SCR系統內部通道結構的數值模擬研究

摘要：為了將選擇性催化還原（SCR）系統的內部通道性能進一步提升，采用計算流體動力學（CFD）方法建立了SCR系統的單通道模型。首先，通過將模擬預測結果與實驗實測數據進行詳盡對比，成功驗證了單通道模型的有效運作及其預測結果的準確性。其次，為了深入探究不同截面形狀對SCR系統性能的具體影響，在保持截面總面積一致的前提下，系統地改變了單通道的形狀，并分析了這些變化對關鍵性能指標——壓力損失、速度分布的均勻性以及氮氧化物（NOx）轉化效率的影響。實驗結果顯示，在相對較低的氣流速度條件下，采用三角形截面通道的SCR系統展現出了較高的NOx轉化效率。研究成果不僅揭示了不同截面形狀對SCR系統性能的多維度影響，還為進一步優化該系統的內部結構提供了寶貴的理論支撐與實踐指導，為未來的設計與應用奠定了堅實的基礎。

關鍵詞：單通道模型；轉化效率;性能仿真;SCR系統

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-08-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.010

1 前言

隨著全球經濟的快速發展和工業化進程的不斷推進，機械行業正朝著更加高效、節能和環保的方向邁進。柴油機因其優越的燃油經濟性、可靠性和長壽命，在機械自動化及船舶制造等領域得到了廣泛應用[1]。然而，柴油機的大量使用也帶來了嚴峻的環境問題，尤其是氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）的排放對人類生存環境和身體健康造成了嚴重危害[2]。

為了解決這一問題，研究人員在柴油機排放控制技術方面進行了多方面的改進。這些改進措施包括優化噴油系統、調整供油定時、改善進氣過濾和提升柴油質量等[3-4]。然而，對于那些仍然超出排放限制的情況，必須采用額外的后處理技術來進一步減少NOx排放量。在各類后處理方法當中，選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）因其高效的NOx減排能力[5]，已成為行業內研究和應用的焦點。

SCR技術的核心是催化轉化器，通過將氮氧化合物（NOx）轉化為無害的N2和H2O，有害氣體的排放顯著降低[6]。目前，催化轉化器主要分為蜂窩狀、平板狀和波紋狀三種結構類型[7]。不同的結構類型在性能和應用場景上各有優劣：蜂窩狀轉化器雖然具有良好的耐久性和抗腐蝕性，但容易出現堵塞；平板狀轉化器的氣流阻力較低，但催化劑的負載量有限[3]；而波紋狀轉化器則在低灰分環境下表現出色。由于催化轉化器內部結構對其性能的影響至關重要，研究不同通道結構的催化轉化器成為一個重要的研究課題。

廖承賢等[8]借助計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件建立了詳細的模擬模型，以評估不同催化劑結構對NOx減排效果的影響，得到了更高效的SCR系統。羅建斌等[9]提出了一種新型的六邊形截面催化劑通道設計，優化了氣體向催化劑表面的擴散并減少壓降。成靜怡等[10]模擬了不同的排氣條件，并對催化轉化器的性能進行分析。結果表明，優化催化轉化器的設計能夠有效提升NH3濃度的均勻性，有效降低柴油負荷對系統的影響。

研究還發現，催化轉化器的比表面積對NOx去除效率至關重要[11]。為了增加比表面積，通常會在催化劑上涂覆擁有高比表面積的材料。然而，運行過程中產生的高溫環境是一個潛在的風險因素，它有可能引發催化劑載體的燒結現象或相態轉變，這兩種情況都會直接導致催化劑的比表面積顯著減少。比表面積的降低會削弱催化劑的活性位點數量，從而降低其催化效率，影響整體反應的性能和效果。

目前，大多數研究集中在一維或二維模型上，但這些模型可能無法全面反映實際工況下的復雜性。有研究表明，與傳統的方形通道相比，非傳統通道形狀在脫氮效率方面可能具有優勢[5]。因此，本研究擬利用CFD軟件建立單通道的SCR系統反應動力學模型，旨在研究不同形狀通道對壓降、氨氣（NH3）轉化率以及NOx轉化效率的影響。通過這些研究，希望為NH3-SCR系統的優化和應用提供科學依據。

