柴油機尾氣后處理混合器對NH3分布均勻性影響的研究

劉偉 田松

摘要：本文針對柴油機尾氣后處理系統(tǒng)相關內容展開分析，結合尾氣后處理混合器對NH3分布均勻性影響實驗，內容包括建立結構計算模型、進行模型參數(shù)設計、確定NH3均勻性評價指標、仿真實驗過程分析、實驗結果整理等，通過研究控制尿素噴入計量、加強催化器燃油檢查、擬定應急處理措施、做好日常養(yǎng)護工作等注意事項，其目的在于采集柴油機尾氣后處理混合器工作數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作活動的有序開展奠定基礎。

Abstract： This article analyzes the related content of diesel engine exhaust gas aftertreatment system， combined with the experiment on the influence of exhaust gas aftertreatment mixer on the uniformity of NH3 distribution. The content includes the establishment of structural calculation model， model parameter design， determination of NH3 uniformity evaluation index， and simulation experiment process Analysis and analysis of experimental results， etc.， through research on controlling urea injection metering， strengthening catalyst fuel inspection， formulating emergency treatment measures， and doing daily maintenance work. The purpose is to collect diesel engine exhaust gas after-treatment mixer work data for follow-up The orderly development of work activities lays the foundation.

關鍵詞：柴油機;計算模型;尾氣后處理混合器;仿真實驗

Key words： diesel engine;calculation model;exhaust gas aftertreatment mixer;simulation experiment

中圖分類號：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0013-02

0? 引言

柴油機作為機動車運行過程中的重要工具，加強尾氣處理工作也是設備工作期間需要重點關注的內容。從目前的應用情況來看，應用較多的后處理技術主要會將32.5%尿素水溶液來作為工作時的還原劑，隨后借助催化還原反應來達到清除污染物的目的。在系統(tǒng)工作期間，前端NH3和NOX混合分布的均勻性也會對系統(tǒng)轉化率帶來較大干擾，做好均勻分布影響數(shù)據(jù)的整理工作，能夠積累可靠的應用數(shù)據(jù)，找到系統(tǒng)工作時的平衡參數(shù)，這對于系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定提升也有著積極地促進作用。

1? 柴油機尾氣后處理系統(tǒng)相關內容概述

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(jù)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(jīng)過霧化、蒸發(fā)、熱解、水解最終生成NH3，進入SCR在催化劑的作用下經(jīng)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，具體反應過程如圖1所示。

SCR 催化器內的主要反應化學式如下：①4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O;②2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O;③4NH3+5O2→4NO+6H2O;④4NH3+4NO+3O2→4N2O+6H2O。其中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(yōu)先級要優(yōu)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(fā)生在高溫環(huán)境中，嚴重制約了NOX的轉化效率。

2? 尾氣后處理混合器對NH3分布均勻性影響分析

2.1 建立結構計算模型? 在對系統(tǒng)影響性進行綜合分析時，首要任務便是建立可靠的結構計算模型，以便其他參數(shù)的順利計算。在模型建立過程中，會借助Solidworks軟件來輔助系統(tǒng)結構的設計和建模，如圖2所示，利用軟件建立了比較典型的SCR 結構模型，據(jù)圖可以看出，由于空間上的限制導致入口水平煙道上具有單側擴張結構，同時，為引導煙氣在煙道與裝置內的均勻流動，系統(tǒng)內設計了多處導流板與均流格柵，這不利于噴氨格柵各支管與S-2上區(qū)域間對應關系的確定。針對煙道橫向與縱向方向上煙氣不均現(xiàn)象都需要進行噴氨量分布調整的情況，噴氨格柵結構一共有 24 根噴氨支管，分為 4 排6 列，即把入口煙道分成了24 個可以獨立控制噴氨量的區(qū)域，以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎需求。

并且在SCR 系統(tǒng)網(wǎng)格模型應用中，也會對其應用區(qū)域進行劃分，如劃分成尿素熱解區(qū)域、尾氣混合區(qū)域、催化反應區(qū)域等，根據(jù)區(qū)域來采集相關的數(shù)據(jù)信息，以滿足具體地應用需求。

2.2 進行模型參數(shù)設計? 在對模型參數(shù)進行優(yōu)化設計時，也需要按要求來完成模型參數(shù)設計工作。在具體的設計工作中，會在裝置內做好湍流內容的求解，并且在對其進行采用時，也需要借助控制方程、湍流模型來輔助參數(shù)設計活動的推進。為了方便理解湍流活動，可以將其看做是平流活動與脈動流動的疊加結果。并且在模型參數(shù)設計過程中，考慮到煙道內煙氣與NH3混合所存在的應用特性，因此在設計時也會融入組分模型，而催化劑也會使用多孔介質，這樣可以有效提升接觸面積，加快物質之間的反應速度。

2.3 確定NH3均勻性評價指標? 在對NH3均勻性評價指標進行梳理時，可以參考的應用模型為NH3均勻離散模型，從而獲取到可靠的評價指標，提升分析結果的準確性。借助該模型進行指標取用時，會在催化器前端的截面處沿著徑向的方向來篩選出n 個NH3的濃度監(jiān)測點，為了提升數(shù)據(jù)分析結果的準確性，需要適當提高n取值，以滿足實驗結果的相關要求。隨后基于催化器前端截面NH3濃度的具體離散程度展開分析，隨后也會對NH3與尾氣混合過程的參數(shù)展開量化處理，得到便于統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)信息。在對截面濃度進行計算時，可以使用到標準差計算公式，將涉及到的數(shù)據(jù)代入到公式當中，以提高分析結果的實用價值和可靠性。

