重型柴油機SCR催化器優化設計和試驗研究

石代龍，傅松，白書戰，楊婷，張曉麗,王意寶

(1.山東大學能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.濰柴動力股份有限公司發動機研究院，山東 濰坊 261205)

選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)是減少柴油機尾氣中NOx的標準方法[1]。但是，SCR技術中也存在一些嚴重的問題[2-5]。比如，在排氣溫度較低的低負荷工況下，噴入發動機尾氣中的尿素溶液不能及時蒸發分解，未分解的尿素和一些分解中間產物會在尿素噴嘴或SCR混合器壁面產生結晶[1-8]。尿素結晶會產生一系列嚴重問題。比如，降低催化劑還原效率，甚至影響催化劑使用壽命；同時，還會對排氣管路產生一定程度的堵塞，導致排氣壓力損失增大，從而降低發動機經濟性，甚至影響發動機使用耐久性。

針對傳統SCR催化器在排氣溫度較低的低負荷工況下在尿素噴嘴或混合器壁面形成尿素結晶的問題，本研究以某重型柴油機SCR催化器為研究對象，對該SCR催化器進行結構優化，設計出了一種新型SCR混合器結構，并提出了新的尿素噴嘴布置方案。運用CFD方法分析了載體前端面速度分布均勻性和NH3分布均勻性等，結果顯示，優化設計的新型SCR催化器未出現尿素結晶，同時NOx轉化效率比傳統結構顯著提高，氨泄漏明顯降低。最后，進行了發動機性能試驗、臺架耐久試驗和道路結晶驗證試驗。試驗結果表明，優化后的新型SCR催化器有助于尿素噴霧和發動機尾氣的充分混合，促使尿素水溶液進一步霧化蒸發，最終降低尿素噴嘴和混合器壁面的尿素結晶風險。

1 混合器結構及尿素噴嘴布置方案優化設計

1.1 傳統SCR混合器結構及尿素噴嘴布置方案

傳統SCR混合器結構及尿素噴嘴布置方案見圖1。該SCR催化器的混合器僅包括一個多孔混合管及其底部的開孔擋流板，噴嘴布置在混合管上部。尾氣進入混合管，與混合管上方噴入的尿素溶液混合。由于低負荷工況下排氣溫度較低，氣體流速也很低，且混合器幾乎對氣流無擾動作用，尿素溶液滴落在混合器下壁面以及底部擋流板上，不能充分蒸發熱解，從而產生大量尿素沉積，形成尿素結晶[9-12](見圖2)。

圖1 傳統SCR催化器結構示意

圖2 傳統SCR催化器尿素結晶

1.2 新型SCR催化器結構優化設計

為解決以上問題，提出了一種新型的SCR混合器結構和新的尿素噴嘴布置方案(見圖3與圖4)。該混合器結構包括多孔混合管、旋流片式混合管以及擋流板。尿素噴嘴集成在旋流片混合管上。

圖3 新型SCR混合器結構

圖4 新型SCR催化器整體結構

發動機尾氣進入多孔混合器，在管上小孔的分流作用下，從各個方向進入旋流片混合管。旋流片處為尿素的落點，氣流流經旋流片時產生強烈的擾動，且在旋流片的作用下氣流流速更高，使得尾氣和尿素溶液混合更加均勻，進一步促進尿素溶液的蒸發分解，大幅度提高尿素溶液的利用率，使得尿素噴束落點位置的尿素不易沉積，極大降低了該處的尿素結晶風險。

2 兩種結構的CFD對比分析

2.1 CFD模型

本研究采用前處理軟件Hypermesh 14.0對幾何模型進行抽腔及面網格劃分，采用仿真軟件STAR-CCM+9.0進行仿真計算。體網格采用Polyhedral，即多面體網格，網格基礎尺寸為8 mm。將SCR催化劑的載體部分處理為多孔介質，物理模型采用Eddy Break-up，Lagrangian Multiphase，Fluid Film等。

