節(jié)能環(huán)保科技有限公司,安徽 池州 247100)

0 引 言

本文基于國六柴油機的復合后處理系統(tǒng),通過數(shù)值仿真的方式研究了國六SCR載體溫度、不同氨氮比及不同NO2的質(zhì)量分數(shù)占比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響,為國六SCR催化器設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 系統(tǒng)介紹

SCR系統(tǒng)主要部件有SCR催化箱、電控單元、尿素罐、計量泵總成、尿素噴嘴及溫度傳感器、NOx傳感器、相關(guān)線束及管路,其基本原理如圖1所示,圖1顯示將一定量質(zhì)量分數(shù)為32.5%尿素水溶液噴射到排氣管中,尿素水溶液在高溫下分解為氨氣和二氧化碳,氨氣在催化劑的作用下,與NOx發(fā)生還原反應(yīng),將NOx還原成氮氣和水,從而降低柴油機的NOx排放。

圖1 SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 SCR催化器計算流體力學建模

2.1 幾何建模

SCR催化器載體采用方形孔道蜂窩狀結(jié)構(gòu),若模擬整個載體內(nèi)的化學反應(yīng)過程,則其計算量過大。考慮到催化器內(nèi)每個孔道的結(jié)構(gòu)相同,內(nèi)部流場分布和化學反應(yīng)等相似,可以通過建立單孔道上的數(shù)學模型來模擬整個催化器的工作過程[5],假設(shè)尿素能夠完全霧化與尾氣進行充分混合。通過對單孔道的數(shù)學建模及催化器表面化學反應(yīng)建模能夠找到影響SCR轉(zhuǎn)化效率的主要因素，具體模型如圖2所示。

圖2 SCR催化器單孔幾何模型

2.2 數(shù)學模型

單孔道內(nèi)氣相動量守恒方程可以表示為:

(1)

其中，ρg為氣相密度;ug為氣體運動黏度;α為孔道寬度;K為范寧摩擦系數(shù)。

氣相能量守恒方程可以表示為:

(2)

其中,ρg為氣體密度;ug為氣體運動黏度;wj,g為氣相中組分j的質(zhì)量分數(shù);hj為組分j的焓值;λg為氣相的導熱系數(shù);Tg為氣相溫度；Ts為固相溫度;a為氣相與固相之間對流換熱系數(shù);ri為化學反應(yīng)i的摩爾反應(yīng)速率;ΔHi為化學反應(yīng)i產(chǎn)生的焓值。

超外差式接收機[8]采用外差原理,可以采用一級或多級混頻結(jié)構(gòu)。輸入的射頻信號與本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號進行混頻處理,由于超外差式接收機采用固定中頻結(jié)構(gòu),使得本振信號頻率與射頻信號頻率差值始終保持不變?；祛l器屬于非線性器件,其工作時將產(chǎn)生一定的差頻頻率,當差頻頻率落入固定中頻頻率范圍內(nèi)時,差頻信號頻譜將會疊加在有用信號頻譜上,此時,將該差頻信號稱為鏡像干擾信號[9]。由于鏡像干擾信號會對有用信號造成干擾[10],因而需要對其進行抑制,在混頻器前加一級鏡像濾波器進行濾波可以有效地抑制鏡像干擾。

單孔道內(nèi)氣相組分平衡方程表示為:

(3)

其中,MGj為氣相j的摩爾質(zhì)量;vi,j為組分j在化學反應(yīng)i中的化學計量系數(shù);ug為氣相在軸向方向上的速度。

氣相連續(xù)性方程可以表示為:

(4)

其中,ρg為氣相密度;t為時間;vg為通道內(nèi)氣體速度;x為軸向空間坐標。

2.3 催化器表面化學反應(yīng)建模

在催化器載體內(nèi),尿素噴射計量閥噴射尿素熱解成NH3與尾氣中的NOx反應(yīng),生成無害氣體。其反應(yīng)機理主要為:

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(5)

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

(6)

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

(7)

4NH3+3O2→2N2+6H2O

(8)

在上述反應(yīng)式中,(5)式～(7)式表示NH3選擇性地還原NOx的SCR反應(yīng),被稱為主反應(yīng)。由于其在發(fā)動機尾氣中NO 占總氮氧化物的90%左右,因此(5)式又被稱為標準反應(yīng)[6];而(6)式是選擇性地還原反應(yīng)中反應(yīng)速率最快的,因此被稱為快反應(yīng);(7)式的反應(yīng)速率最慢,因此被稱為慢反應(yīng);(8)式是可能在催化器載體內(nèi)發(fā)生的副反應(yīng)[7]。在SCR催化器中普遍接受的動力學流體流動計算方式為Eley-Rideal[8],化學反應(yīng)的反應(yīng)速率方程也主要采用Eley-Rideal[9]。

3 試驗驗證

為了驗證數(shù)學模型的準確性,需要進行對比試驗。模型參數(shù)的設(shè)定采用臺架試驗測量數(shù)據(jù)作為計算的初始和邊界條件。試驗安排在一臺排量為1.968 L的四缸增壓中冷,功率為80 kW和標定轉(zhuǎn)速3 200 r/min的電控高壓共軌缸內(nèi)直噴柴油機上進行。排氣后處理系統(tǒng)形式為DOC+DPF+SCR+ASC，后處理結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所列。表1中，DOC為氧化催化器；DPF為顆粒物捕集器；ASC為氨逃逸催化器。試驗采用AVL SCHNEIDER電力測功機,AVL642燃燒分析儀,AVL 7351CST質(zhì)量流量計,AVL燃油溫控系統(tǒng)753CH以及若干傳感器。

