緊湊型DOC-混合器-SCR后處理系統數值模擬

劉文坤， 張翠平， 王鵬， 田俊龍， 張莉娟

(太原理工大學機械學院, 山西 太原 030024)

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緊湊型DOC-混合器-SCR后處理系統數值模擬

劉文坤， 張翠平， 王鵬， 田俊龍， 張莉娟

(太原理工大學機械學院, 山西 太原 030024)

為提高SCR系統的轉化效率，提出緊湊型DOC-混合器-SCR后處理系統，建立了3種不同結構的后處理模型。采用計算流體力學(CFD)結合化學反應動力學的方法，建立了柴油機SCR-NOx催化器三維數值模型，該模型包含尿素水溶液噴射、液滴蒸發和熱解、NOx催化還原化學反應整個尾氣后處理過程，得到了緊湊型后處理系統的湍流動能場、速度流場、濃度場的分布規律，并與傳統型后處理系統模擬仿真結果進行對比。研究結果對柴油機后處理系統設計具有參考價值。

選擇性催化還原； 計算流體動力學； 化學反應動力學； 數值模擬

隨著排放法規的日益嚴格，柴油機機內凈化技術已經無法滿足降低氮氧化物(NOx)排放要求，需要結合柴油機后處理技術來降低NOx排放。采用尿素(Urea)水溶液選擇性催化還原(Selected Catalytic Reduction，SCR)后處理技術來降低柴油機的NOx排放在歐洲發達國家得到廣泛應用，Urea-SCR 技術也將是我國重型柴油機實現第Ⅳ階段標準的主要技術路線[1]。

為了實現高的SCR系統效率，需要采用氧化催化(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)技術將部分NO轉換成NO2，為快速SCR反應作準備。在DOC下游尿素噴射器將尿素水溶液噴入廢氣中，在進入SCR前，通過混合器作用加速蒸發并與廢氣混合。傳統的做法是將DOC模塊、尿素噴射器、混合器、SCR設計成獨立的單元，這樣后處理系統變得大而重，不利于在狹小的車身中布置安裝。本研究討論一種緊湊型后處理系統，將DOC模塊和SCR模塊耦合在一個緊密的單元里，減小體積又能滿足性能要求。

1 渦旋混合原理

渦旋氣流能夠有效提高尿素蒸發和混合的效率[2-3]，渦旋可使氣體產生大量的湍流能量。大體積的渦旋是一個單獨的大渦流，是大尺度湍流的一個類型。在渦旋氣流中，氣體的切向速度在中心點最低，到邊緣逐步上升。渦旋混合的例子見圖1，環形的DOC結構位于出口管中間，在DOC出口面上布置混合器(直徑和DOC相當)。氣體經混合器作用，掉轉180°，形成渦旋氣流，進入DOC內管。在氣體流動轉向處，尿素噴射器將尿素噴入排氣中，尿素在渦旋氣流中蒸發和分解，然后流向SCR系統。

單個尿素微滴在渦旋氣流中的軌跡見圖2中1至5。尿素噴射壓力為0.5～1 MPa，因此每個單獨的微滴具有顯著的動能(1)，這種較高的動能使微滴相對于氣流獨立移動(2)，有利于液滴表面的熱交換，使得液滴升溫速度快，一旦到達足夠溫度，液滴開始蒸發(3)，蒸氣會被周圍的氣流卷走而遠離液滴表面(4)。一方面，由于蒸發和分解，液滴損失質量；另一方面，液滴與氣流摩擦，液滴失去動能(相對于氣體)。這兩個因素結合，導致液滴被氣流夾帶在一起(5)。

2 后處理模型

2.1 幾何模型

本研究建立3種不同結構的后處理模型，其結構示意與網格模型見圖3。3個模型SCR催化反應器直徑與長度均為250 mm和350 mm，催化器載體采用方形孔道蜂窩狀結構，孔密度62目/cm2，壁厚為0.13 mm，催化劑涂層厚度為0.015 mm。采用 ICEMCFD 軟件對幾何模型進行網格劃分，然后將模型導入到CFD軟件AVL Fire中進行模型仿真。

2.2 計算模型

尿素溶液的噴霧模型采用離散液滴處理方法(DDM)，考慮液滴的蒸發和氣流之間的傳熱傳質過程及液滴的二次破碎過程[4-5];液滴的二次破碎過程采用 Huh-Gosman 模型模擬，結合拉格朗日方法和歐拉方法來求解液滴運動軌跡。液滴的蒸發和氣液相之間的傳熱過程采用SCR-thermolysis模型。在噴霧時，考慮液滴的碰壁與并聚，碰壁模型為Kuhnke wruck模型，通過壁面傳熱模型來模擬其傳熱和汽化過程。湍流運動過程采用k-ε-f湍流模型。SCR催化器內部流動特性采用多孔介質進行模擬，采用有限體積法離散方程，用SMPLE算法進行迭代求解。壓力損失用Forchherimer模型計算：

