柴油機(jī)選擇性催化還原后處理系統(tǒng)的數(shù)值模擬

陳代金，鄭明剛，許伯彥，張現(xiàn)成

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

車用重型柴油機(jī)尾氣中的顆粒物(PM)和氮氧化物(NOx)已成為城市空氣的主要污染源。國(guó)Ⅲ以前的排放標(biāo)準(zhǔn)可通過優(yōu)化柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，但國(guó)Ⅳ及其以上排放標(biāo)準(zhǔn)僅依靠合理的組織燃燒過程等機(jī)內(nèi)凈化措施已經(jīng)無法滿足。歐洲已在2008年10月開始實(shí)施歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)北京、上海等城市以已舉行奧運(yùn)會(huì)為契機(jī)，已于2008年開始在實(shí)施國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，但2013年7月在全國(guó)將全面實(shí)施國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。而使用排氣后處理技術(shù)是目前國(guó)際上減少PM、NOx排放最有效的手段，已成為各國(guó)柴油機(jī)研究的熱點(diǎn)，所形成的產(chǎn)業(yè)正在歐美日等國(guó)蓬勃興起，我國(guó)也開展了相應(yīng)的研究。其中，采用32.5%尿素水溶液作為還原劑的選擇性催化還原(SCR)技術(shù)能夠有效降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣氮氧化物(NOx)的排放[1]，在我國(guó)尿素－SCR技術(shù)以其抗硫性能好，被認(rèn)為是重型柴油機(jī)最可行的NOx排放控制后處理技術(shù)[2]。本文應(yīng)用AVL-FIRE(V2008)通用CFD軟件，根據(jù)Eley－Rideal機(jī)理對(duì)以32.5%尿素水為還原劑為柴油機(jī)的選擇性催化還原系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值建模[3，4]。在驗(yàn)證了計(jì)算模型可行性的基礎(chǔ)上，數(shù)值解析了不同尿素水的添加方案對(duì)NOx還原效率的影響等，其結(jié)果對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)柴油機(jī)選擇性催化還原后處理裝置提供了理論依據(jù)。

1 歐洲的Urea(尿素)－SCR系統(tǒng)

1.1 尿素－SCR的工作原理

尿素選擇性催化還原使用的還原劑是含有32.5%尿素的水溶液[5]，利用燃料供給裝置將尿素水溶液與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行混合，尿素水溶液在高溫廢氣中轉(zhuǎn)化為氨氣，在催化劑的作用下把廢氣中的NOx還原為N2和H2O，這樣達(dá)到了降低NOx的目的。圖1為簡(jiǎn)化的SCR催化器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，32.5%的尿素水溶液被噴入到排氣管內(nèi)部后的主要反應(yīng)過程如下[6]:

①排氣管和SCR催化器內(nèi)的反應(yīng)過程

尿素水溶液在高溫廢氣中(溫度高于300℃)結(jié)晶為尿素固體顆粒;尿素?zé)峤夥磻?yīng)為等物質(zhì)的量的異氰酸(HNCO)與氨氣;異氰酸接著水解為等物質(zhì)的量的二氧化碳與氨氣。SCR的催化劑對(duì)反應(yīng)過程(2)起到催化進(jìn)行作用，能夠促進(jìn)異氰酸的繼續(xù)水解過程。

②SCR催化器內(nèi)的反應(yīng)過程

圖1 簡(jiǎn)化的尿素－SCR系統(tǒng)尺寸示意圖

1.2 尿素－SCR的試驗(yàn)

對(duì)Cummins ISBe140型柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速1800r/min時(shí)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)定了在不同負(fù)荷工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，它為數(shù)值模擬的進(jìn)行提供了初始邊界條件。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 SCR系統(tǒng)CFD模型建立與驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格模型的建立

SCR催化器CFD模型的建立:首先利用三維造型軟件Pro/E根據(jù)由表1得到的測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣數(shù)據(jù)，過稀的混合氣使NOx轉(zhuǎn)化效率降低，故研究建立了稀燃NOx催化器系統(tǒng)的幾何模型，并以STL文件格式輸出;然后利用FIRE的網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格。如圖2所示。

