排氣溫度影響柴油機SCR尿素沉積物生成模擬研究

覃倩倩，莫春蘭，黃文君，段磊磊，余俊波

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

選擇催化還原SCR技術是目前降低柴油機NOx排放最有效的后處理技術之一，然而低溫下尿素水溶液熱解和水解就會伴隨著諸如縮二脲、三聚氰酸等副產物的生成，造成嚴重的尿素沉積物堵塞催化劑孔道風險。目前，大多研究者都是借助仿真模擬手段，建立液膜模型，來對尿素的結晶進行現象級分析。Fang.[1]指出液膜表面的蒸發會進一步的降低壁面溫度，增加了形成三聚氰酸等沉積物風險。Smith等[2]基于液膜分析和全瞬態流固耦合CFD結果后處理對液膜的路徑、最初的足跡等進行預測。但使用液膜模型必須要配合瞬態模擬，增加了仿真計算時間。且液膜模型僅僅是從物理現象上來評估SCR系統排氣管、催化劑口等處出現尿素結晶的可能性，并沒有模擬出縮二脲、三聚氰酸等尿素結石的形成過程，因而不能從微觀層次探究完整的尿素沉積物生成規律。

本文為了從微觀層次探究詳細的尿素沉積物生成規律，新構建了一個詳細的尿素分解化學反應動力學模型。利用STAR-CCM+軟件，導入尿素熱解水解的總包和詳細反應機理，對尿素在噴射點到催化器入口前端間的排氣管路中的分解過程進行穩態數值模擬，得到不同溫度下催化器入口處的NH3摩爾分數以及沉積物生成規律，從而為研究柴油機SCR系統后續研究提供依據。

1　尿素分解模型的構建

理想狀態下，尿素在SCR系統內的熱分解主要分為兩步，即尿素熱解生成等體積的氨氣和異氰酸；異氰酸水解生成氨氣和二氧化碳。表1列出了尿素理想狀態下的總包反應。

表1　總包反應動力學模型

實際運行中，SCR系統中尿素要分解成NH3和CO2要經歷一系列復雜的變化，在溫度低時，尿素不完全分解，低溫下尿素水溶液熱解和水解會伴隨著諸如縮二脲、三聚氰酸等沉積物的生成。為了準確捕捉沉積物形成規律，根據Ebrahimian[3]提出的12步反應機理，LUNDSTROMA等[4]發現熔融狀態的尿素和液態的尿素在熱解中的表現，本文構建了一個詳細的尿素分解化學反應動力學模型。新構建的尿素分解化學反應動力學模型包含縮二脲、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺的生成機理，涉及15種組分和11步反應見表2.

表2　尿素分解化學反應動力學模型

研究尿素反應路徑，認為異氰酸（HNCO）是尿素分解副產物形成所需的最重要的反應物，無論是副產物縮二脲，還是三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺的形成，都離不開異氰酸的參與，縮二脲（C2H5N3O2）是尿素沉積物形成中最重要的中間產物，構成了其他副產物形成的基礎，可沿反應路徑形成三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺等一系列副產物。

2　模型選擇

計算采用STAR-CCM+的3D-CAD Models建立幾何模型。管路長度為1.5 m，直徑為0.15 m.圖1為網格模型。圖2為模型內部結構，噴射角度選用79/deg，噴射的液體溫度為20℃，噴射速度選用10.6 m/s，質量流量為0.000 3/kg·s-1.計算采用歐拉--拉格朗日兩相流模型，拉格朗日相為32.5%的尿素水溶液，歐拉相選擇多組分氣相反應子模型。

圖1　管路網格模型

圖2　管路內部結構圖

3　計算結果分析

圖3表明，在混合器作用下150℃時尿素分布在整個管道中。低溫條件下尿素的分解并不完全；高于200℃之后，混合器前端的尿素的高濃度區域逐漸降低，低濃度區域變大高溫下尿素基本完全水解。

圖3　管路軸向尿素質量分數分布云圖

圖4給出了NH3隨著溫度變化的分布情況，隨著尿素分解越完全，NH3的均勻性逐漸增加。150℃時，尿素分解不完全，NH3的質量分數處于低濃度位置，隨著溫度的升高，尿素的分解越徹底，NH3的濃度增加越明顯，到300℃之后，尿素分解完全，NH3濃度更均勻分布管道中，可見溫度對尿素的熱解水解程度起著關鍵作用。

圖4 管路軸向NH3質量分數分布云圖

圖5為不同溫度下，縮二脲（C2H5N3O2）、三聚氰酸（C3H3N3O3）和三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）的摩爾分數走勢圖。縮二脲走勢圖顯示縮二脲在150℃增加，之后到175℃開始下降，到225℃時趨近零。因為在尿素不斷分解的同時，有一部分的尿素與HNCO（異氰酸）反應生成縮二脲（C2H5N3O2）。當溫度處在160~190℃之間，少量生成的縮二脲會和HNCO生成三聚氰酸。此時三聚氰酸開始明顯增多，當溫度達到縮二脲的熔點193℃時，縮二脲會分解生成三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）。三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）顯示較大上升；200℃~250℃之間，三聚氰酸開始分解為HNCO.當在200℃~250℃之間，三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）開始分解，生成 HNCO、HNC、NH 三種氣體。可見尿素的不完全分解，除了自身會有部分不完全分解的變成固體沉積物之外，還會生成的其他沉積物，造成嚴重的沉積物風險。

圖5　沉積物生成量

4　結論

（1）尿素的詳細分解路徑表明，低溫條件下（排氣溫度在150℃~200℃時），尿素發生不完全分解，有一部分尿素會沉積在管道中變成固體沉積物，還有一部分尿素會生成中間產物，縮二脲（C2H5N3O2）、三聚氰酸（C3H3N3O3）和三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）等，可見尿素的不完全分解，除了自身會有部分不完全分解的變成固體沉積物之外，還會生成的其他沉積物。

（2）尿素在大約160℃時，與HNCO（異氰酸）生成縮二脲（C2H5N3O2）。溫度達到175℃ ~200℃，縮二脲開始分解，當溫度處在160℃~190℃之間生成三聚氰酸（C3H3N3O3），大約在200℃ ~250℃之間，三聚氰酸開始分解為HNCO，當溫度達到縮二脲的熔點193℃時，縮二脲會分解生成三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2），當在200℃ ~250℃之間，三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）開始分解。