該項包括黏性損失和慣性損失，式中：α為黏性損失系數；μ為動力學黏度；ω為速度；ζ為慣性損失系數；ρ為流體密度。

尿素從噴入到催化劑之前進行的化學反應可以用下面的反應方程式來描述。

熱解反應：

水解反應：

SCR催化器中NOx催化還原反應機理由以下反應式描述[6]。

標準反應：

(1)

快速反應：

(2)

在柴油機排放的氮氧化物中物質的量之比n(NO)∶n(NO2)≈9∶1[7]，而式(2)的反應優先級高于式(1)，快速反應速率約為標準反應的17倍[8]，因此在SCR催化轉換器上游安裝DOC，將部分NO氧化成NO2，提高快速反應的比例。

2.3 邊界條件

選取柴油機轉速2 250r/min，全負荷工況點進行分析，尾氣質量流量為855kg/h，NOx的體積排放為1 192×10-6。初始溫度為尾氣排放溫度400 ℃。噴射的尿素為32.5% 的飽和尿素水溶液，按氨氮比為1∶1模擬，尿素水溶液質量流量為3.6 kg/h。

入口邊界條件采用給定質量流量和溫度的方式，特征長度為進口直徑的10%，湍動能設定為進口平均速度平方的5%。出口為靜壓邊界條件，出口壓力為0.1 MPa。尿素水溶液噴射為間歇周期噴射，選擇噴射周期為0.8 s進行仿真，0.1 s開始噴射，噴射持續0.3 s。

2.4 評價指標

1) 均勻性指數

催化器載體入口處的各項參數的均勻程度直接影響催化劑的催化轉化效率。均勻性指數r為[9]

2)NOx轉化效率

催化反應前后的 NOx濃度變化值與催化前NOx濃度值之比稱為NOx轉化率：

式中：C(NOx)in為原機NOx排放；C(NOx)out為SCR系統處理后NOx排放。

3 模擬結果分析

3.1 索特平均直徑

索特平均直徑(SMD)為液滴群總體積與總表面積之比。SMD愈小，汽化表面積愈大，汽化速度和混合速度愈大。在整個噴射周期內，3種結構后處理模型的SMD值分別為2.21E-05 m，1.86E-05 m ,2.05E-06 m。從圖4也可以看出，C型的SMD遠小于A型和B型，相差一個量級，表明渦旋氣流對尿素的蒸發和混合有明顯作用。

3.2 擴張管流場分析

對于正常非渦旋運動，擴張角要合適，過大的擴張角會使氣流在擴張管中脫離管壁，壁面出現分離流動特性，而載體中心區域沒有擾動，流體呈現環狀(見圖5中A型)。擴張管壁面的分離是由于擴張管入口處存在負壓，該負壓卷吸周圍的流體，并在催化器壁面處引起流體回流(見圖6a與圖6b)，流體回流形成漩渦使擴張管壁與催化器入口接觸處湍流動能明顯較大。流體回流一方面會造成氣流的局部壓力損失，另一方面也會影響噴入的尿素液滴及其熱解產物的流動路徑，造成催化器載體前端氣體分布不均勻，降低催化器的轉化效率。而渦旋氣流運動由于氣流最高速度在管壁附近，擴張管擴張角較大也不會使氣流從管壁脫離，沒有流體回流現象，如圖5c所示，氣流從擴張管管壁平穩過渡到SCR系統。

3.3 液膜生成量

尿素溶液噴入排氣中，直徑較小的液滴會迅速蒸發，直徑大的液滴來不及蒸發熱解，會隨著排氣在管壁上沉積下來，容易形成液膜。此外，液滴噴射到管壁后，液滴蒸發吸熱，管壁本身向外傳熱，進一步降低了壁面的溫度，當壁面溫度降低到一定程度就造成液滴沉積。從圖5氣流在管內的速度可以看出，C型結構在管壁附近的氣流速度比在中心線附近的氣流速度大，這要歸因于渦旋氣流的旋轉運動，形成了向心力，使得更高的氣流速度出現在管壁周圍，壁膜形成趨勢被抑制。從圖7可以看出，C型管壁上液膜生成量明顯較A型與B型少。

3.4 組分濃度分析

NH3濃度在催化劑載體入口的均勻程度對NOx的轉化效率有顯著影響。一方面NH3局部過量會造成氨氣泄漏進入空氣，污染環境；另一方面NH3不足會使局部NOx轉化效率低，影響整體轉化效率。圖8示出了3種結構的NH3均勻性指數，可以看出A型和B型結構NH3均勻性指數較低，分別只有0.69和0.76，出現這種狀況的原因是由于模擬采用四孔噴嘴，噴射方向與軸線夾角為45°，液滴分布呈柱狀，液滴撞壁現象比較嚴重。結合圖9和圖10中NH3和NO的空間濃度分布看出，NH3主要集中在內壁周圍，中間與邊緣區域的濃度較低，使得該區域NO沒有完全轉化，大量未被還原的NO直接排出。而C型結構NH3均勻性指數高達0.93，這是由于在混合器的作用下產生了渦旋氣流，使得擾動加強，湍流動能增加，促進排氣與尿素液滴更充分地混合，尿素溶液的蒸發和熱解速率也更快，使得NH3均勻性明顯提高，相應NOx的轉化也更加徹底。