圖2 催化器ProE三維幾何模型

2.2 計(jì)算模型及邊界初始條件

數(shù)值模擬涉及到氣流傳送、噴霧、催化劑多孔結(jié)構(gòu)、氣象反應(yīng)與催化反應(yīng)體系，所以耦合了fire中的五種模型，包括物質(zhì)輸運(yùn)模型、噴霧模型、多孔介質(zhì)模型、氣相反應(yīng)模型與催化反應(yīng)模型[7]。在模擬計(jì)算過程中為了研究溫度的影響，選取四個(gè)工況點(diǎn)有代表性的示如表1，對(duì)于進(jìn)口邊界采用給定質(zhì)量流量的方式，以便于邊界條件的輸入，對(duì)于湍流參數(shù)設(shè)定將5%進(jìn)口平均速度的平方設(shè)為湍動(dòng)能值，特征長(zhǎng)度值設(shè)定進(jìn)口直徑的10%[8];出口邊界條件參數(shù)設(shè)為靜壓，壓力為1.01MPa;壁面邊界條件參數(shù)的設(shè)置均相同，其速度分量均是0。模擬中進(jìn)口各組分濃度的設(shè)定，均根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行[9]。對(duì)于尿素還原劑的噴射，通過化學(xué)反應(yīng)的理論比值，按照其與尾氣中NOx的物質(zhì)的量比值為1.2∶1進(jìn)行[10]。

2.3 模型的可行性驗(yàn)證

為了檢驗(yàn) SCR催化器化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型 ，通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)條件在表1中明示，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線如圖3所示。由圖3可知模擬得到的轉(zhuǎn)化效率要高于實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果，這是因?yàn)槟M中考慮的是一種理想狀態(tài)時(shí)的化學(xué)反應(yīng)，這與預(yù)測(cè)的結(jié)果相吻合，但總體上來看二者的變化趨勢(shì)是一致的，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性，可以有效地對(duì)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖3 模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 三維模擬結(jié)果及分析

表2 尿素添加方案

圖4 不同尿素噴射方案的液滴分布

針對(duì)如表2所示的4種尿素的添加方案，從噴嘴的型號(hào)、噴射方向、噴孔數(shù)目對(duì)柴油機(jī)NOx催化器還原劑尿素與所排廢氣的混合過程進(jìn)行計(jì)算模擬，通過考察4種不同方案下催化器內(nèi)部NH3的濃度分布，研究了噴射方向和噴油器形式等因素對(duì)還原劑濃度分布產(chǎn)生的影響。

圖5 不同方案下還原劑NH3濃度分布

通過比較方案1和方案2的噴霧液滴分布，可以看出，不同孔數(shù)的噴射可以得出不同還原劑分布范圍，6孔噴油器比4孔得到的還原劑分布范圍更大更均勻。

通過比較方案1和方案3的噴霧液滴分布，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩種尿素噴射方式，沿著排氣管中心線方向噴射情況下還原劑濃度的分布均勻性要比垂直排氣管壁方向情況下好很多。方案3中還原劑的分布不夠均勻，其只在下半圓內(nèi)分布，另外半圓分布很少。

通過比較方案1和方案4的噴霧液滴分布，可以看出兩種不同的噴油器各有優(yōu)缺點(diǎn)，孔式噴油器的優(yōu)點(diǎn)在于它能將還原劑分散到更大的區(qū)域范圍。方案1中截面靠近管壁處的邊緣一帶存在濃稀交錯(cuò)的區(qū)域，而方案4中還原劑濃度的分布區(qū)域接近同心圓的形狀。可以看出，軸針式噴油器的圓周方向分布均勻性更好，這點(diǎn)是軸針式噴油器的優(yōu)勢(shì)所在。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于尿素－SCR系統(tǒng)的研究表明，在穩(wěn)態(tài)工況下，NOx的轉(zhuǎn)化與催化劑的溫度相關(guān)，溫度越高催化劑的性能越好，轉(zhuǎn)化率越高。

(2)尿素噴射方向的比較，尿素沿著排氣管中心線逆向噴射情況下要比垂直排氣管壁方向情況下獲得更為均勻的還原劑分布，并且6孔要比4孔更優(yōu)。

(3)尿素噴射噴嘴形式的比較:孔式尿素噴射能將還原劑在催化器內(nèi)分散到更大更廣的區(qū)域范圍，軸針式尿素噴射可以得到更好的圓周方向分布，兩者各有特點(diǎn)，但轉(zhuǎn)化率上前者要優(yōu)于后者。

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