柴油機催化劑尺寸的仿真改良

馮星皓　王鑫炳

摘 要

針對6105AZLD柴油機在85%負荷工況下的排氣，利用AVL BOOST軟件，建立了選擇性催化系統（SCR）反應過程仿真模型，對影響催化劑催化轉換效率的長度、孔密度、壁厚等結構尺寸參數進行了仿真分析。通過分析了解不同參數變化對該系統脫硝率與氨逃逸率的影響，最終得到在體積為0.072m3、長度為0.8m、孔密度為35×35、氨氮比為0.85、壁厚為0.6mm、布置形式為2×2、布置層數為2層時，脫硝率為83%、氨逃逸率為12ppm，滿足設計指標。

關鍵詞

氮氧化物減排; SCR催化劑建模;尺寸優化

中圖分類號： X701 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.034

0 引言

航運一直都是人類大規模運輸的首選，它很大程度的促進著各國之間經濟貿易的發展。但是船舶航行中排放的以氮氧化物為主的有害物質雖然含量在排氣總量中十分微小但是卻可以給大氣環境以及人的身體造成十分大的影響。隨著近年來人們對環境保護的愈加重視，各界都推出了各項限制排放的標準，例如：國內近年來針對汽車排放的國六標準，以及對船舶氮氧化物排放的限制的MARPOL公約Tier III的施行。各界都在尋找好的減排方式，航運界也一直在探索可行的船舶氮氧化物減排措施[1-2]，以適應愈發嚴格的法規，維持航運的繁榮穩定。SCR催化系統作為解決這一問題最為經濟有效的方案之一，自然備受人們重視。在SCR系統中，SCR催化劑的結構參數，以及結構布置形式等是影響該系統性能的關鍵，所以對SCR催化系統進行結構尺寸的優化是非常重要的且有實際前景的。本文根據前輩對6105AZLD柴油機尾氣排放含量的分析[3]，得到在柴油機負荷為85%的工況下，排氣流量等相關參數，后借助BOOST軟件，建立SCR催化仿真模型，可以十分經濟有效地對催化劑各結構尺寸參數進行分析，得出不同參數對系統性能指標的影響，進而對影響SCR系統的各項參數進行優化，最終得到滿足指標的催化劑性能結構指標。

1 柴油機SCR催化劑尺寸初步設計

1.1 SCR系統工作原理

SCR系統工作原理如下圖1所示。尿素溶液分解為NH3與發動機排氣中的NOx在催化劑反應裝置中發生反應，將排氣中的NOx還原為N2，以減少發動機排放尾氣對環境的污染。

圖1 SCR 系統工作原理

1.1.1 氨氣的生成

由于尿素溶液對比液氮和氨水有更好的安全性能和存儲性能，所以可以尿素溶液作為SCR系統的氨氣來源。而下文僅涉及仿真所以仿真模型中假設尿素全部分解成氨氣。

1.1.2 NOx的催化還原

尿素分解生成的氨氣進入催化反應器后為還原劑與催化劑發生吸附反應（1），而催化劑表面的氨氣發生解吸附反應（2）。ME·NH3（s）表示吸附的NH3。

廢氣中的NOx與催化劑表面的氨氣發生反應，生成N2和H2O。

反應（3）為主要的SCR反應，即標準SCR反應。該反應在300～400℃反應較快，在溫度低于250℃反應速度較慢NOx轉換率較低。式（4）為快速SCR反應，NO2和NO摩爾比為1：1時NOx轉化率最高。式（5）為慢速SCR反應，反應速度較慢，影響較小可以忽略該反應[4]。

SCR系統中還有與SO2 等硫化物的反應，但船用SCR系統主要作用為降低排氣中的NOx的排放，且船用柴油機含硫量較低所以本文暫不考慮相關的反應。

此外還應該重視氨氣在催化劑表面發生的氧化反應（6）。

1.2 SCR系統技術指標

1.2.1 脫硝率

船用SCR系統主要作用為降低排氣中的NOx的排放量，所以脫硝率是該催化劑的最重要的指標，脫硝率計算公式：

式中，DeNOx為脫硝率;CNOx（in）為催化劑入口處NOx的濃度;

