柴油機(jī)SCR系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)研究

吳秀銅

摘要：文章運(yùn)用了數(shù)值模擬的方式對(duì)影響SCR催化器轉(zhuǎn)化效率的部分參數(shù)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：SCR催化器最佳反應(yīng)溫度范圍在180～560℃，不同尿素噴射量對(duì)轉(zhuǎn)化效率有一定的影響，過少或過多尿素噴射量都會(huì)造成二次污染。安裝混合器后轉(zhuǎn)化效率均有10%左右的提高。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);轉(zhuǎn)化效率;混合器

Abstract： The article uses numerical simulation to simulate some parameters that affect the conversion efficiency of the SCR catalytic converter， and verifies the accuracy of the model.The optimal reaction temperature range of SCR catalyst is 180～560℃. Different urea injection quantity has certain influence on conversion efficiency. Too little or too much urea injection will cause secondary pollution. After installing the mixer， the conversion efficiency is increased by about 10%.

Key words： duty diesel engine;conversion efficiency;mixer

0? 引言

為了保護(hù)環(huán)境，通過制定相應(yīng)嚴(yán)格的排放法規(guī)對(duì)污染物進(jìn)行控制。如何有效地降低NOX排放是當(dāng)前柴油機(jī)研究者所面臨最嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1]。

尿素選擇性催化還原技術(shù)（Urea selective catalytic reduction，Urea-SCR）是當(dāng)今世界公認(rèn)降低NOX排放最有效的技術(shù)之一[2]。文章通過數(shù)值模擬方式對(duì)SCR催化器的溫度、尿素噴射量及按照混合器對(duì)NOX轉(zhuǎn)化效率的影響因素進(jìn)行探究。

1? 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

SCR內(nèi)部有很復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，主要包括尿素?zé)峤狻⑺夥磻?yīng)，NOX的催化還原反應(yīng)等[3]：

在AVL BOOST軟件中建立的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型采用的是Eley-Rideal機(jī)理描述各反應(yīng)的反應(yīng)速率[4]。

2? 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取特定的工況下，保持空速在40000h-1左右，在操作臺(tái)架上調(diào)整轉(zhuǎn)速和油門，使SCR入口溫度達(dá)到180℃，用設(shè)備記錄下原排，等到溫度穩(wěn)定后開始噴射尿素，直到氨泄漏量達(dá)到10ppm，用設(shè)備記錄下現(xiàn)在的尾排及各項(xiàng)數(shù)據(jù)[5]。再次調(diào)整轉(zhuǎn)速和油門，使SCR入口溫度達(dá)到200℃，重復(fù)以上的試驗(yàn)步驟，依次類推，SCR入口溫度每20℃的增幅逐漸升高至580℃，分別記錄下試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)果[6]。如圖1所示。可得模型準(zhǔn)確性。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 排氣溫度的影響

尿素在低溫情況下不能充分的水解、熱解以及噴霧霧化質(zhì)量較差，不能充分形成還原性的NH3[7]，造成了效率很低。圖2所示，到180℃的時(shí)候，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到95%。在300～400℃的時(shí)候效率大約下降了2%，這是因?yàn)橐ＷCSCR入口溫度為一定的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化導(dǎo)致的，但這對(duì)轉(zhuǎn)化效率影響不大。排溫超過560℃時(shí)，轉(zhuǎn)化效率有所下降，因?yàn)镹H3對(duì)O2的選擇性突然升高，使大部分NH3與O2發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率的降低[8]。

3.2 尿素噴射量的影響

過少或者過多的尿素噴射量會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，所以控制尿素噴射量的大小對(duì)NOX轉(zhuǎn)化效率影響非常重要[9]。從圖3可以看出隨著尿素噴射量的增加，轉(zhuǎn)化效率增加，到達(dá)一定值后，繼續(xù)增加尿素噴射量轉(zhuǎn)化效率保持不變，反而會(huì)造成NH3過量泄漏[10]。這是因?yàn)榧訃娔蛩亓烤鸵黾訃娚鋾r(shí)間，那么后期噴射尿素生成的NH3與NOX作用時(shí)間會(huì)越來越短，結(jié)果轉(zhuǎn)化率下降[11]。

3.3 混合器的影響

為了降低結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，在噴嘴和催化劑之間安裝混合器裝置[12]，如圖4所示。混合器主要作用有：使尿素水溶液在進(jìn)入催化器前加速熱解和水解與尾氣充分混合，提高混合均勻性，從而提高SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率[13]。如圖5所示，安裝混合器后轉(zhuǎn)化效率均有10%左右的提高。

4? 結(jié)論

①催化器最佳反應(yīng)溫度區(qū)間為180～560℃，溫度過高或過低轉(zhuǎn)化效率會(huì)降低。

②轉(zhuǎn)化效率先隨著尿素噴射量增加而先增加，然后保持不變，但是會(huì)導(dǎo)致NH3泄漏。

③催化器在安裝混合器后均有10%左右的效率提高。

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