船用柴油机Urea-SCR系统喷雾特性试验研究

马哲树，刘吉财，刘少俊，陈苏蓉，侯小宇

(江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

船用柴油机Urea-SCR系统喷雾特性试验研究

马哲树，刘吉财，刘少俊，陈苏蓉，侯小宇

(江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

针对某型柴油机满足IMO Tier III标准的要求，设计了两种(内混式和外混式)双流体喷嘴，并自行搭建了喷嘴雾化性能的试验台.对内混式和外混式两种喷嘴在不同的气体压力、液体流量、喷孔数量下的雾化特性进行了大量的试验研究.结果表明:随着气体压力的增大，雾化均匀性变差，当气体压力在0.3～0.4 MPa时，雾化均匀性最好;随着被雾化液体流量的增加，雾化的分布更加均匀;当喷孔数目为4个时，喷雾分布均匀性最好.综合两种双流体喷嘴的雾化特性，外混式双流体喷嘴的雾化锥角更大，雾炬更饱满.

船用柴油机;SCR;双流体喷嘴;雾化

为了达到Tier III的排放标准［1］，世界上许多国家都在研究NOX排放的控制技术［2］，如代用燃料、进气加湿、改进喷油器结构、废气再循环、非选择性催化还原(NSCR)以及选择性催化还原(SCR).研究发现，SCR技术是目前唯一能够满足Tier III标准的潜在技术［3］.

SCR系统结构主要由喷射系统、催化反应系统及控制系统构成［4］.喷射系统决定着整个SCR系统的效率，喷入的尿素溶液雾化程度越好，反应越充分，降低NOX的效果越好.因此，喷射系统是整个SCR系统的核心，而喷嘴是其喷射系统的关键部件，决定了雾化效果的好坏.文献［5］中针对Urea-SCR系统的NOX转化效率容易受到排气温度的影响开发了一种新型的带有电加热装置的尿素喷射装置，提高了低排气温度下Urea的分解效率.试验结果表明，在200℃的排气温度下NOX的转化效率依然接近100%.文献［6］中通过CFD模拟还原剂与排气的混合特性，优化了还原剂浓度的分布，从而实现了对Urea-SCR系统的优化设计.文献［7］中对重型柴油机Urea-SCR系统内部的尿素蒸发、热解及水解过程进行了CFD模拟，模拟中主要考虑了多相流模型和催化还原反应模型，结果表明:管壁的撞击作用及流场中的涡流有助于加强尿素液滴的蒸发、分解及混合.

文中针对某型柴油机的排气特性，按照Tier III排放标准设计了SCR系统及相匹配的两种双流体喷嘴(分别为内混式和外混式)，并在自行搭建的试验台上对两种双流体喷嘴的雾化特性进行了大量的试验研究，得到了两种喷嘴在不同的气体压力、液体流量、喷孔数量下的雾化锥角、雾炬及均匀性分布等，可为进一步发展面向该型柴油机的SCR系统提供依据.

1 双流体喷嘴设计

依据柴油机的主机参数、排放数据以及IMO Tier III标准的排放限值可计算出SCR系统单位时间的NOX脱除量，表1为主机参数［8］.

由于NH3具有强烈的刺激性气味，储存及运输不便，在研究中采用质量浓度为32.5%的尿素水溶液作为还原剂，其中尿素溶液的分解反应及催化还原反应为:

根据尿素水溶液的分解反应及催化还原反应方程式可计算得到所需的尿素溶液的喷射量.

1.1 外混式双流体喷嘴结构及工作原理

外混式双流体喷嘴的结构见图1.喷嘴包括内外两层通道，尿素溶液由内层通道注入，压缩空气由外层通道进入.在液体出口处设置倒角，增大液体出口孔径，形成锥形，并在液体出口孔径的外围设置小的环隙，小的环隙与外层通道相通，压缩空气由小的环隙高速喷出，利用高压空气的喷散作用，以较高的速度夹带着液体喷出，使液体雾化为细小的喷雾液滴.

图1 外混式双流体喷嘴结构示意Fig.1 Structure of external-mixed twin-fluid nozzle

1.2 内混式双流体喷嘴结构及工作原理

内混式双流体喷嘴的结构见图2.由于外混式双流体喷嘴要使雾化浆滴达到较小的粒径需要较大的气液比，为了改善雾化质量，减小雾化能耗，对外混式喷嘴进行了改进设计，提出了内混式双流体喷嘴.在接近出口的地方增加小孔，使部分的高压空气预先混合，这样增加了气液均匀性，形成气液两相流，最后混合的液体以高速喷出喷口，实现一次雾化，其余的气体由环隙喷出去，在喷嘴处和液体相互碰撞，然后形成小的液滴，形成二次雾化.