2 SCR催化器數值模型及驗證

SCR系統是當前減少柴油發動機尾氣中NOx排放的關鍵技術之一[5]。該系統的工作原理涉及尿素溶液的噴射與霧化、氣液混合，以及最終的催化反應等一系列復雜的化學和物理過程。在這些過程中，催化反應階段尤為重要，因為它直接決定了NOx的轉化效率和排放控制效果[12]。本文著重對這一反應階段進行深入研究，并通過CFD仿真軟件構建了一個精細的SCR系統數學模型[13]。

為了全面描述SCR系統的運行特性，所提出的數學模型涵蓋了多個關鍵方程和物理模型。首先，連續性方程用于描述流體密度隨時間和空間的變化，確保質量守恒。動量方程則通過描述流體的速度場變化，幫助預測氣體和液體在SCR系統中的流動行為。能量方程負責計算熱量的傳遞過程，特別是在尿素溶液和氣體混合時，反映出溫度對反應速率和效率的影響。

在流動特性的描述上，本文采用了層流模型，該模型適用于描述SCR系統內較低雷諾數下的流動特性[14]。在處理多相流動問題時，引入了離散相模型（DPM），該模型能夠模擬尿素溶液噴射后形成的液滴與氣流的交互作用。此外，為了準確描述SCR系統內的化學反應過程，本文引入了組分輸運模型和廣義有限速率反應模型。組分輸運模型用于描述各化學組分在系統中的擴散與對流過程，而廣義有限速率反應模型則通過詳細描述反應物和生成物的濃度變化，準確模擬出NOx在催化劑表面上的還原過程。

2.1 催化轉化器通道的設計

SCR催化反應器中包含許多平行排列的小通道，這些通道的長度遠大于其寬度，且催化反應段內部的通道數量較多。本文針對單個通道模型進行了仿真分析。當前工業應用中的SCR系統中，催化轉換器的通道形狀大多為方形。本文的單通道模型的長度選用300 mm，而一般的方形單通道的截面邊長為6 mm。本文在圖1中展示了選擇性催化還原系統的單通道結構。

在建立模型之前，本文對SCR反應器作出了一些合理的假設。首先，假設SCR反應器入口處的流場分布均勻，并將系統對環境的傳熱損失忽略。通過管道，排放的尾氣可以進入催化轉化器，隨后進入涂有催化劑的通道內部。在這些通道中，氨氣會吸附在催化劑涂層的活性表面，然后尾氣NOx在催化劑的作用下產生了還原反應，生成無害的N2和H2O，最終這些產物通過通道中的間隙擴散出去。

為了簡化模型并提高計算效率，本文作出了以下假設：

a.忽略整個通道內氣體在橫向的擴散。在噴射的過程中尿素會進行產生氨氣的熱解和尿素水解等化學反應，本文假設在對單個通道進行建模過程中不存在這些額外的反應。為了模擬噴射過程中的氨量，模型在入口處直接引入分布均勻的氨氣，從而簡化計算。

b.邊界條件的設定。本文采用均勻質量流入口或壓力入口，同時設置邊界條件，確保流體流動的均勻性。催化劑表面化學反應的計算采用Eley-Rideal機制，在該機制下反應發生在吸附物與氣相分子之間。根據柴油機的不同負荷條件，給出了相應的進氣溫度。假設催化劑在涂層表面均勻分布，因此，模型中將整個催化劑區域視為多孔介質處理。

