王國(guó)賢,吳紅靜, ,吳華偉,趙 千,楊小兵

(1. 武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063;2. 湖北文理學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院,湖北 襄陽(yáng)441053;3. 東風(fēng)佛吉亞(襄陽(yáng))排氣系統(tǒng)有限公司,湖北 襄陽(yáng) 441000)

0 引 言

選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)是減少柴油機(jī)尾氣中NOx排放的關(guān)鍵技術(shù)[1]。其機(jī)理是在催化劑作用下,通過向排氣管內(nèi)噴入32.5%的尿素水溶液,使之與尾氣相混合,經(jīng)過蒸發(fā)、熱解及水解后產(chǎn)生還原劑NH3,NH3在催化劑的作用下,最終有選擇性地與尾氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生,N2和H2O[2-4]。

為促進(jìn)尿素水溶液與汽車尾氣高效混合,提高氨氣分布均勻性,通常需要在SCR系統(tǒng)中加入混合器。一直以來,加入混合器使排放物得到控制的方法受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,主要是集中在對(duì)氨氣分布均勻性和壓力損失等方面的研究。陳貴升等[5]研究了不同葉片形狀的混合器及整流器結(jié)構(gòu)對(duì)SCR系統(tǒng)內(nèi)氨氣分布及NOx轉(zhuǎn)化效率的影響;ZHANG Xiaogang等[6]研究了不同的葉片形狀和葉片數(shù)量對(duì)壓力損失和氨氣分布均勻性的影響;劉軍等[7]研究了一種由半球形和百葉窗組合而成的混合器結(jié)構(gòu)對(duì)尿素蒸發(fā)性能和氨氣分布均勻性的影響;王謙等[8]對(duì)葉片式和擋板式兩種混合器進(jìn)行了分析,結(jié)果表明葉片式在改善均勻性方面和減小壓力損失方面都優(yōu)于擋板式。

目前混合器的設(shè)計(jì)方案一般分為扇形混合器和百葉窗型混合器。筆者設(shè)計(jì)了兩種新型的扇形和百葉窗型結(jié)構(gòu)混合器方案,并采用CFD方法對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化處理及數(shù)值模擬;并針對(duì)優(yōu)化后的混合器,探究了其對(duì)氨氣分布均勻性、速度分布均勻性及壓力損失等方面的影響;進(jìn)一步探究了在不同工況下,排氣溫度和流量對(duì)NH3分布均勻性的影響。

1 案例選取與模型建立

1.1 尾氣后處理模型

筆者選取東風(fēng)佛吉亞排氣技術(shù)有限公司某型號(hào)的尾氣凈化器作為案例進(jìn)行分析。該尾氣凈化器為典型的U型結(jié)構(gòu),后處理總成如圖1。汽車尾氣從入口進(jìn)入,經(jīng)過DOC氧化反應(yīng)凈化尾氣中的HC、CO等;然后與尿素水溶液混合,利用DPF降低尾氣中的顆粒物(particulate matter, PM)排放;進(jìn)入SCR內(nèi),經(jīng)過氧化還原反應(yīng),降低尾氣中的NOx,并在催化作用下將NOx還原為N2和H2O。U型尾氣后處理系統(tǒng)總體尺寸如表1,采用Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 U型尾氣后處理系統(tǒng)總體尺寸Table 1 Overall size of U-type tail gas post-treatment system

圖1 尾氣后處理系統(tǒng)Fig. 1 Tail gas post-treatment system

1.2 計(jì)算模型

1.2.1 噴霧模型

筆者采用離散相模型(discrete phase model, DPM)中的噴霧模型對(duì)尿素水溶液噴射進(jìn)行模擬,DPM模型基于歐拉-拉格朗日(Euler -Lagrange)方法建立,將排氣流體作為連續(xù)介質(zhì),噴霧顆粒作為離散介質(zhì),以此計(jì)算流體與顆粒之間的運(yùn)動(dòng)軌跡,顆粒和氣流之間相互作用可以用相間耦合法描述[9]。對(duì)尿素顆粒追蹤采用粒子隨機(jī)軌道模型,能很好反映氣流對(duì)粒子速度和運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。噴霧模型參數(shù)如表2。

