緊耦型SCR催化器混合段的性能研究

鄭貴聰， 許智強， 張婷， 沈彩琴， 顏傳武， 陸勝旗

(杭州銀輪科技有限公司， 浙江 杭州 310013)

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緊耦型SCR催化器混合段的性能研究

鄭貴聰， 許智強， 張婷， 沈彩琴， 顏傳武， 陸勝旗

(杭州銀輪科技有限公司， 浙江 杭州 310013)

應用Fluent軟件對緊耦型SCR催化器兩種混合段方案進行壓力損失、溫度場、速度場分析，在發動機臺架上進行兩種混合段方案的轉化效率試驗、壓力損失試驗、排放循環試驗、氨泄漏試驗。分析與試驗結果表明：單層管混合結構的速度均勻性為0.97，壓力損失為9.32 kPa，均好于雙層管混合結構，后者的速度均勻性為0.948，壓力損失為10.82 kPa；兩種混合段方案的溫度場分析結果一致，且瞬態排放循環WHTC結果都能滿足國家要求，但低溫工況時，雙層管結構SCR的轉化效率和氨泄漏情況明顯好于單層管結構SCR，瞬態排放循環WHTC過程中雙層管混合結構的氨泄漏體積分數峰值為29.5×10-6，平均值為4.2×10-6，而單層管混合結構的氨泄漏體積分數峰值高達263×10-6，平均值為15.8×10-6。

緊耦型； 選擇性催化還原； 氨泄漏； 轉化效率； 壓力損失

選擇性催化還原(SCR)技術是降低柴油機尾氣NOx排放的有效措施，是重型車用柴油機排放升級首選的減排技術和研發方向[1-4]。傳統的SCR催化器配套基本都是將尿素噴嘴安裝在增壓器出氣端后的排氣直管上，無論是安裝成本、要求、維護以及故障都需要很大的服務成本，且尿素的液滴霧化空間不足，很容易噴射在排氣管壁面上，得不到充分的蒸發和混合，容易與尾氣的顆粒物聚集形成難以分解的結晶物[5-7]。因此，整車配套廠提出把噴嘴集成在催化轉化器上，形成一個緊耦結構的SCR轉化器，降低對排氣管的安裝要求、維護成本以及降低結晶的風險[8]。尿素結晶一直是SCR技術重點研究和攻克的難題，無論是從催化器設計上、尿素噴嘴結構上以及SCR系統控制策略上都要進行不同方案的驗證，選擇最優的性能配套方案。

緊耦型SCR催化器設計的難點是在有限的混合長度內增強氣液混合的強度和均勻度，加快尿素液滴的霧化和分解[9]，特別是在發動機處于低速低負荷低排氣溫度的工況下要充分保證尿素與排氣的混合效果，從而降低尿素在排氣管結晶的風險[6，10]。因此，緊耦型SCR催化器混合結構的設計尤為關鍵。

在一款緊耦型SCR催化轉化器上，設計了單層管混合結構和雙層管混合結構兩種混合段，通過CFD分析，對比兩種混合結構的流場均勻性、壓力損失、溫度場分布，同時也在發動機臺架上對兩種SCR方案進行轉化效率試驗、壓力損失試驗、氨泄漏試驗、排放循環試驗，從而對比兩者的性能。

1 緊耦型SCR催化器

緊耦型SCR催化器由于配套成本下降且性能穩定，從而得到了主機廠的大力支持，目前，國內發動機廠已經全面開展緊耦型SCR催化器的性能標定、臺架和整車驗證以及小批量配套驗證工作。圖1示出了緊耦型SCR催化器。尿素噴嘴集成在催化器的入口位置，總共分為三段，前段是氣液混合段，中間段為載體段，后段是消聲腔。對于緊耦型SCR催化器，混合段的設計要求很高，要求整個SCR催化器的流速度均勻性大于0.93，壓力損失小于13 kPa，溫度場分布合理。本研究設計了單層管結構與雙層多孔管結構兩種混合段結構，雙層管道的中軸線重合，混合效果增加，但壓降會有所增加。

圖1 緊耦式SCR催化器

2 Fluent仿真分析

應用Fluent軟件分別對單層管和雙層管混合結構進行建模仿真，計算工況為催化器入口流量700 kg/h、溫度530 ℃，計算兩者的壓力場、速度場和溫度場(見表1)。

