柴油機尾氣后處理混合器對NH3分布均勻性影響的研究

閆安

摘要：本文研究混合器對NH3分布均勻性的影響，對提高NOx轉化率、降低排放污染物具有指導意義。文章通過CFD軟件對SCR后處理系統進行模擬仿真，改變變量波浪型混合器，進行不同排溫工況下模擬實驗。結果表明：加裝波浪型混合器可以有效改善NH3與尾氣混合的均勻性;加裝波浪型混合器相比不加裝混合器的SCR后處理系統NOx轉化率可有效提升5%左右。

關鍵詞：柴油機;SCR;混合器;均勻性

0 ?引言

截至2019年6月，全國汽車保有量達2.5億輛。隨著汽車工業的高速發展，機動車尾氣污染已經成為城市大氣污染的重要來源，尤其是柴油車尾氣污染更為嚴重。面對日益嚴峻的環境保護形勢，我國于2019年7月1日正式實施國六排放標準，相比國五排放標準增加了THC、NMHC、PN、N2O等污染物，NOx的排放限值較國五降低了66.6%。

目前減少尾氣氮氧化物最有效的后處理技術是以32.5%尿素水溶液為還原劑的選擇性催化還原（SCR），而SCR前端NH3和NOx混合分布的均勻性對NOx的轉化率有重要影響，混合不均造成的部分區域過濃或過稀，混合氣過濃會造成NH3泄露，過稀會造成SCR內部轉化效率降低。國內外研究證明混合氣長時間分布不均還會降低催化劑的使用壽命，造成排氣系統局部溫度過低產生結晶[1]。

本文提出通過在SCR前端加裝混合器的方式提高混合氣的均勻性，從而提高NOx轉化效率方案，利用CFD軟件建立尾氣后處理模型，通過數值分析模擬柴油機尾氣后處理的工作過程，利用模擬結果進行混合器的結構優化，對混合器的結構設計起到指導意義。

1 ?選擇性催化還原技術（SCR）

選擇性催化還原技術（SCR）的工作原理以32.5%的尿素水溶液為還原劑根據柴油機的運行工況通過計量泵向SCR前端噴射尿素水溶液，尿素水溶液經過霧化、蒸發、熱解、水解最終生成NH3，進入SCR在催化劑的作用下經過化學反應最終把尾氣中NOx污染物反應生成無毒無害的N2和H2O分子，Topsoe等人介紹了電子轉移反應的大致歷程如圖1所示。

1.1 SCR催化器內的主要反應化學式

①4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

②2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O

③4NH3+5O2→4NO+6H2O

④4NH3+4NO+3O2→4N2O+6H2O

①式稱為標準SCR反應是柴油機尾氣NO還原成N2最主要的反應過程，②式稱為快速SCR反應其優先級要優于標準SCR反應，尾氣中NO2主要通過此反應進行還原。③、④屬于SCR催化器內的副反應，主要發生在高溫環境中，嚴重制約了NOx的轉化效率[2]。

2 ?SCR系統數值模擬

2.1 SCR系統計算模型

利用Solidworks進行SCR系統的結構設計并建模，并導入CFD流體計算軟件進行網格劃分，圖2為所研究的SCR系統網格模型，主要包括尿素熱解、NH3與尾氣混合、NOx催化反應三部分，其中混合器部分為選裝部分[3]。

2.2 NH3均勻性評價指標

本文主要參考Hermam Weltens等人對NH3均勻離散性的評價方法進行研究[4]，在催化器前端的截面上沿徑向方向取n個NH3濃度測量點（n取值越大測量結果越精確），利用催化器前端截面NH3濃度的離散程度對NH3與尾氣混合的均勻性進行量化。截面濃度的標準差公式為，其中c表示該截面NH3平均濃度，ci截面中徑向上第i點的NH3濃度，σ的值越小表明NH3與尾氣混合的越均勻。

2.3 仿真實驗過程及結果分析

本文通過對混合器的選擇進行唯一變量仿真模擬，首先進行不加裝混合器的在仿真實驗，其變量為排氣溫度，模擬排氣溫度為200/280/350/400/450℃下NH3濃度分布的特征;加裝波浪狀混合器后進行同樣的仿真實驗，對比觀察NH3濃度分布的不同點[5]。選取典型工況下排氣溫度為350℃下SCR前端截面的NH3濃度分布如圖3所示。

由圖3可知SCR處理系統在加裝混合器后，其SCR前端的NH3濃度分布更加均勻，SCR入口處NH3與尾氣混合的越均勻，SCR內部的催化反應效率越高，本文通過五個不同溫度下的工況進行數值模擬，分別在加裝波浪型混合器與不加裝混合器的情況下進行仿真實驗，NOx的轉化效率如圖4所示，實驗表明柴油機尾氣后處理系統在加裝波浪型混合器的情況下其NOx的轉化效率可以有效提高5%左右。

3 ?結論

本文通過CFD軟件進行SCR后處理仿真實驗，通過改變混合器唯一變量，分析其對NH3與尾氣混合的均勻性和NOx轉化率的影響，主要結論如下：

①加裝波浪型混合器可以有效改善NH3與尾氣混合的均勻性;

②加裝波浪型混合器相比不加裝混合器的SCR后處理系統NOx轉化率可有效提升5%左右。

參考文獻：

[1]張東劍，馬其華，任洪娟，張璐璐.噴射參數對柴油機SCR內部NH3均勻性影響分析[J].汽車工程學報，2017，7（04）：299-305.

[2]陳鎮，陸國棟，趙彥光，胡靜，周小燕，帥石金.柴油機尿素SCR氨分布均勻性的試驗與模擬優化[J].車用發動機，2012（01）：41-45.

[3]Ingrit Castellanos.， Olivier Marie. An operando FT-IR study of the NOx SCR over Co-HFER and Fe-HFER using acetylene as a reducing agent[J]. Catalysis Today， 2016.

[4]Weltens， BresslerH， TerreH，etal. Optimization of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Prediction[C].SAE Paper930780，1993.

[5]周健，閻維平，石麗國，孔凡卓.SCR反應器入口段流場均勻性的數值模擬研究[J].熱力發電，2009，38（04）：22-25.