3.5 NOx轉化率

圖11、圖12分別示出 NO與 NO2隨時間變化的轉化率分布。可見，C型結構的NO轉化率在88%左右，NO2轉化率可達到99%。 A型和B型結構的 NO轉化率均在56%左右，而A型的NO2轉化率為96.7%，比B型的NO2轉化率低1%。在整個噴射周期內，A型和B型的NOx轉化率分別為73.64%和74.08%，而C型的NOx轉化率要比A型的高近18%。NOx轉化率計算結果驗證了組分濃度分析的結論。

4 模型試驗驗證

圖13示出SCR催化器空速為35 000 h-1，排氣溫度為260 ℃時，不同氨氮比下3個模型的NOx轉化率。試驗時，模型B與C的結構布置與前面描述的一致，而模型A的結構布置將尿素噴射點從前面描述的管內中心處移至接近管壁的一側。剛開始氨氮比低，隨著氨氮比逐漸增大，尿素水溶液噴射增多，NOx轉化率也不斷增大；當氨氮比增大到一定值時，NOx轉化率基本不隨氨氮比增大而提高，這是因為該溫度下尿素熱解、水解反應充分，噴射過多的尿素只會造成 NH3的泄漏。如圖13所示，在上述試驗條件下模型A，B，C對應的最高NOx轉化率分別為45%，72%，84%。試驗結果與模擬結果的分布趨勢基本一致，驗證了本研究模型的合理性。

5 結束語

本研究提出了緊湊型DOC-混合器-SCR后處理系統，系統中的渦旋氣流能使尿素噴射區有較高湍流動能，尿素的蒸發和混合速率明顯提高；仿真結果表明，NOx轉化率相對于傳統結構布局有大幅度的提升。高效率的蒸發和混合系統可以使DOC與SCR之間的距離進一步的縮小，使整個后處理系統在長度與體積上都可以減少，不但便于安裝布置，而熱損失也會相應減少，可以實現更好的冷啟動性能。安裝混合器對系統的壓力損失影響不大。本研究提出的SCR后處理結構布局相對傳統型結構布局有較大改變，試驗結果驗證新布局是可行的，相對傳統結構布局更具有優勢，可以為柴油機后處理系統設計提供參考。

[1] 陳鎮，胡靜，陸國棟,等.提高柴油機尿素SCR系統氮氧化物轉化效率的試驗研究[J].車用發動機，2010(6)：79-82.

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[4] Shah R K，London A L．Laminar Flow Forced Convection in Ducts：A Sourcebook For Compact Heat Exchanger Analyical Data[M].New York：Academic Press，1978.

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[6] Noel W C，Dean C C．Formation and reactions of isocyanic acid during the catalytic reduction of nitrogen oxides[J].Topics in Catalysis，2000，10:13-20．

[7] Qing wen song，George Zhu.Model-based Closed-loop Control of Urea-SCR Exhuast After-treatment System for Diesel Enhine[C].SAE Paper 2002-01-1287.

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[編輯: 李建新]

Numerical Simulation on Compact DOC-Mixer-SCR Aftertreatment System

LIU Wenkun, ZHANG Cuiping, WANG Peng, TIAN Junlong, ZHANG Lijuan

(School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China)

In order to improve the conversion efficiency of SCR system, a compact DOC-mixer-SCR aftertreatment system was put forward and three kinds of aftertreatment models were built. With the aid of computational fluid dynamic (CFD) coupled with chemical reaction dynamics, a 3D model of SCR-NOxcatalytic converter was established. With the model, the whole aftertreatment process including the injection of urea aqueous solution, the evaporation and thermal decomposition of droplet and NOxcatalytic reaction was simulated and the distribution law of turbulent kinetic energy field, velocity field and concentration field was acquired. In addition, the simulated results were compared with those of traditional aftertreatment system. The research results provide the reference for the design of aftertreatment system.

selective catalytic reduction(SCR); computational fluid dynamic(CFD); chemical reaction kinetics; numerical simulation

2015-04-13;

2015-10-12

2014年度山西省煤基重點科技攻關項目(MJ2014-14)

劉文坤(1990—)，男，碩士，研究方向為現代發動機關鍵零部件的分析研究；liuwenkun619@163.com。

張翠平，女，教授，碩士生導師；zhangcp64@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.010

TK411.5

B

1001-2222(2015)05-0057-06