表1 仿真結果對比

從表1可知，單層管結構混合段的速度均勻性為0.97，要好于雙層管結構的0.948，但兩者的均勻度都能滿足大于等于0.93的要求；從壓降的角度考慮，雙層管混合段結構的壓力損失為10.82 kPa，而單層管結構只有9.32 kPa，雙層管結構雖然增加了壓阻，但也能滿足企業的配套標準。

圖2至圖5為兩種方案的溫度場和速度場的截面(圖1所示載體前位置)云圖。從圖可知單層管結構混合段的流體運動速度整體要高于雙層管結構，截面的分布也比較均勻，但速度過快，氣液混合時間減少，尿素液滴的物理過程效果減弱。速度均勻度與混合段的結構相關，壓降和速度均勻度有著此消彼長的關系[11-13]，需要依據設計目標和性能規范要求綜合考慮，對混合段結構進行優化和試驗驗證。由圖4和圖5可見，兩者的溫度場分布相差不大，都是中心往外延伸均勻分布，催化器頂部溫度分布稍微有所差異。

圖2 單層管結構SCR均勻度

圖3 雙層管結構SCR均勻度

圖4 單層管結構SCR溫度場分布

圖5 雙層管結構SCR溫度場分布

3 臺架試驗

3.1 試驗裝置和設備

試驗發動機為某國產4缸柴油機，分別對兩個SCR方案進行臺架對比試驗。發動機的技術參數見表2。

表2 發動機主要技術參數

發動機試驗采用AVL測試設備，包括AVL排放測試設備i60/AMA4000、電力測功機、進氣空調系統、AVL數據采集系統、氨分析儀、溫度和壓力傳感器。試驗完全按照國家標準進行發動機試驗邊界條件的控制，試驗過程保證設備的一致性和精度，兩種方案的進氣邊界盡可能控制一致。

3.2 試驗方案

試驗主要進行穩態試驗和瞬態排放試驗，穩態試驗包括外特性試驗、轉化效率試驗，瞬態試驗為WHTC排放循環試驗，氨泄漏試驗貫穿于所有的試驗過程。SCR轉化效率試驗過程中設定空速為(40 000±300) h-1，不同溫度(200 ℃，225 ℃，250 ℃，275 ℃，300 ℃，350 ℃，400 ℃，450 ℃)和氨氮比1.2下，測試催化轉化器的轉化效率、氨泄漏。

3.3 外特性試驗結果與分析

從圖6外特性壓力損失對比可知，雙層管結構SCR的外特性最大壓降為10.99 kPa，而單層管結構SCR的最大壓降為9.57 kPa。單層管結構在背壓方面有著一定優勢，比雙層管結構低了12.9%。雙層管結構為了加強混合段混合效果增加了一層多孔管道，提升了渦流的效果，加速尿素液滴的分解和蒸發，但整體SCR的壓力損失增大。壓力損失的試驗結果與Fluent軟件仿真模擬的結果相差不大，誤差在3%以內，因此模型的建立和網格的劃分合理、準確。

圖6 外特性壓力損失對比

3.4 轉化效率試驗結果和分析

圖7示出了40 000 h-1空速，氨氮比1.2，不同溫度下的轉化效率和氨泄漏對比。雙層管結構SCR的NOx轉化效率和氨泄漏在低溫工況點(200～250 ℃)要好于單層管結構SCR，轉化效率相差2%～5%，氨泄漏大幅度下降。這是因為在低溫工況點發動機的排溫過低，氣流的流動復雜多變，雙層管結構氣液混合效果好，有利于尿素液滴的分解和氨存儲，NOx轉化效率更高，氨泄漏明顯減少。高溫工況(275～350 ℃)時兩個方案的NOx轉化效率相當，這是因為高溫工況下，氣流趨于穩定，尿素液滴分解和蒸發能力隨著溫度上升增強，同時催化器高溫時氨儲存能力下降，故轉化效率增大，氨泄漏上升，且變化趨于一致。

圖7 NOx轉化效率和氨泄漏對比

為了分析各溫度下轉化效率和氨泄漏動態變化趨勢，選擇空速40 000 h-1、溫度275 ℃和200 ℃、氨氮比1.2條件下的數據進行對比，分析兩種方案從不噴尿素到持續噴尿素過程NOx轉化效率以及氨泄漏動態變化趨勢(見圖8和圖9)。