計算工況點的選取見表1。考慮到尿素液滴的蒸發分解特性，即在廢氣溫度較低及廢氣流量較低的情況下，其蒸發和熱解進行緩慢，效果不佳，結合ESC試驗循環(見圖5)，本研究關于尿素水溶液的霧化分解及載體前端面的分布均勻性的模擬計算在低排溫、低負荷的工況下進行；考慮到后處理系統的背壓主要取決于系統結構、排氣溫度和排氣質量流率，對于確定的結構，后處理系統的背壓主要由排溫和排氣質量流率決定，且隨排溫和排氣質量流率的增大而增大，因此，關于后處理系統背壓的計算在標定工況下進行。

表1 計算工況條件

圖5 ESC試驗循環

2.2 CFD仿真結果及分析

2.2.1混合器壁面液膜厚度

在低排溫、低負荷的工況下，傳統SCR混合器和新型SCR混合器壁面的液膜厚度對比情況見圖6。從圖中可知，新結構比傳統結構的壁面液膜厚度小很多。這是因為原本在低排溫、低負荷的工況下，發動機尾氣的質量流率和流速就很小，混合器對排氣流動無明顯促進作用，從而大量尿素水溶液會直接噴射到壁面上形成液膜[12]。氣流流經傳統結構中的SCR混合器，流速較低，且幾乎不產生擾動，致使尿素溶液不能充分蒸發、破碎和熱解，從而在混合管底端內壁面上液膜厚度較大，進而形成尿素結晶。而在新結構中，氣流流經旋流片時產生強烈的擾動，形成強烈的湍流(見圖7)，其特點是旋轉快、流速高，從而避免了流動死區的形成，促進了尿素噴霧的蒸發分解以及壁面上液膜的脫落，降低了壁面液膜的厚度，從而減小了結晶風險。

圖6 尿素液滴碰壁液膜厚度對比

圖7 速度矢量圖對比

2.2.2分布均勻性

尿素熱解率(見式(1))用于定量評價尿素熱解程度。

(1)

式中：mN2H4CO為尿素噴射速率；m1為載體前端面殘余尿素的質量流率。m1定義為

m1=(mf+mN2H4CO)×ωN2H4CO。

(2)

式中：mf為發動機廢氣質量流率；ωN2H4CO為載體前端面尿素質量分數的平均值。

傳統混合器和新型混合器在低排溫、低負荷的工況下的尿素質量分數對比見圖8。由圖8可知，新型SCR混合器與傳統SCR混合器載體前端面尿素熱解率分別為90%和82%，與傳統SCR混合器結構相比，新型SCR混合器的尿素熱解效率提高了9.776%，尿素噴霧的蒸發效果及尿素的熱解效果均大幅度提高。

圖8 N2H4CO質量分數分布對比

分布均勻指數Uv(見式3)用于評價NH3分布均勻程度。

(3)

傳統混合器和新型混合器在低排溫、低負荷的工況下載體前端面上NH3的質量分數分布對比見圖9。由圖9可知，新型SCR混合器與傳統SCR混合器的NH3分布均勻指數分別為0.95和0.89，與傳統SCR混合器相比，新型SCR混合器載體前端面NH3分布均勻指數提高了6.06%，分布均勻性優于傳統SCR混合器。

圖9 載體前端面NH3質量分數分布對比

流動均勻指數Uf見式(4)。

(4)

式中：ωi為某一平面上各單元網格上的氣體流速；ωm為某一平面上平均氣流流速。

兩種結構在低排溫、低負荷的工況下載體前端面的速度分布對比情況見圖10。由圖10可知，新型SCR混合器和傳統SCR混合器載體前端面的流動均勻指數分別為0.92和0.84，與傳統SCR混合器相比，新型SCR混合器載體前端面流動均勻指數提高了9.52%，速度分布均勻性優于傳統SCR混合器。

圖10 載體前端面速度分布對比

2.2.3壓力損失

圖11示出兩種結構在標定工況下的壓力損失分布對比。傳統結構和新結構在標定工況下的總壓力損失分別為11.35 kPa和12.16 kPa。與傳統結構相比，新結構中壓力損失升高7.14%，但仍滿足工程限值要求。新結構中壓力損失略微升高，原因是新架構中增加旋流片式混合管，對氣流形成一定阻力，產生高壓區域。