c.忽略壁面熱輻射和外界環境溫度的影響。在建模過程中，本文假設壁面熱輻射和外界環境溫度對反應過程的影響可以忽略不計，從而簡化了熱量傳遞的計算。

2.2 有限化學反應速率模型

2.3 多孔介質模型

2.4 網格獨立性驗證

為了可以縮短運算周期并能有較大的精確度，本文對模型網格的獨立性做出了證明。本文將分別采用三個不同密度的網格，來觀察網格尺寸變化對催化劑在多孔介質中壓強損失的影響，并將模擬以計算區域中的流動情況與反應精確性等。本文模擬了SCR系統方形通道模型下的網絡獨立性。為了結果更符合一般情況，模擬實驗在25%負荷對獨立性結果進行了分析。由表2所示的結果顯示，粗網格與中網格的壓降差異為51.8 Pa，而細網格與中網格的壓降差異僅為5.4 Pa，說明中網格與細網格之間的計算結果已經非常接近。由于細網格計算復雜度較高，為了在保證計算精度的前提下進一步縮短計算時間，本文最終選擇了中等密度的網格進行后續的計算和仿真分析。這一選擇平衡了計算效率與結果精度，為研究提供了可靠的基礎數據支持。

2.5 驗證模型

為了驗證數值模的準確性，本文建立的SCR反應動力學仿真模型是一種方形通道，其截面邊長為6 mm。通過這一模型，我們驗證了仿真結果的可靠性，如表3所示。在模擬過程中，通過調整多孔介質模型中的阻力參數，對仿真結果進行了優化，以確保其與實驗結果高度一致。最終，實驗測量和仿真計算的壓力損失誤差保持在允許范圍內，驗證了模型的精度。因此，采用多孔介質模型來模擬實際流場被證明是一種可靠的方法，為進一步研究和優化SCR系統提供了堅實的基礎。

2.6 邊界條件和案例的設置

本文通過設置不同的負載條件（25%、50%、75%、100%）來探討SCR系統在不同情況下的反應特征。為了簡化模型，假設廢氣分布均勻進入，且溫度為600 K。此外，反應區域僅限于催化反應器內的多孔介質區域。

不失一般性的前提下，本文假設催化反應器的對流換熱系數為5 W/（m2·K），其內部為鋁制壁面，同時滿足邊界滑移速度為零、表面光滑即摩擦因數為零的條件。

此外，催化反應器出口處的邊界條件設定為出口壓力與大氣壓力相同，確保模型更接近實際工況。在SCR系統數值模擬時，本文采用了層流模型。不同工況下模擬結果如表4所示。

本文針對不同形狀的通道進行了研究，選擇了正四邊形、正五邊形、正六邊形、正七邊形、正八邊形和圓形6種形狀的通道作為研究案例，如表5所示。在確保每種通道截面積均為452 mm2的前提下，計算得出以下幾何參數：正四邊形的邊長為21.26 mm，正五邊形的邊長為16.17 mm，正六邊形的邊長為13.18 mm，正七邊形的邊長為11.02 mm，正八邊形的邊長為9.67 mm，圓形通道的半徑為11.99 mm，如圖2所示。

3 結果和討論

本文通過仿真模擬的方法，分析了不同內部通道形狀對SCR系統性能的影響。通過實驗模擬和數值分析，本文探討了多種通道形狀下的壓力損失、NO轉化效率以及流速分布均勻性，確定了最有效提升NO轉化效率的通道形狀，整個SCR系統的性能得到了優化。

更具體地，本文評估壓力損失的大小、NO轉化效率的優劣以及流速分布的均勻性，分析了不同通道形狀對SCR系統性能的影響。通過分析上述關鍵性能指標，本文給出了一般情況下的最佳通道設計方案。該方案在最大化NO的轉化效率的同時降低系統的總體壓力損失，保證了流速分布的均勻性，實現了更高的排放減少效率和更低的能耗水平。

3.1 壓力損失分析

催化反應器的壓力損失相對柴油機排氣系統壓力損失較小，一般約占柴油機排氣系統壓力損失的35%。而在本文的系統中，主要的壓力損失源自催化劑通道。因此，為了避免過高的排氣背壓對柴油機性能產生不利影響，本文在設計SCR系統時，考慮將壓力損失降低至足夠小。圖3展示了不同負載與總壓降的折線圖。