表2 噴霧模型的參數(shù)定義Table 2 Parameter definition of spray model

1.2.2 蒸發(fā)模型

排氣尾管中,尿素水溶液的蒸發(fā)熱解反應(yīng)主要分兩步。① 液滴受到加熱后使純水蒸發(fā);② 尿素通過熱解反應(yīng)產(chǎn)生氨氣和異氰酸(HNCO),HNCO繼續(xù)水解,生成還原劑NH3[10]。其具體反應(yīng)式如式(1)～式(3):

(NH2)2CO→(NH2)2CO+H2O

(1)

(NH2)2CO→NH3+HNCO

(2)

HNCO+H2O→NH3+CO2

(3)

1.2.3 邊界條件

從尾氣進(jìn)入,經(jīng)過尿素噴射,再到催化器出口,這一過程涉及到很多物理化學(xué)反應(yīng),主要包括氣體湍流運(yùn)動(dòng)、尿素水溶液蒸發(fā)熱解、載體表面化學(xué)反應(yīng)等。在文中的數(shù)值模擬中,不考慮載體表面的化學(xué)反應(yīng),采用Realizablek-ε湍流模型,并開啟組分運(yùn)輸模型,將所設(shè)尿素水溶液的噴孔半徑為0.062 5,分散系數(shù)為3.5,噴射量為8.75×10-4kg/s。尿素噴射位置如圖1,采用層流有限速率化學(xué)反應(yīng)模型,載體處為多孔介質(zhì)模型,其壓力損失按照Darcy定律計(jì)算[11]。

入口設(shè)定為流量入口條件,流動(dòng)速率為0.025 kg/s,湍流強(qiáng)度為0.05,入口溫度為400 ℃,DPM邊界類型為逃逸(escape);出口為壓力出口,壓力為1個(gè)大氣壓,湍流強(qiáng)度為0.05,DPM邊界類型為逃逸(escape);排氣管壁面函數(shù)選擇為標(biāo)準(zhǔn),DPM邊界類型設(shè)定為壁面噴射型(wall-jet),熱傳遞系數(shù)為10 W/(m2·K),自由流溫度為-30 ℃,壁厚為0.024 6 mm。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與使用法則

筆者采用典型工況(排氣溫度為400 ℃,排氣流量為0.025 kg/s)下的均勻性指數(shù)作為混合器方案設(shè)計(jì)優(yōu)化的首要評(píng)價(jià)指標(biāo);以典型工況下的壓力損失值、流場(chǎng)分布情況及非典型工況下的綜合性能表現(xiàn)作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。這些指標(biāo)的基本法則是在壓力損失值相差不大的前提下,以均勻性指數(shù)最高為最優(yōu)。具體操作步驟是:用典型工況下NH3的均勻性指數(shù)為指標(biāo)分別對(duì)扇形結(jié)構(gòu)和百葉窗結(jié)構(gòu)的混合器主要變型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,選出各自最優(yōu)方案作為該種結(jié)構(gòu)形式的代表方案,然后比較這兩種代表方案在典型工況下的流場(chǎng)分布情況和壓力損失值,最后分析這兩種方案在多工況下的性能表現(xiàn)。

2.1 均勻性指數(shù)

均勻性指數(shù)用于評(píng)價(jià)混合器內(nèi)某種化學(xué)組分的分布均勻性程度[12]。均勻程度越高,混合器性能越優(yōu)。例如:催化劑載體前NH3分布情況直接關(guān)系到催化劑性能好壞,并在很大程度上會(huì)影響到NH3泄露、NOx轉(zhuǎn)化效率等;氨氣長(zhǎng)期分布不均勻會(huì)造成催化器老化程度不均勻,進(jìn)一步降低催化器使用壽命和性能,氨氣分布不均勻還會(huì)導(dǎo)致某部分區(qū)域內(nèi)氨氣過多從而造成氨氣泄露[13-14],從而會(huì)降低載體的NOx轉(zhuǎn)化效率。將氨氣分布均勻程度進(jìn)行量化便得到了均勻性指數(shù)。

NH3均勻性指數(shù)UNH3的計(jì)算[15]如式(4):

(4)

式中:φi為截面上第i個(gè)單元網(wǎng)格上的NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù);φm為截面上NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值。