圖11 兩種方案壓力損失分布對比

3 試驗驗證

3.1 穩態點性能驗證試驗

轉速1 700 r/min，扭矩300 N·m的穩態工況點結晶風險較大，選取該工況點進行恒定尿素噴射速率試驗。試驗臺架見圖12。

圖12 試驗臺架

圖13示出轉速1 700 r/min，扭矩300 N·m的穩態測試循環中測得的兩種結構的NOx轉化效率。兩種方案的NOx平均轉化效率對比見表2。由表2可以看出，與原結構相比，新結構在氨氮比為0.7,0.9和1.2時的NOx轉化率均有所提高，尤其在氨氮比為0.9時，提高幅度最大。

圖13 兩種結構的NOx轉化效率

氨氮比原結構平均轉化效率/%新結構平均轉化效率/%平均轉化效率提高幅度/%0.767.267.80.890.985.186.61.761.299.199.70.61

圖14示出兩種結構氨泄漏對比。由圖15可以看出，與傳統結構相比，新結構中NH3泄漏量明顯下降。原因是新結構中的旋流片式SCR混合器可以促進尿素的霧化分解和混合，SCR載體前端面的混合均一性提高，載體的利用率大幅度提高， NH3與NOx充分反應，從而使氨泄漏降低；隨著負荷的增加，排氣溫度處于催化劑高轉化效率區間，結構對轉化效率的影響減弱，兩種結構氨泄漏結果趨于一致。

圖14 兩種結構氨泄漏對比

3.2 瞬態循環排放測試試驗

試驗采用某重型柴油機，廢氣測試設備為HORIBA MEXA-7100DEGR廢氣分析儀，NH3測試所用設備為西門子 LDS_6 NH3分析儀，測功機為AVL INDYS56測功機。

對上述兩種方案進行ETC排放試驗時，為保證試驗的有效性，兩種結構所用的發動機原機狀態必須是一致的。圖15示出兩種方案進行熱態ETC測試循環試驗的原機NOx排放體積分數、尿素噴射量以及SCR上游排氣溫度的對比驗證，由圖15可以看出，兩種結構所用的發動機原機狀態基本一致。

圖16示出兩種結構在ETC瞬態測試循環下發動機尾氣排放中NOx排放體積分數的對比情況。從圖中可知，在尿素噴射速率相同的情況下，與傳統SCR混合器相比，新型SCR催化器的NOx排放明顯下降。原因是新結構中的旋流片式SCR混合管可以促進尿素的霧化分解和混合，SCR載體前端面的混合均一性提高，載體的利用率大幅度提高，使NOx轉化效率提高，從而大幅度減小NOx排放；隨著負荷的增加，排氣溫度處于催化劑高轉化效率區間，混合器結構對轉化效率的影響減弱，兩種催化器NOx排放結果趨于一致。

圖15 兩種結構所用發動機原機狀態對比

圖16 兩種結構NOx排放試驗結果對比

3.3 發動機臺架尿素結晶驗證試驗

發動機臺架尿素結晶驗證試驗是在臺架上進行了30 h最小功率的ETC循環。新結構經過30 h的臺架尿素結晶驗證試驗后，對SCR催化器進行拆檢，拆檢結果見圖17。由圖可見，新結構混合器壁面未產生尿素結晶(圖中白色部分為拍照時尿素落點位置反光所致，并非尿素結晶)。這是由于氣流流經旋流片時產生強烈的擾動，使得尿素噴束落點位置的尿素不易沉積，極大降低了該處的尿素結晶風險。同時進入混合管的氣流經過旋流片的作用流速更高，使得尾氣和尿素溶液混合更加均勻，促進尿素溶液的充分利用,最終實現降低尿素過度沉積的問題。

圖17 尿素結晶驗證

4 結論

a) CFD計算仿真結果表明，與傳統SCR催化器相比，新型SCR催化器的旋流片結構可以有效促進尿素噴霧的蒸發分解，大幅度提高了尿素噴霧與發動機尾氣的混合均勻程度，最終降低了尿素噴嘴和混合器壁面的尿素結晶風險;

b) 穩態點性能驗證試驗結果表明，新結構在氨氮比為0.7,0.9和1.2時的NOx轉化率分別提高0.89%，1.76%和0.61%；瞬態ETC排放測試試驗結果表明,與傳統結構相比，新結構NOx排放明顯降低;

c) 30 h發動機臺架尿素結晶驗證試驗結果表明，新型SCR催化器的混合器壁面未出現尿素結晶。