CNOx（out）為催化劑出口處NOx的濃度。

1.2.2 氨逃逸率

氨逃逸率主要指催化劑出口處的NH3濃度，為SCR系統的重要指標之一。由于排氣流速過快或者排氣中氨氣的不均勻分布（氨氣局部過量）導致的系統反應不充分，從而導致氨逃逸率上升，逃逸的氨氣會對環境造成污染。本文限制在20ppm以內。

1.2.3 SO2/SO3轉化率

由于船用發動機燃油的含硫量較低，該指標比較寬松。

下圖為柴油機SCR催化劑技術指標 見表1。

表1 目標柴油及SCR催化劑技術指標

1.3 SCR催化劑尺寸的初步設計

1）根據柴油機排氣溫度、有毒元素、排氣流速，等確定催化劑的配方和節距。這兩方面決定了催化劑的活性。

2）根據SCR催化反應的動力學方程和系統指標確定空速以確定催化劑最初體積。

式中，k為催化劑的體積活性常數，h-1; SV為空速，h-1;η為脫硝率，%;

γ為催化劑入口處的氨氮摩爾比;K為NOx在催化劑表面的吸附系數，kg/m2;

CNOX（in）為催化劑入口處的NOx的濃度，ppm;

Qflue為排氣流量（m3/h），Vcat為催化劑體積（m3）。

其中排氣流量為698m3/h;空速一般為12000h-1，取區間5000～24000h-1[5]。

3）根據體積可確定催化劑的截面積和長度。

催化劑的截面積A，就可以通過催化劑的體積與排氣流量的比值來確定：

流速一般為5～8m/s。

4）綜合上述，以及船用催化劑的實際布局確定初步的催化劑結構和布置形式。

根據催化劑的強度要求，一般催化劑長度不超過1500mm;同時標準蜂窩狀催化劑單元塊截面積為150mm×150mm= 22500mm2，常見的布置形式有1+1、1+2、2+2、3+1等，可以根據上述系統指標以及船舶環境條件來確定布置形式。

經計算分析得到具體的SCR初步設計參數，如表2。

2 柴油機SCR催化劑建模

2.1 基于AVL BOOST的催化劑模型

2.1.1 AVL BOOST軟件概述

AVL BOOST軟件主要用于AVL BOOST軟件主要用于車用及船用發動機的整機或局部建模，預測分析發動機的相關性能及設計發動機結構[6-7]。

2.1.2 SCR催化劑反應過程

根據1.1該反應只考慮標準SCR反應（3）、快速SCR反應（4）、氨氣的氧化反應（6），以及氨氣吸附反應（1）與解吸附反應（2）。

2.2 SCR 催化劑建模

2.2.1 模型假設

a.柴油機排氣中僅含有NOx、CO2、H2O、O2和N2，且因為NOx中NO2含量較少仿真認為全部為NO;

b.混合氣做一維穩定運動;NOx;

c.催化劑內部絕熱，忽略催化劑外壁和環境的熱交換;

d.催化劑表面的SCR反應，模型只考慮上述1.1節5個反應內容，忽略其他反應;

e.考慮氨氣的泄露，NH3/NOx摩爾比設置為9：10。

2.2.2 邊界條件和參數設置

（1）邊界條件

基于AVL BOOST建立如圖2所示的SCR催化劑模型：

a.在ATB1進口處各氣體組分濃度見表3。

氣體入口溫度選用440℃。

b.在模型中間催化劑部分，主要設置催化劑的體積、長度、孔密度、溫度、壁厚、導熱系數、密度、比熱以及化學反應等條件設置，其中催化劑的結構參數為本文調整的內容，而其他參數例如比熱、導熱系數等采用系統的默認值。