2.4 實驗結果整理? 根據(jù)已經(jīng)得到的實驗數(shù)據(jù)可以了解到，NH3在系統(tǒng)內的分布情況、分布狀態(tài)和噴氨支管的相關參數(shù)之間存在較為明顯的差異性。在不同溫度的變化情況下，噴氨支管噴氨的濃度會以高濃度向著其他周圍進行擴散，造成此類情況出現(xiàn)主要原因在于管道內部擴散作用，使得混合氣體會沿著既定途徑展開分析。而且噴氨支管和出口監(jiān)測截面上所規(guī)劃的應用區(qū)域相互間保持著良好的應對關系，不過在該位置NH3濃度分布，從中心整體有了向上偏移的趨勢，并且在不同位置處出現(xiàn)了較大程度的偏移。導致上述情況的主要原因在于，在系統(tǒng)截面位置處，煙氣的平均速度分布特征處于不均衡分布狀態(tài)，所有氣體的流通速度保持在14～18m/s。在后續(xù)煙氣流通過程中，此類情況也得到了良好的應用處理，分布狀態(tài)也會逐漸趨向于均勻。

另外，在支管區(qū)域內，NH3濃度的擴散狀態(tài)也表現(xiàn)出了各向異性，導致此問題出現(xiàn)的主要原因在于，系統(tǒng)已有煙道和位于頂部的催化劑區(qū)域之間存在著90°拐角，這樣也造成該區(qū)域內的壓強相對較低，使得該區(qū)域內出現(xiàn)湍流混合的情況。而且靠近壁面的噴氨支管，其所在區(qū)域的分布也具備了比較典型的應用特征，即NH3濃度高的中心區(qū)域與壁面之間的距離相對較小，這也是因為該區(qū)域進行煙氣混合時，區(qū)域內煙氣會向周圍進行擴散，而壁面所帶來的阻擋作用，可以將此效應進行消除，從而造成了上述情況。

3? 柴油機尾氣后處理混合器應用時的注意事項

3.1 控制尿素噴入計量? 通過控制尿素噴入計量，能夠在確保系統(tǒng)穩(wěn)定反應的基礎上減少資源浪費，以加快相關反應活動的順利進行。從實踐情況來看，在具體管控環(huán)節(jié)中，主要采用精細化管控方式來對其進行處理，即將尿素噴入過程細分為若干環(huán)節(jié)，如液體注入、噴嘴角度設置等，結合仿真實驗來確定最為合適的應用參數(shù)，從而提升匹配參數(shù)的合規(guī)性，滿足后續(xù)的應用要求。同時在系統(tǒng)工作期間也需要做好參數(shù)監(jiān)控工作，利用傳感器對于相關參數(shù)進行采集，整理成比對曲線，根據(jù)反饋結果來調整設備參數(shù)，以確保系統(tǒng)工作處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 加強催化器燃油檢查? 通過加強催化器燃油檢查，可以維持催化器穩(wěn)定的工作狀態(tài)，滿足尾氣處理的相關要求。在具體實踐中，第一，明確規(guī)范的應用標準，結合以往的應用數(shù)據(jù)，對于催化器燃油管控標準進行梳理，隨后對其進行整理，以表格的形式來提升規(guī)范內容的直觀性，以便后續(xù)相關工作的順利進行。第二，做好燃油使用時的細節(jié)檢查，對于發(fā)現(xiàn)的問題進行及時處理，同時做好記錄工作，定期對于這些數(shù)據(jù)進行整理，據(jù)此來作為檢查體系完善時的參考數(shù)據(jù)，逐步提高檢查體系的使用價值。

3.3 擬定應急處理措施? 通過擬定應急處理措施，能夠將突發(fā)問題負面影響控制在合理范圍內，延長柴油機的使用壽命。在系統(tǒng)應用過程中，受到工作環(huán)境、工作負荷等因素影響，有時會突發(fā)一些故障問題，這些問題的出現(xiàn)也將直接影響到系統(tǒng)工作狀態(tài)，降低尾氣處理效率，帶來較為嚴重的環(huán)境污染。基于此，在突發(fā)此類故障時，也需要根據(jù)報警系統(tǒng)提示對其進行及時檢修，采用替換后檢修的方法來快速解決問題，隨后再對故障部位進行處理，從而提升應急處理結果的可靠性。

4? 結束語

綜上所述，控制尿素噴入計量，能夠在確保系統(tǒng)穩(wěn)定反應的基礎上減少資源浪費，加強催化器燃油檢查，可以維持催化器穩(wěn)定的工作狀態(tài)，擬定應急處理措施，能夠將突發(fā)問題負面影響控制在合理范圍內，做好日常養(yǎng)護工作，有利于系統(tǒng)工作狀態(tài)可靠性的提升。基于系統(tǒng)仿真實驗獲取到的相關數(shù)據(jù)，搭配合理地優(yōu)化措施，對于提升柴油器后處理系統(tǒng)工作效率，減少環(huán)境污染有著積極地意義。

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