表1 后處理主要技術(shù)參數(shù)

試驗中過量噴射尿素,以氨泄漏0.01‰時的測量值來計算轉(zhuǎn)化效率,并且每個工況點控制空速在50 000 h-1左右,按照不同溫度梯度進行試驗得到數(shù)據(jù)。計算過程采用臺架試驗的測量數(shù)據(jù)作為計算的初始和邊界件。排氣溫度上升的過程中,排氣中NOx的體積分數(shù)變化的試驗和計算結(jié)果對比如圖3所示,計算模型仿真得到的排氣中NOx體積分數(shù)變化趨勢與試驗結(jié)果基本一致。由此表明,建立的計算模型較為準確。

圖3 試驗和計算數(shù)據(jù)結(jié)果對比

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 溫度對NOx的轉(zhuǎn)化效率影響

空速在50 000 h-1時NOx轉(zhuǎn)化效率隨溫度的變化如圖4所示。從圖4可以看出，低于180 ℃時,NOx轉(zhuǎn)化效率較低。這主要是由于溫度較低時尿素水溶液霧化質(zhì)量差，不能較充分與NOx反應(yīng)以及在低溫情況下SCR催化劑活性非常低。隨著溫度的升高,轉(zhuǎn)化效率也隨著升高,在180～500 ℃轉(zhuǎn)化效率達到95%以上,在最佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)SCR中的反應(yīng)以快反應(yīng)為主導[10]。而當溫度高于500 ℃后,SCR的轉(zhuǎn)化效率會降低,主要是由于發(fā)生了NH3的氧化反應(yīng),即NH3與氧氣進行反應(yīng)生成了氮氣和水,另一方面發(fā)生了NH3與NO2之間的慢反應(yīng)。

圖4 溫度對NOx的轉(zhuǎn)化效率影響

4.2 NO2與NO質(zhì)量比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

在柴油機尾氣排放的NOx中,NO的質(zhì)量分數(shù)占比較大,90%左右。由于快速SCR的反應(yīng)速率比標準SCR的反應(yīng)速率快得多[11],因此適當提高發(fā)動機尾氣中NO2的質(zhì)量分數(shù)可提高SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率。保持空速在50 000 h-1時NO2與NO質(zhì)量比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響如圖5所示。

圖5 NO2與NO質(zhì)量比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

隨著NO2質(zhì)量分數(shù)的增加,NOx轉(zhuǎn)化效率有所提高。當NO2質(zhì)量分數(shù)占比為35%時,NOx轉(zhuǎn)化效率比NO2質(zhì)量分數(shù)占比為0%時有所增加,這主要是由于排氣中NO2與NO質(zhì)量比能夠很好地滿足了SCR催化轉(zhuǎn)化的要求。然而當NO2質(zhì)量分數(shù)占比65%時,NOx轉(zhuǎn)化效率要比NO2質(zhì)量分數(shù)占比35%時有所降低。這是由于NO2質(zhì)量分數(shù)超過NO時,NOx轉(zhuǎn)化效率受到很大影響,在這種情況下NO2與NH3發(fā)生慢SCR反應(yīng),速度比較慢,此時NOx轉(zhuǎn)化效率將不受NO2影響。

4.3 氨氮比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

氨氮比即NH3的量與NOx的量之間的比例,氨氮化對于消除尾氣中NOx的影響非常大,如果噴射NH3的量較少,那么難以消除汽車尾氣中的NOx,但是若噴射的NH3量過多,則很容易會造成氨泄漏。因此必須找到一個合適的窗口達到尾氣NOx消除的目的,而又不造成空氣污染?？账贋?0 000 h-1時不同氨氮比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響如圖6所示。

圖6 氨氮比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

從圖6可以看出,總體趨勢為隨著氨氮比的提高,NOx轉(zhuǎn)化效率也提高。在低溫條件下,NOx轉(zhuǎn)化率隨著氨氮比的增加趨于定值,而且NOx轉(zhuǎn)化效率偏低[12]。當溫度為300、450 ℃時,氨氮比為1.0時NOx轉(zhuǎn)化效率達到最大值,其轉(zhuǎn)化效率達到95%以上。當溫度為520 ℃、氨氮比為1.0時NOx轉(zhuǎn)化效率要低于300 ℃和450 ℃時,隨著氨氮比繼續(xù)增加,轉(zhuǎn)化效率緩慢上升,當轉(zhuǎn)化效率到達80%時不會隨著氨氮比的增加而增加,而是趨向一個定值。

5 結(jié) 論

(1) 溫度較低時NOx轉(zhuǎn)化效率較低，隨著溫度升高NOx轉(zhuǎn)化效率也隨之升高，到達180 ℃時NOx轉(zhuǎn)化效率能夠達到95%以上，溫度超過500 ℃時NOx轉(zhuǎn)化效率會有所降低。

(2) 適當增加排氣中NO2的質(zhì)量分數(shù)可以提高NOx轉(zhuǎn)化效率,但是NO2與NO的質(zhì)量比需控制在50%以內(nèi)。

(3) 在最佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)隨著氨氮比的提高,NOx轉(zhuǎn)化效率也提高,當氨氮比為1時NOx轉(zhuǎn)化效率達到最大值。溫度過高或過低,NOx轉(zhuǎn)化率隨著氨氮比的增加趨于定值，且NOx轉(zhuǎn)化效率偏低。