在100%負載條件下，通道形狀對SCR系統的壓力損失影響顯著。具體數據如下：Case 1（正方形通道）壓降為9768.24 Pa，Case 2（正五邊形通道）壓降為9 671.99 Pa，Case 3（正六邊形通道）壓降為9 752.74 Pa，Case 4（正七邊形通道）壓降為9 693.67 Pa，Case 5（正八邊形通道）壓降為9 690.54 Pa，而Case 6（圓形通道）壓降為10 770.33 Pa。其中，正七邊形通道的壓降最低，而圓形通道的壓力損失最高。

這些差異的主要原因在于尾氣在不同通道形狀中的擴散路徑差異。尾氣從通道中心到通道壁面的擴散距離對于不同的通道形狀并不相同，這直接影響了壓力損失。在低速工況下（12 m/s），6種通道的壓力損失差異較小，顯示出各通道形狀在低流速下的性能較為接近。然而，從實驗數據來看，壁面壓力的損失受尾氣流速影響較大。尾氣流速增加會導致通道壁面所受壓力不同，且各形狀的通道壓力差異較大。

結果表明，較小的壓力損失是催化劑設計的重要考慮因素。為了優化SCR系統的性能，應優先選擇能夠降低壓力損失的通道形狀。根據本次的研究成果，在相同條件下，正七邊形通道對最佳的壓力損失削弱效果最好，其次是正五邊形。

3.2 速度均勻性分析

為了衡量選定曲面上的速度分布均勻程度，本文引入速度均勻性系數。催化劑內的速度均勻性受壓降的變化影響。圖4展示了在100%負載條件下，不同形狀通道的速度云圖，以及它們在同一位置截面面積下的速度均勻性變化。

從圖4中可以看出，正方形通道這種幾何形狀對氣流順暢流動起阻礙作用。這些銳角可能會導致氣流在該區域內停滯，不利于氮氧化物的轉化。此外，直角邊若長時間使用極易產生結垢阻礙氣流流動，對SCR系統的使用壽命產生不利影響。因此，正方形通道雖然常見，但在實際應用中存在一定的局限性。

為了克服正方形通道的不足，本文選擇了正五邊形和正七邊形通道作為替代方案。通過對這些通道的速度云圖分析可以發現，正五邊形和正七邊形通道的速度分布更為均勻。這些通道形狀能有效改善尾氣在通道中的流動，減少了可能的堵塞問題，從而有助于提升SCR系統的化學反應效率和系統的整體性能。

此外，速度云圖還顯示了三角形通道的整體速度較低，伴隨較大的壓力損失。這表明，三角形通道可能在流量分布上存在不均勻性，導致較高的壓降和較低的反應效率。

在不同形狀的通道中，正三角形通道的速度分布表現出一些獨特的特點。具體來看，正三角形通道的氣流流動速度整體較低，而中心區域相比周圍氣流流動速度較快。這種現象是由于正三角形通道內的壓力損失較大，尾氣在通道內所受阻力加大，因此整體的速度變化較小。盡管如此，較小的速度變化為反應提供了充足的反應時間，從而有利于提高NO轉化效率。因此，盡管正三角形通道的整體流速較低，其NO轉化效率相對較高。

如圖5所示，通道尾氣流速的增加能逐漸提升速度均勻性。特別地，正六邊形通道在所有通道中表現出最好的速度均勻性，其速度均勻性系數達到0.74。正六邊形通道通過其結構上的優勢，改善了通道內的氣流分布，特別是相鄰的直角邊緣設計有助于提高速度均勻性。相較于其他形狀，正六邊形通道的速度均勻性更高，有效減少了流速的不均勻性，優化了催化反應的條件。

3.3 溫度變化

通常情況下，催化反應的速率和催化劑的活性受溫度影響大，當通道內的反應溫度提升時反應速率和催化劑活性也會有一定程度的提升。大量研究表明[14]，若選擇性催化還原系統中的NOx還原反應超出了合適的溫度區間，反應將不能有效進行，也就是說尾氣不能被處理。因此，了解不同進口速度下單通道內的溫度變化是至關重要的。關注單通道內的溫度的變化趨勢，直接影響NOx還原反應是否能有效進行，尾氣是否能被有效處理。