图2 内混式双流体喷嘴结构示意Fig.2 Structure of internal-mixed twin-fluid nozzle

2 试验系统

试验台主要包括雾化介质管路、压缩空气管路和测试系统3个部分(图3).与大气接通的水箱为试验系统提供相应流量的雾化介质.压缩空气管路中，空气压缩机产生压缩空气，玻璃转子流量计测定空气流量，再由压力变送器设定所需的空气压力，从而实现为总系统提供所需要的气体流量;喷雾的均匀性反映了液体从喷嘴喷出后在径向位置上的液体分布量的变化情况，液体分布量沿径向的变化越大，则均匀性较差，液体分布量沿径向的变化越小，则表示喷雾的均匀性越好.液体分布量则是由喷嘴下方的并排离心管收集，然后由量筒配合测量不同径向位置处的液体收集量，作出液体分布量与径向距离的折线图，从而可以依据折线图对喷雾的均匀性进行分析.

图3 雾化试验装置Fig.3 Atomization experiment device

通过不同轴向和径向距离下喷雾分布的均匀性来评价雾化效果.对不同轴向距离下选取多个不同径向测量点喷雾液滴的分布进行了测量，喷雾液滴测点分布如图4.

图4 喷雾液滴测点分布Fig.4 Spray droplet distribution diagram

考虑到尿素水溶液在30℃以下时尿素会直接从水溶液中结晶出来，而实验室的温度在20℃ ～25℃之间，无法完成尿素水溶液的喷射试验.常温下32.5%尿素水溶液的密度为1 090 kg/m3，粘度为1.4 mPa·S，常温下水的密度为1 000 kg/m3，粘度为1 mPa·S，与尿素水溶液的物性相差不大，故试验时采用与尿素溶液密度相近的水作为雾化介质.雾化介质的流量则根据柴油机排放数据计算得到.

3 试验结果及分析

3.1 两种喷嘴的雾化锥角及雾炬

图5为喷嘴雾化雾炬图，可以看出，内混式双流体喷嘴的雾化贯穿距较长，雾化锥角相对较小，雾炬比较瘦窄，雾化液滴分布相对比较集中，雾化锥角约为25°.而外混式双流体喷嘴的雾化贯穿距较短，雾化锥角较大，雾炬较为饱满，雾化液滴沿径向分布较为均匀，雾化比较分散.

图5 喷嘴雾化雾炬Fig.5 Atomizing spray map

3.2 气体压力对雾化均匀性的影响

图6为气体压力对雾化分布的影响.图中纵坐标液体分布量V为雾化的液滴在不同径向位置处的液体体积分布(下同)，d为径向距离，当气体压力为0.5 MPa时，不同颗粒度的液滴的数量和质量沿径向分布比较集中，雾化均匀性较差.当气体压力为0.3，0.4 MPa时，喷雾液滴随径向距离的变化比较均匀.在一定的压力范围内，降低气体压力有助于雾化颗粒的分布均匀.

图6 气体压力对雾化分布的影响Fig.6 Effect of gas pressure on the distribution of atomization

3.3 雾化介质流量对雾化分布的影响

图7为雾化介质流量对雾化均匀性的影响，可以看出，雾化介质流量越大，雾化分布越均匀.由于喷嘴喷孔大小是一定的，当不同流量的气体和雾化介质一起通过喷嘴时，总体流量越大能够产生的相对压力也就越大，这样，喷雾的效果也就越好，在雾化介质流量过小时，雾化过程会出现不稳定的现象，雾化均匀度时好时坏.

图7 液体流量对雾化分布的影响Fig.7 Effect of liquid flow on the distribution of atomization

3.4 喷孔数量对雾化分布的影响

喷嘴喷孔数目越多，喷雾范围越广，尿素溶液越容易雾化，但喷孔数过多，会发生喷射雾化干扰现象导致液滴的并聚，进而影响喷雾液滴分布的均匀性.图8为外混式双流体喷嘴喷孔数量对雾化分布的影响，由图可知:当喷嘴的喷孔数量为1个与8个时，沿径向测量的液体流量变化范围较大，雾化分布均匀性较差;当喷孔数为4个时，径向测量的液体流量变化平缓，雾化分布均匀性最好.所以，在其他喷射条件一定的情况下，当喷孔数量为4个时喷雾效果最好，喷雾分布的均匀性也最好.

