船舶柴油機SCR反應器的數值模擬

李尊民 趙志強 翟偉 巴忠峰

摘 要：隨著國際海事組織對船舶柴油機尾氣排放的嚴格限制，選擇性催化還原技術（selective catalytic reduction，SCR）成為船舶脫硝的必然選擇。本文通過建立SCR反應器的三維數值模型，對反應器脫硝性能進行了模擬，并與試驗數據進行對比，數值模擬結果與試驗結果具有較好的一致性。在此基礎上，該模型研究了排氣溫度、氨氮比、空速對氮氧化物轉化率的影響，為SCR反應器工作效率的提高提供了有價值的參考。

關鍵詞：氮氧化物;船舶SCR反應器;數值模擬

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0111-04

隨著世界經濟全球化進一步深度融合，航運業的重要地位越來越凸顯，但是船舶柴油機所帶來的環境污染也日益嚴重。其中，船舶尾氣NOx的排放含量占到全球NOx排放量的15%左右，NOx會引起光化學煙霧、溫室效應、酸雨等，這給環境帶來了巨大的危害，因此，減少船舶NOx的排放迫在眉睫。

國際海事組織為了限制船舶尾氣中NOx的排放，制定了嚴格的排放標準，規定自2016年1月1日起，在NOx排放控制區實行TierⅢ標準[1]，這與TierⅠ標準相比，NOx排放量下降了80%。為了滿足如此嚴格的排放要求，各柴油機制造廠商、研究機構等對船舶柴油機尾氣脫硝技術展開了積極的研究，如廢氣再循環、SCR技術等，其中SCR技術是被公認為最經濟、最穩定、應用最廣、能夠滿足TierⅢ排放標準的處理技術[2]。

本文以船舶柴油機SCR系統為研究對象，運用COMSOL軟件，對柴油機SCR系統反應器進行數值模擬，并與試驗結果[3]進行了比較，分析溫度、氨氮比、空速等因素對系統工作效率的影響，為SCR系統的優化提供了參考。

1 SCR系統工作原理

船舶SCR系統運行時將還原劑（大多為尿素水溶液）噴入柴油機排煙管中，在催化劑的作用下，尾氣中的NOx與還原劑發生化學反應，分解為對環境無害的N2與H2O[4]。船舶尾氣NOx成分主要是NO，所占比例達到90%以上，所以SCR反應器內主要發生以下化學反應：

式中，k為化學反應的速率常數1/s;c為氣體的濃度mol/m3;A為反應的指前因子;E為反應活化能J/mol;Rg為摩爾氣體常量。

2 SCR系統反應器模型建立

2.1單通道反應模型

SCR系統實際工作過程中，柴油機尾氣通過蜂窩狀的催化劑，在眾多的反應通道中與還原劑有選擇性地發生化學反應。這些單元通道中，涉及著化學反應、流體流動、熱量傳遞、質量傳遞等過程，因此，對單通道脫硝過程進行評價是分析整個SCR反應器的基礎。本文選擇建立單通道反應模型進行數值模擬，提高了計算效率。

單通道模型選擇了船舶SCR系統常用的V2O5/TIO2催化劑，其在250～400 ℃溫度范圍內，主要以主反應（1）與副反應（2）為主，所以，在化學模型建立時主要考慮反應（1）、（2）。所選取的單通道幾何模型及柴油機的尾氣參數來自參考文獻[3]的試驗臺實驗數據。

2.2 基本控制方程

SCR系統單通道內的反應過程及流動為穩態，本文建立了穩態條件下的反應模型，模擬過程中涵蓋了質量傳遞方程、能量傳遞方程和流體流動的控制方程等基本控制方程。

單通道內的質量傳遞方程為：

式中，Ri為組分i對應的反應速率mol/（m3·s），Di為組分i對應的擴散系數m2/s，u為速度m/s，ci為物質濃度mol/m3。

流體流動控制方程為：

穩態情況下，熱量傳遞的控制方程為：

式中，ρf為流體密度kg/m3，Cpf為流體熱容J/（kg·K），u為速度m/s，keq為等效熱導率W/（m·K），Q為熱源W/m3。

3數值模擬及結果分析

3.1模型驗證

本文以NOx轉化效率為這一最重要的指標來衡量SCR反應器的工作性能，轉化率表達式為：

式中，為柴油機尾氣中NOx的轉化效率，CNOx，in為反應器入口處NOx的濃度，CNOx，out為反應器出口處NOx的濃度。

根據文獻[3]試驗臺結構參數及試驗數據通過COMSOL軟件建立SCR反應器模型，模擬反應器在不同排氣溫度條件下的脫硝效率：

模擬結果與試驗結果對比如圖2所示：

由圖2可以看出，在450k～660K溫度區間內，試驗臺數據與模擬數據隨著溫度的提升，脫硝效率先增加然后降低，轉化效率曲線變化趨勢基本一致，平均相對誤差低于10%，吻合度較高，模擬結果與試驗結果達到了較好的一致性，因此，仿真模型具有可行性。但由于模擬過程做了適當的合理簡化，如假設還原劑與柴油機尾氣混合充分;反應器與外界無熱量交換;反應過程只考慮了主要反應和主要副反應等，使實際反應過程趨于理想，因此模擬數據最高脫硝率高于試驗值，整體仍然存在一定的偏差。