圖6展示了進口速度和進出口溫度差的對應關系。進口速度的增大，會對單通道進出口溫度差產生不同程度影響。根據圖中變化關系不難看出，總的SCR單通道系統內的溫差大于零，這表明SCR反應是一個放熱反應。分析結果顯示，隨著進口速度的增加，溫度差也在增大。也就是說，低速范圍內，反應系統溫度損失反而越大。相反，隨著速度的提高，通道內壁面溫度損失逐漸減少。

具體而言，不同通道形狀的壁面溫度損失表現出顯著差異。通過對比不同案例，可以得出壁面溫度損失最高的為正四邊形，損失最小的是正五邊形。在相同表面積下，通道的周長較長，相對來說就會有更多的熱量會從通道壁面處流失。也正是由于正四方形通道相較其他通道形狀有著更長的周長。

相比之下，正五邊形和正七邊形通道在減少壁面溫度損失方面表現優越。這意味著，這些通道形狀能更有效地保持內部溫度，有助于促進脫硝反應的進行，從而提高SCR系統的整體性能。

3.4 SCR系統的NO轉化效率

在不同負載條件下，SCR系統不同類型形狀的單通道NO轉化效率存在較大的差異，具體如圖7所示。不難理解，尾氣進入系統的速度越大，尾氣充分反應的時間越短，反應越不徹底，也就意味著NO轉化效率越小。具體來說，負載條件為25%時，6種不同形狀通道的NO轉化效率分別為：Case 1（正方形）78.42%、Case 2（正五邊形）75.49%、Case 3（正六邊形）78.31%、Case 4（正七邊形）79.51%、Case 5（正八邊形）76.97%、Case 6（圓形）77.66%。

實驗結果顯示，入口速度與NO轉化效率成反比，尾氣在系統進口處的速度越大，NO轉化效率越小。這是因為高速度下反應時間縮短，使得氣體與催化劑的接觸時間不足，從而降低了轉化效率。在所有負載條件下，相同截面面積下的不同通道形狀對NO轉化效率的影響有所不同。具體分析如下：

反應通道截面面積相同時廢氣轉化率與截面周長成正比，即截面的周長越長，單通道的壁面面積越大。當壁面面積變大，氣流與催化劑的接觸面積更大，廢氣轉化率會相應的提高。正四邊形通道的截面周長最長，因此在一定程度上，其NO轉化效率也較高。然而，實際測試結果中，正四邊形通道的轉化效率并不是最高，這表明雖然壁面面積較大，但其他因素如流動分布和溫度均勻性等也對轉化效率有重要影響。

在12 m/s的進口速度下，正三角形通道表現出最佳的NO轉化率。這可能是因為正三角形通道的壁面溫度損失較小，同時提供了相對較長的反應時間。與其他通道形狀相比，正八邊形通道的NO轉化效率較低。這可能是由于其復雜的形狀導致的氣流分布不均勻。

正五邊形和正七邊形通道在轉化效率方面表現良好，特別是正七邊形通道在各個負載下的轉化效率較高。正五邊形和正七邊形的設計能夠在保證較高的壁面面積的同時，優化流速分布，減少堵塞現象。本文將進口速度從初速度13.2 m/s增加到44.3 m/s后發現正方形通道的NO轉化率下降了15.41%。這意味著，轉化效率受流速的影響較大，兩者成反比例關系。優化通道設計以應對不同速度條件下的性能變化是提升SCR系統效率的關鍵。

當廢氣中同時存在NO、NO?和NH?時，標準SCR反應與快速SCR反應在催化劑的第一層展開競爭。這種競爭會顯著影響催化反應的效率。

以下是對不同通道形狀在此條件下的催化轉化效率進行分析。在低空速條件下，通道形狀對催化轉化效率的影響更為明顯。這是因為在低空速下，氣體在通道內的流速較慢，催化劑表面的反應時間較長，因此通道形狀對氣流分布和催化劑接觸程度的影響變得更為重要。不同的通道形狀可能導致氣流在催化劑表面的分布不均勻，從而影響NO和NH?的轉化效率。隨著入口氣體速度的增加，氣體在通道中的停留時間減少，反應時間縮短，此時通道形狀對催化轉化效率的影響變小。在高空速條件下，流速增加導致氣體通過催化劑的時間縮短，整體轉化效率主要由催化劑表面的反應速率決定，而通道形狀的影響相對減弱。