c.反應出口ATB2選用壓力出口，壓力值為1bar。

（2）初始條件

本文中的催化劑模型的排氣條件是柴油機穩定在85%負荷時的條件，所以這是一個穩態SCR反應，認為排氣參數不隨時間變化，所以入口邊界條件就是初始條件[8]。

3 催化劑體積的詳細設計

催化劑參數的主要影響因素為孔密度、長度、橫截面積，并且影響效果長度>橫截面積>孔密度[9-10]。

首先運用仿真模型對不同長度進行仿真分析，根據初步設計中的體積范圍，與截面布置形式，確定長度范圍為0.6m～ 2.6m。而船用SCR催化劑大多為25×25、30×30、35×35、40×40、47×47、50×50，暫時選用孔密度為30×30 （CPSI為26.3）。仿真結果見圖3。

由圖3可以得到隨催化劑長度的增加，脫硝率不斷呈上升的趨勢，同時氨逃逸率下降，在長度大于1.6m時催化劑脫硝率基本達到指標要求，但氨逃逸率在只改變長度的情況下未能得到符合指標的參數，并且長度在0.6～1.6m范圍內變化對脫硝率影響較大，再增加長度脫硝率雖仍緩慢增加但是變化較小，而長度過長會影響催化劑的強度性能。于是可以將長度定為1.6m（此時體積為0.072m3），通過改變孔密度來進一步降低氨逃逸率，同時分析孔密度對性能參數的影響。仿真結果見圖4。

對圖4分析可知，增大孔密度會對脫硝率與氨逃逸率都有較好的性能影響，特別在常用的孔密度范圍內固定長度為1.6m，孔密度為50×50時，該催化劑已經有了滿足兩項指標的性能要求，但是考慮到孔密度大于40×40之后壁厚過小，因排氣的腐蝕作用會嚴重影響該催化劑的機械壽命，所以將催化劑孔密度定為35×35，綜合長度為1.6m，此時SCR系統性能脫硝率為84%，氨逃逸率為79ppm。氨逃逸率依舊沒有滿足要求，后面繼續通過改變催化劑的壁厚、布置形式、氨氮比、布置層數來進一步減小氨逃逸率。

因為壁厚、布置形式、布置層數、以及氨氮比四個參數可調范圍較小，并且四個因素對催化劑的催化轉換性能的影響較小，特別布置形式改變由1×2變為2×2時催化劑長度減半但是對系統的性能幾乎沒有影響，仿真結果見圖5，這是因為在孔密度與壁厚不變的情況下催化劑體積和比表面積不變，所以對性能影響很小。可以把布置形式改為用以增加催化劑強度。

現根據表4中因素水平，根據表5的正交設計仿真方案進行分析。仿真結果見圖6。

對圖6分析可知，增加催化劑的布置層數可以很好的減少氨逃逸率;壁厚的減少可導致脫硝率的增加，氨逃逸率的減少;在0.8到0.9的范圍內減少氨氮比可使氨逃逸率下降，但同時會導致脫硝率的下降。綜合考慮可得在Case B的情況下氨逃逸率與脫硝率可以很好地滿足指標，并且壁厚較大具有較好的機械強度，所以最終確定優化布置層數為2層、壁厚為0.6mm、氨氮比為0.85。

4 結論

（1）增加催化劑長度以及改變孔密度可以使得SCR系統的脫硝率上升并滿足要求;氨逃逸率雖有大幅度下降，卻依舊無法滿足指標要求。

（2）改變氨氮比、壁厚、以及布置層數可以繼續降低該系統的氨逃逸率，但總體上與（1）中的兩個參數的改變相比影響較小，且可調動范圍小，所以在范圍內選用幾個特定值進行正交分析得到符合性能要求的結構參數;改變催化劑截面積的布置形式對該系統的影響可以忽略，可用來減少長度，提高催化劑強度。

（3）綜上在兼顧催化劑有較高的強度下，優化催化劑結構參數為體積0.072m3、長度0.8m、孔密度35×35、氨氮比0.85、壁厚0.6mm、布置形式2×2、布置層數2層時，脫硝率為83%、氨逃逸率為12ppm，此時該SCR系統有滿足性能指標的催化轉換性能。

參考文獻

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