3.2 NOx轉化效率的影響因素分析

3.2.1 溫度對脫硝性能的影響

柴油機的排氣溫度對SCR系統的NOx轉化效率有著較大的影響，溫度過低，化學反應速率低;溫度過高，將會造成催化劑的熱失效及還原劑的氧化[5]，同樣會造成工作效率的降低，因此，保持SCR系統在適宜的溫度范圍內運行至關重要。由圖2可以看出，450K～660K范圍內，脫硝效率先增后減;這是因為低溫狀態下，催化劑活性不高，隨著溫度的提升，化學反應的反應速率升高，550K～600K溫度范圍內NOx轉化效率較高，維持在80%左右;隨著溫度的繼續增加，脫硝效率反而下降，這是因為在高溫狀態下，脫硝反應速率升高，還原劑的氧化反應速率同樣也在升高，造成了還原劑消耗增加，整體工作效率下降。

3.2.2氨氮比對脫硝性能的影響

還原劑NH3含量過少時，NOx脫除反應不完全，脫硝效率低，若NH3含量過高，雖然會保證脫硝效率，但會造成NH3的泄漏，污染環境和增加物料成本。因此，氨氮比也是衡量SCR系統的一個重要指標，圖為溫度583K條件下，不同氨氮比的脫硝效率及氨逃逸率：

由圖3可知，隨著還原劑數量的增加，NOx轉化效率呈上升的趨勢，當氨氮比為0.7～1范圍內，脫硝效率上升明顯，氨氮比大于1時，脫硝效率上升速率相對平緩。這是因為在理論上NH3與NO的反應計量比為1，所以氨氮比小于1時，還原劑含量不足，隨著還原劑含量的增加，脫硝效率會明顯升高;當氨氮比大于1時，隨著還原劑的增加，脫硝效率增速減緩，這是因為還原劑含量已經達到需求量，部分還原劑并未參加化學反應就被移出SCR系統，因此，在氨氮比大于1.1時，脫硝效率增加緩慢，氨逃逸率卻顯著增加;當氨氮比小于1時，氨的逃逸率維持在10ppm以下，當氨氮比為1.2時，氨逃逸率達到了47.8ppm，更多的還原劑未參加脫硝反應，造成了對環境的二次污染，因此氨氮比為1～1.1為合適的氨氮比范圍。本文中，模擬過程所選取的氨氮比數值為1。

3.2.3空速對脫硝性能的影響

空速（space velocity）為空間速度的簡稱，它是排氣流量與反應催化劑體積的比值，反映了尾氣在催化劑內停留時間的長短，即NOx與催化劑接觸時間的長短，進而影響到NOx的脫除效率。下圖為溫度583K，氨氮比為1時不同空速條件下NOx轉化效率的關系圖：

由圖4可知，空速在10000h-1至20000h-1范圍內，隨著空速的逐漸增加，NOx轉化效率逐漸降低，這是由于空間速度大，排氣在反應器內停留時間短，NOx與催化劑接觸時間短，導致脫硝化學反應不夠完全，進而降低了NOx的脫除效率。

4結論

（1）依據某船舶柴油機尾氣排放數據及SCR機構參數建立了SCR單通道反應模型，模型考慮了化學反應、傳熱、傳質等多物理場的耦合。通過模擬計算，得到的模擬結果與試驗數據具有較高的吻合度，對模型的可靠性進行了驗證，這表明所建模型能夠反映出SCR反應器內部的物理化學過程，通過模擬，可以對SCR系統不同工況進行研究。在此基礎上，本文分析了各因素對NOx轉化效率的影響。

（2）溫度是影響SCR系統工作性能的重要指標，在450K～660K溫度范圍內，NOx的轉換效率呈拋物線趨勢變化。溫度低于550K時，隨著溫度增加，催化劑活性不斷增加，NOx的轉化率也逐漸升高;但溫度高于550K時，由于副反應反應速率的增加，導致NOx的轉化效率有所降低。由模擬結果得知，550K～600K為適宜溫度區間，此溫度范圍內可保持較高的NOx轉化效率。

（3）隨著氨氮比的增加確實可以提高SCR系統的工作效率，但是過高的氨氮比易造成環境的污染和還原劑的浪費，當氨氮比范圍在1～1.1區間時，既可以保證脫硝的高效率，又不會造成過多的氨泄漏。

（4）空速對NOx的轉化效率有著顯著的影響，隨著空速的增加，在10000h-1至20000h-1范圍內脫硝效率逐漸降低。

參考文獻：

[1]馮兆緣，馮先忍，周密，等.船用中速柴油機排氣 SCR? ? 凈化消聲器的聯合仿真分析[J].船舶工程，2019，41（1）： 79-82.

[2] Mathias Magnussona， Erik Fridell， Hanna H. Ingelsten. The Influence of Sulfur Dioxide and Water on the Performance of a Marine SCR Catalyst[J]. Applied Catalysis B： Environmental， 2012， 111-112： 20-26.

[3]高子朋.船舶柴油機SCR系統尿素噴射控制策略研? 究[D].大連：大連海事大學，2016.

[4]周響球，楊晨.選擇性催化還原脫硝反應器數學模型及仿真[J].重慶大學學報，2007，30（6）：39-42.

[5]溫海濤.船舶選擇性催化還原（SCR）系統[J].中國水運，2017，17（2）：78-80.