速度分布均勻性指數(shù)和還原劑(HNCO)均勻性指數(shù)計(jì)算與此類似。

2.2 壓力損失

混合器在流場(chǎng)中產(chǎn)生強(qiáng)大的旋流,能改善催化劑和尾氣混合的均勻性,混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要,會(huì)直接影響到系統(tǒng)壓力損失,也會(huì)降低催化器轉(zhuǎn)化率,故壓力損失必須要作為評(píng)價(jià)混合器性能的指標(biāo)之一。后處理系統(tǒng)壓力損失是指進(jìn)出口之間的壓力差,壓力損失過大會(huì)增大系統(tǒng)的排氣背壓,增加排氣過程的推出功,降低輸出的有用功。排氣背壓還會(huì)造成廢氣量增加和發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)減小?？傊畨毫p失增大,會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能[16]。因此,筆者以均勻性指數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行混合器性能優(yōu)化必須保證壓力損失相差不大。

3 兩種混合器設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

基于U型尾氣后處理整體結(jié)構(gòu)模型,筆者設(shè)計(jì)了兩種SCR混合器。這兩種混合器長(zhǎng)均為59.5 mm,寬均為20 mm,高均為52 mm,結(jié)構(gòu)形狀如圖2。

圖2 混合器結(jié)構(gòu)Fig. 2 Mixer structure

第1種采用扇型結(jié)構(gòu),由9個(gè)厚度為1 mm的向內(nèi)折彎的扇葉組成,混合器迎風(fēng)面上設(shè)有沿圓周布置的2個(gè)扇形漏孔,直徑為3.5 mm,在圓心處也有一扇形漏孔;該混合器設(shè)計(jì)特點(diǎn)是為了減小氣流阻力,增加氣流旋流,降低整個(gè)后處理系統(tǒng)及混合器前后壓力損失,增大尿素溶液與排氣流的混合。第2種采用百葉窗結(jié)構(gòu),有著不同大小的窗口,最左邊一列折彎方向向下,最右邊一列折彎方向向上,中間幾列靠上的折彎方向向左,中間靠下的折彎方向向右,折彎厚度均為1 mm;通過設(shè)計(jì)4個(gè)不同方向的折彎,能增大尿素與尾氣的混合,其設(shè)計(jì)特點(diǎn)與扇形混合器一致。

3.1 扇形結(jié)構(gòu)優(yōu)化

筆者通過對(duì)扇形結(jié)構(gòu)的折彎角度進(jìn)行改變,選出最優(yōu)方案,如表3。

表3 不同扇形結(jié)構(gòu)方案仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of different fan-shaped structure schemes

3.2 百葉窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化

筆者通過對(duì)百葉窗結(jié)構(gòu)的折彎角和有無隔板等兩個(gè)因素進(jìn)行分析,結(jié)果如表4、表5。

表4 不同百葉窗結(jié)構(gòu)方案Table 4 Different louver structure schemes

表5 不同百葉窗結(jié)構(gòu)方案仿真結(jié)果Table 5 Simulation results of different louver structure schemes

由表4、表5可知:扇形結(jié)構(gòu)中折彎角度為30°的方案最優(yōu), 這時(shí)NH3均勻指數(shù)為0.943;百葉窗結(jié)構(gòu)中折彎角度為30°、無隔板方案(方案2)最優(yōu), 這時(shí)NH3均勻指數(shù)為0.952。由此可初步確定百葉窗結(jié)構(gòu)優(yōu)于扇形。

4 兩種混合器綜合性能比較

筆者僅以典型工況下的NH3均勻指數(shù)來判定哪種結(jié)構(gòu)的混合器絕對(duì)優(yōu)于另一類型是不夠的,需要結(jié)合各種輔助指標(biāo)進(jìn)行綜合比較。

4.1 流場(chǎng)分布均勻性與壓力損失

圖3(a)為SCR進(jìn)氣截面的流場(chǎng)分布情況。速度均勻性指數(shù)可用來判斷尾氣進(jìn)入催化器的進(jìn)氣截面速度是否達(dá)到均勻,只有均勻性滿足一定要求時(shí),才能保證尾氣與催化劑的充分接觸,從而提高催化劑凈化尾氣中有害氣體的效率[17]。將SCR進(jìn)氣截面設(shè)置為監(jiān)測(cè)面,通過計(jì)算可知:扇形結(jié)構(gòu)的速度均勻性指數(shù)γ=0.967,百葉窗結(jié)構(gòu)為0.970,這說明百葉窗結(jié)構(gòu)優(yōu)于扇形。

