柴油机选择性催化还原后处理系统的数值模拟

陈代金，郑明刚，许伯彦，张现成

(1.山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101;2.山东建筑大学机电工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

车用重型柴油机尾气中的颗粒物(PM)和氮氧化物(NOx)已成为城市空气的主要污染源。国Ⅲ以前的排放标准可通过优化柴油机燃烧系统来实现，但国Ⅳ及其以上排放标准仅依靠合理的组织燃烧过程等机内净化措施已经无法满足。欧洲已在2008年10月开始实施欧Ⅴ标准，我国北京、上海等城市以已举行奥运会为契机，已于2008年开始在实施国Ⅳ标准，但2013年7月在全国将全面实施国Ⅳ标准。而使用排气后处理技术是目前国际上减少PM、NOx排放最有效的手段，已成为各国柴油机研究的热点，所形成的产业正在欧美日等国蓬勃兴起，我国也开展了相应的研究。其中，采用32.5%尿素水溶液作为还原剂的选择性催化还原(SCR)技术能够有效降低柴油发动机尾气氮氧化物(NOx)的排放[1]，在我国尿素－SCR技术以其抗硫性能好，被认为是重型柴油机最可行的NOx排放控制后处理技术[2]。本文应用AVL-FIRE(V2008)通用CFD软件，根据Eley－Rideal机理对以32.5%尿素水为还原剂为柴油机的选择性催化还原系统进行了数值建模[3，4]。在验证了计算模型可行性的基础上，数值解析了不同尿素水的添加方案对NOx还原效率的影响等，其结果对优化设计柴油机选择性催化还原后处理装置提供了理论依据。

1 欧洲的Urea(尿素)－SCR系统

1.1 尿素－SCR的工作原理

尿素选择性催化还原使用的还原剂是含有32.5%尿素的水溶液[5]，利用燃料供给装置将尿素水溶液与发动机尾气进行混合，尿素水溶液在高温废气中转化为氨气，在催化剂的作用下把废气中的NOx还原为N2和H2O，这样达到了降低NOx的目的。图1为简化的SCR催化器系统结构图，32.5%的尿素水溶液被喷入到排气管内部后的主要反应过程如下[6]:

①排气管和SCR催化器内的反应过程

尿素水溶液在高温废气中(温度高于300℃)结晶为尿素固体颗粒;尿素热解反应为等物质的量的异氰酸(HNCO)与氨气;异氰酸接着水解为等物质的量的二氧化碳与氨气。SCR的催化剂对反应过程(2)起到催化进行作用，能够促进异氰酸的继续水解过程。

②SCR催化器内的反应过程

图1 简化的尿素－SCR系统尺寸示意图

1.2 尿素－SCR的试验

对Cummins ISBe140型柴油机在转速1800r/min时进行了发动机台架试验，测定了在不同负荷工况下的试验数据如表1，它为数值模拟的进行提供了初始边界条件。

表1 发动机稳定工况试验数据

2 SCR系统CFD模型建立与验证

2.1 网格模型的建立

SCR催化器CFD模型的建立:首先利用三维造型软件Pro/E根据由表1得到的测试发动机的排气数据，过稀的混合气使NOx转化效率降低，故研究建立了稀燃NOx催化器系统的几何模型，并以STL文件格式输出;然后利用FIRE的网格生成器生成网格。如图2所示。

图2 催化器ProE三维几何模型

2.2 计算模型及边界初始条件

数值模拟涉及到气流传送、喷雾、催化剂多孔结构、气象反应与催化反应体系，所以耦合了fire中的五种模型，包括物质输运模型、喷雾模型、多孔介质模型、气相反应模型与催化反应模型[7]。在模拟计算过程中为了研究温度的影响，选取四个工况点有代表性的示如表1，对于进口边界采用给定质量流量的方式，以便于边界条件的输入，对于湍流参数设定将5%进口平均速度的平方设为湍动能值，特征长度值设定进口直径的10%[8];出口边界条件参数设为静压，压力为1.01MPa;壁面边界条件参数的设置均相同，其速度分量均是0。模拟中进口各组分浓度的设定，均根据发动机台架试验测量值进行[9]。对于尿素还原剂的喷射，通过化学反应的理论比值，按照其与尾气中NOx的物质的量比值为1.2∶1进行[10]。

2.3 模型的可行性验证

为了检验 SCR催化器化学动力学模型 ，通过发动机台架试验进行试验验证，实验条件在表1中明示，模拟结果和试验结果对比曲线如图3所示。由图3可知模拟得到的转化效率要高于实际的试验结果，这是因为模拟中考虑的是一种理想状态时的化学反应，这与预测的结果相吻合，但总体上来看二者的变化趋势是一致的，模拟结果与试验结果有很好的一致性，可以有效地对实际结果进行预测。

图3 模拟结果和试验结果对比

3 三维模拟结果及分析

表2 尿素添加方案

图4 不同尿素喷射方案的液滴分布

针对如表2所示的4种尿素的添加方案，从喷嘴的型号、喷射方向、喷孔数目对柴油机NOx催化器还原剂尿素与所排废气的混合过程进行计算模拟，通过考察4种不同方案下催化器内部NH3的浓度分布，研究了喷射方向和喷油器形式等因素对还原剂浓度分布产生的影响。

图5 不同方案下还原剂NH3浓度分布

通过比较方案1和方案2的喷雾液滴分布，可以看出，不同孔数的喷射可以得出不同还原剂分布范围，6孔喷油器比4孔得到的还原剂分布范围更大更均匀。

通过比较方案1和方案3的喷雾液滴分布，可以发现，对于两种尿素喷射方式，沿着排气管中心线方向喷射情况下还原剂浓度的分布均匀性要比垂直排气管壁方向情况下好很多。方案3中还原剂的分布不够均匀，其只在下半圆内分布，另外半圆分布很少。

通过比较方案1和方案4的喷雾液滴分布，可以看出两种不同的喷油器各有优缺点，孔式喷油器的优点在于它能将还原剂分散到更大的区域范围。方案1中截面靠近管壁处的边缘一带存在浓稀交错的区域，而方案4中还原剂浓度的分布区域接近同心圆的形状。可以看出，轴针式喷油器的圆周方向分布均匀性更好，这点是轴针式喷油器的优势所在。

4 结论

(1)对于尿素－SCR系统的研究表明，在稳态工况下，NOx的转化与催化剂的温度相关，温度越高催化剂的性能越好，转化率越高。

(2)尿素喷射方向的比较，尿素沿着排气管中心线逆向喷射情况下要比垂直排气管壁方向情况下获得更为均匀的还原剂分布，并且6孔要比4孔更优。

(3)尿素喷射喷嘴形式的比较:孔式尿素喷射能将还原剂在催化器内分散到更大更广的区域范围，轴针式尿素喷射可以得到更好的圆周方向分布，两者各有特点，但转化率上前者要优于后者。

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