從圖8可以看出，在接近壁面的催化劑具有較好的轉化效率。因為在接近壁面的區域當中，氣流的流動速度相對較低，尾氣與催化劑的反應時間較長，從而提高了轉化率。氣流流動速率較低的區域反應充分進行，殘余廢氣中NO的含量得以減少。在通道內接近壁面的區域，由于氣流速度較低，這些區域的催化劑能夠更加充分地參與反應，從而提高了整體的轉化效率。與通道中心區域相比，壁面區域的催化劑可能會因流速較低而減少催化劑的反應負荷。

3.5 SCR系統的NH3的轉化效率

在SCR系統中，NOx的轉化效率和氨氣的轉化效率是關鍵的性能指標。根據圖8，以下是不同速度進口條件下氨氣轉化效率的分析。在不同通道形狀中，Case 6（正三角形）顯示出最高的氨氣轉化效率。這是因為正三角形通道在設計上允許氣流更加均勻地分布，且通道內的溫度相對均勻，有利于提高氨氣的氧化速率。Case 3（橢圓形）在氨氣轉化效率方面表現最差。這可能是由于橢圓形通道的流動特性導致了較大的局部流速變化，影響了氨氣的有效氧化。氨氣的轉化效率通常高于NO的轉化效率。這是因為在SCR系統中，氨氣的轉化反應通常會伴隨較高的溫度，提升了反應速率。隨著催化反應進行，溫度升高促進了氨氣的進一步氧化，從而提高了其轉化效率。催化反應過程中產生的熱量會導致通道內的溫度升高。溫度升高有利于氨氣的氧化反應，因此在高溫條件下，氨氣的轉化效率通常會更高。對于不同的通道形狀，這種溫度升高的效應可能會有所不同，但總體趨勢是，通道內的高溫能有效提高氨氣的轉化效率。

4 結語

本文討論了SCR系統中不同通道形狀對系統性能的影響，旨在提高NOx和NH3的轉化效率，同時降低壓力損失并改善流速的均勻性。相關的成果歸結如下：

a.在100%負載條件時，正七邊形通道的壓力損失最小，而圓形通道的壓力損失最大，顯示出通道形狀對流動阻力的顯著影響。正七邊形通道在降低壓力損失方面效果最佳。隨著流速增加，壓力損失差異加大，表明流速對壓力損失影響顯著。合理選擇通道形狀可以有效減少壓力損失，提升系統性能。

b.正六邊形通道在速度均勻性方面表現最佳，優化通道形狀能夠顯著提升流速均勻性，從而提高NOx轉化效率。雖然正三角形通道的速度均勻性較差，但仍能有效促進氮氧化物的轉化。

c.不同通道形狀對溫度分布的影響明顯。正四邊形通道的溫度損失較大，而正五邊形和正七邊形通道則能更好地減少溫度損失，提高催化反應效率。

d.氨氣轉化效率最高的形狀是正三角形通道，正三角形通道有利于促進氨氣的氧化反應，而橢圓形通道的氨氣轉化效率最低。通常，氨氣的轉化效率高于NO，這與催化反應的溫度效應密切相關。

總的來說，降低壓力損失方面最為優異的是正七邊形通道，而正三角形通道則在氨氣轉化效率上表現最佳。實驗證明了通道設計對SCR系統的整體性能有顯著影響，在實際生產中合理選擇通道形狀和優化設計參數是提升SCR系統性能的關鍵。因此本文的研究對生產實踐具有一定的指導作用，存在一定的實際意義。

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作者簡介：

許德衡，男，1994年生，助教，研究方向為汽車空氣動力學、特種車加工技術。