由圖8可見，200 ℃的低溫工況下，從兩種方案的NOx變化量和氨泄漏動態數據看，雙層管結構SCR的NOx減排量明顯要好于單層管結構，且氨泄漏量也明顯偏低。但從氨泄漏的數據看，在200 ℃的低溫工況，隨著時間的推移，雙層管結構的氨泄漏量不斷增大且趨于一個穩定值，峰值為90×10-6，而單層管結構的氨泄漏量是不斷增大，呈一直上升的趨勢，氣液混合效果較差，氨泄漏峰值大于130×10-6。

圖8 200 ℃時NOx轉化效率和氨泄漏對比

由圖9可見，在275 ℃的高溫工況下，尿素噴射初期單、雙層管結構的NOx轉化效率都迅速上升，雙層管結構的轉化效率稍好，之后兩者的NOx轉化效率基本相當。大約從200 s開始兩個方案出現氨泄漏現象，單層管結構的氨釋放速度明顯比雙層管結構要快，雙層管結構強化了尿素液滴的物理反應，增加了氨分布和氨儲存速度，轉化效率上升過程中抑制了氨泄漏。

圖9 275 ℃時NOx轉化效率和氨泄漏對比

3.5 WHTC排放循環試驗結果和分析

為了驗證瞬態過程兩個方案的氨泄漏變化趨勢，進行了WHTC排放循環試驗，原機WHTC循環的NOx比排放量為9.2 g/(kW·h)，在相同的噴射MAP下進行WHTC循環(見表3)，兩種方案的WHTC排放循環的NOx值都能滿足國Ⅴ要求(≤2.8 g/(kW·h))[14]，且留有一定的裕度。但從氨泄漏數據看，單層管結構SCR的氨泄漏峰值為263×10-6，平均值為15.8×10-6，明顯高于雙層管結構的氨泄漏量。

表3 WHTC排放循環結果

圖10示出了兩種方案在WHTC排放循環中的氨泄漏的動態變化過程。單層管結構SCR在WHTC循環中于1 000 s，1 485 s和1 508 s附近出現峰值，分別為98×10-6，251×10-6和263×10-6；而雙層管結構SCR在WHTC循環中于1 360 s附近出現了峰值29.5×10-6，雙層管結構SCR的氨泄漏要好于單層管結構SCR。氨泄漏過大會造成二次污染，且增加了SCR結晶的風險。

圖10 WHTC循環氨泄漏對比

圖11對比了兩個方案在WHTC循環過程中催化轉化器平均溫度的動態變化情況。由圖可見，兩個方案的溫度變化趨勢基本保持一致。

圖11 WHTC循環平均排氣溫度對比

4 結論

a) 無論是穩態工況，還是瞬態工況，在低溫工況時，雙層管結構SCR加強了尿素液滴的蒸發和分解，提高了氨的存儲能力和NOx轉化效率，降低了氨泄漏量，而高溫工況兩者的NOx轉化效率相當，雙層管結構的氨泄漏也要好于單層管結構；

b) 兩種方案WHTC循環的NOx排放值滿足國家法規要求，單層管結構由于混合效果要低于雙層管結構，故排放循環過程中出現多次氨泄漏峰值，引起了二次污染，增加了SCR排氣管結晶的風險。

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[編輯： 姜曉博]

Performance of Mixing Section of Coupling Type SCR

ZHENG Guicong, XU Zhiqiang, ZHANG Ting, SHEN Caiqin, YAN Chuanwu, LU Shengqi

(Hangzhou Yinlun Technology Company， Hangzhou 310013, China)

The pressure loss, temperature field and velocity field for two kinds of mixing section of coupling type SCR were analyzed with the FLUENT software and the corresponding conversion efficiency test, pressure loss test, emission cycle test and ammonia leakage test were conducted on the engine test bench. The analysis and test results show that the velocity uniformity and pressure loss for single pipe structure is 0.97 and 9.32 kPa respectively and is better than 0.948 and 10.82 kPa for double pipe structure. The temperature fields for both mixing schemes are almost the same and their WHTC emission can meet the national requirements. At low temperature conditions, the ammonia leakage and NOxconversion for double pipe structure are better than those for single pipe structure. The ammonia leakage peak and average value for double pipe structure is 29.5×10-6and 4.2×10-6, while those for single pipe structure is 263×10-6and 15.8×10-6respectively.

coupling type; selective catalytic reduction(SCR); ammonia leakage; conversion efficiency; pressure loss

2016-01-18；

2016-05-05

鄭貴聰(1986—)，男，碩士，主要研究方向為柴油機排放控制；guicongzheng@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.011

TK421.5

B

1001-2222(2016)03-0058-05