圖3(b)為后處理系統(tǒng)的壓力分布云圖。由圖3(b)可知:百葉窗結(jié)構(gòu)系統(tǒng)壓力損失值為25.2 kPa,扇形結(jié)構(gòu)為26.4 kPa。扇形結(jié)構(gòu)壓力損失值較高的主要原因是:混合器的安裝進(jìn)一步縮小了氣流的流通面積,氣流經(jīng)過混合器后速度增大,壓力損失也迅速增加。

4.2 組分濃度分布

還原劑HNCO和NH3主要分布在催化器一側(cè)。圖4為催化劑入口截面的HNCO和NH3分布情況。由圖4可知:扇形結(jié)構(gòu)UHNCO=0.940,UNH3=0.946;百葉窗結(jié)構(gòu)UHNCO=0.950,UNH3=0.952。由此可見,百葉窗結(jié)構(gòu)更有利于改善催化劑入口還原劑分布。

圖4 催化劑入口截面分布Fig. 4 Cross section distribution of catalyst inlet

4.3 非典型工況下的性能表現(xiàn)

筆者針對(duì)排氣溫度為400 ℃,排氣流量為0.025 kg/s的典型工況,考慮在排氣流量不變的情況下,排氣溫度的階梯變化;排氣溫度不變的情況下,排氣流量的階梯變化,得到了7種不同工況,如表6。得到的混合器NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓力損失隨排氣流量與排氣溫度變化情況如圖5、圖6。

表6 不同排氣工況Table 6 Different exhaust conditions

圖5 排氣流量對(duì)NH3均勻性指數(shù)的影響Fig. 5 Influence of exhaust flow on uniformity index of NH3

圖6 排氣溫度對(duì)NH3均勻性指數(shù)的影響Fig. 6 Influence of exhaust temperature on uniformity index of NH3

圖5顯示了當(dāng)排氣溫度保持在400 ℃時(shí),排氣流量對(duì)氨氣均勻性指數(shù)的影響。由圖5可知:隨著排氣流量增加,催化器SCR進(jìn)口段的氨氣均勻性指數(shù)逐漸降低,百葉窗結(jié)構(gòu)的氨氣均勻性指數(shù)始終高于扇形。這主要是:百葉窗結(jié)構(gòu)具有4個(gè)方向的折彎,能將催化劑與尾氣從4個(gè)方向進(jìn)行充分混合,導(dǎo)流效果比扇形結(jié)構(gòu)的要好,會(huì)在氣流中產(chǎn)生較大的渦流。圖6為在排氣流量保持在0.025 kg/s時(shí),排氣溫度對(duì)NH3均勻性指數(shù)的影響。由圖6可知:隨著排氣溫度增加,催化器SCR進(jìn)氣截面處的氨氣均勻性指數(shù)逐漸增高,百葉窗結(jié)構(gòu)的氨氣均勻性指數(shù)總是高于扇形。

5 結(jié) 論

1)以氨氣均勻性指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),發(fā)現(xiàn)扇型結(jié)構(gòu)折彎角度為30°時(shí)方案最優(yōu);百葉窗結(jié)構(gòu)折彎角度為30°,后無隔板的方案最優(yōu)。

2)通過對(duì)兩種優(yōu)化后的方案進(jìn)行進(jìn)一步仿真分析對(duì)比發(fā)現(xiàn):百葉窗結(jié)構(gòu)的SCR進(jìn)氣截面處的速度均勻性指數(shù)、NH3分布均勻性指數(shù)和HNCO均勻性指數(shù)高于扇型,并且百葉窗結(jié)構(gòu)的壓力損失低于扇形。

3)通過改變排氣溫度和排氣流量值,觀察其氨氣均勻性指數(shù)變化。結(jié)果表明:隨著排氣流量增加,氨氣均勻性指數(shù)隨之降低;隨著排氣溫度增高,氨氣均勻性指數(shù)隨之增加,并且百葉窗結(jié)構(gòu)的氨氣均勻性指數(shù)均高于扇形。綜合考慮,百葉窗結(jié)構(gòu)的混合器優(yōu)于扇型。