图8 喷孔数量对雾化分布的影响Fig.8 Effect of orifice number on the distribution of atomization

4 结论

1)在相同喷射条件下，外混式喷嘴雾炬比内混式喷嘴更饱满，雾化锥角更大，雾化分布更均匀.

2)在一定的压力范围内，气体压力越低，雾化效果越好;气体压力在0.3～0.4MPa时，喷雾分布均匀性最好.

3)在其他喷射条件一定的情况下，液体流量越大，雾化分布越均匀，雾化效果越好.

4)当喷嘴的喷孔数为4个时，雾化分布均匀性最好.

References)

［1］中国船级社.空气污染及能效对海洋生物影响［C］//IMO海上环境保护委员会第 66届会议(MEPC66).伦敦:IMO，2014.

［2］ 贺泓，翁端，资新运.柴油车尾气排放污染控制技术综述［J］.环境科学，2007，28(6):1169-1177.He Hong，Weng Duan，Zi Xinyun.Diesel emission control technologies:a review［J］.Environmental Science，2007，28(6):1169-1177.

［3］Mathias Magnussona，Erik Fridell，Hanna H I.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.

［4］ 周松，肖友洪，朱元清.内燃机排放与污染控制［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2010.

［5］ 管斌，周校平，林赫，等.NH3-SCR法降低柴油机NOx排放的研究进展［J］.车用发动机，2007，(5):1-7.Guan Bing，Zhou Xiaoping，Lin He，et al.Research progress of NH3-SCR method for reducing NOXemission of diesel engine［J］.Vehicle Engine，2007，(5): 1-7.(in Chinese)

［6］Ming Chen，Williams S.Modeling and Optimization of SCR-Exhaust After treatment Systems［C］//2005 SAE.world congress Detroit，warrendale，Michigan.USA:［s.n.］，2005:11-14.

［7］Bhattachaijee S，Haworth D，Moores R.CFD modeling of processes upstream of the catalyst for urea SCR NOXreduction systems in heavy-duty diesel applications［J］.Sae Technical Paper，2011(1):1322.

［8］ 刘少俊，黄泉水，蒋爱民，等.船用SCR系统的设计与数值优化［J］.船舶工程，2015，37(1):58-61.Liu Shaojun，Huang Quanshui，Jiang Aimin，et al.Design and Optimization of Marine SCR System［J］.Ship Engineering，2015，37(1):58-61.

(责任编辑:贡洪殿)

Experimental investigation on spray characteristics of the Urea-SCR system for marine diesel engines

Ma Zheshu，Liu Jicai，Liu Shaojun，Chen Surong，Hou Xiaoyu
(School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

In order to satisfy IMO Tier III standard for a marine diesel engine，two kinds of twin-fluid nozzles (internal-mixed and external-mixed)were designed and investigated experimentally.Atomization effects of the internal-mixed nozzle and the external-mixed nozzle were studied by tests.The experiments were conducted under three kinds of circumstances:different gas pressure，liquid flow and orifice quantity.The atomizing experimental results show that with the increase of gas pressure，the uniformity of atomization becomes worse;when the gas pressure is from 0.3 to 0.4 MPa，the atomization uniformity is the best;with the increase of the liquid flow，the distribution of atomization becomes uniform;when the orifice number is 4，the distribution of atomization achieves the best result.For the two twin-fluid nozzles，the atomizing cone angle of the external-mixed one is larger and its spray is full.

marine diesel engine;SCR;twin-fluid nozzles; atomization

TK421.5

A

1673-4807(2015)06-0536-04

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.006

2015-08-19

国家自然科学青年基金资助项目(51306079);江苏省高校自然科学基金资助项目(12KJB470005);江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修基金资助项目

马哲树(1973—)，男，教授，博士，研究方向为船舶动力装置性能与船舶能效技术、电机电子设备高效冷却技术.E-mail:mazheshu @126.com

马哲树，刘吉财，刘少俊，等.船用柴油机Urea-SCR系统喷雾特性的试验研究［J］.江苏科技大学学报(自然科学版)，2015，29 (6):536-539.