紧凑型DOC-混合器-SCR后处理系统数值模拟

刘文坤， 张翠平， 王鹏， 田俊龙， 张莉娟

(太原理工大学机械学院, 山西 太原 030024)



紧凑型DOC-混合器-SCR后处理系统数值模拟

刘文坤， 张翠平， 王鹏， 田俊龙， 张莉娟

(太原理工大学机械学院, 山西 太原 030024)

为提高SCR系统的转化效率，提出紧凑型DOC-混合器-SCR后处理系统，建立了3种不同结构的后处理模型。采用计算流体力学(CFD)结合化学反应动力学的方法，建立了柴油机SCR-NOx催化器三维数值模型，该模型包含尿素水溶液喷射、液滴蒸发和热解、NOx催化还原化学反应整个尾气后处理过程，得到了紧凑型后处理系统的湍流动能场、速度流场、浓度场的分布规律，并与传统型后处理系统模拟仿真结果进行对比。研究结果对柴油机后处理系统设计具有参考价值。

选择性催化还原； 计算流体动力学； 化学反应动力学； 数值模拟

随着排放法规的日益严格，柴油机机内净化技术已经无法满足降低氮氧化物(NOx)排放要求，需要结合柴油机后处理技术来降低NOx排放。采用尿素(Urea)水溶液选择性催化还原(Selected Catalytic Reduction，SCR)后处理技术来降低柴油机的NOx排放在欧洲发达国家得到广泛应用，Urea-SCR 技术也将是我国重型柴油机实现第Ⅳ阶段标准的主要技术路线[1]。

为了实现高的SCR系统效率，需要采用氧化催化(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)技术将部分NO转换成NO2，为快速SCR反应作准备。在DOC下游尿素喷射器将尿素水溶液喷入废气中，在进入SCR前，通过混合器作用加速蒸发并与废气混合。传统的做法是将DOC模块、尿素喷射器、混合器、SCR设计成独立的单元，这样后处理系统变得大而重，不利于在狭小的车身中布置安装。本研究讨论一种紧凑型后处理系统，将DOC模块和SCR模块耦合在一个紧密的单元里，减小体积又能满足性能要求。

1 涡旋混合原理

涡旋气流能够有效提高尿素蒸发和混合的效率[2-3]，涡旋可使气体产生大量的湍流能量。大体积的涡旋是一个单独的大涡流，是大尺度湍流的一个类型。在涡旋气流中，气体的切向速度在中心点最低，到边缘逐步上升。涡旋混合的例子见图1，环形的DOC结构位于出口管中间，在DOC出口面上布置混合器(直径和DOC相当)。气体经混合器作用，掉转180°，形成涡旋气流，进入DOC内管。在气体流动转向处，尿素喷射器将尿素喷入排气中，尿素在涡旋气流中蒸发和分解，然后流向SCR系统。

单个尿素微滴在涡旋气流中的轨迹见图2中1至5。尿素喷射压力为0.5～1 MPa，因此每个单独的微滴具有显著的动能(1)，这种较高的动能使微滴相对于气流独立移动(2)，有利于液滴表面的热交换，使得液滴升温速度快，一旦到达足够温度，液滴开始蒸发(3)，蒸气会被周围的气流卷走而远离液滴表面(4)。一方面，由于蒸发和分解，液滴损失质量；另一方面，液滴与气流摩擦，液滴失去动能(相对于气体)。这两个因素结合，导致液滴被气流夹带在一起(5)。

2 后处理模型

2.1 几何模型

本研究建立3种不同结构的后处理模型，其结构示意与网格模型见图3。3个模型SCR催化反应器直径与长度均为250 mm和350 mm，催化器载体采用方形孔道蜂窝状结构，孔密度62目/cm2，壁厚为0.13 mm，催化剂涂层厚度为0.015 mm。采用 ICEMCFD 软件对几何模型进行网格划分，然后将模型导入到CFD软件AVL Fire中进行模型仿真。

2.2 计算模型

尿素溶液的喷雾模型采用离散液滴处理方法(DDM)，考虑液滴的蒸发和气流之间的传热传质过程及液滴的二次破碎过程[4-5];液滴的二次破碎过程采用 Huh-Gosman 模型模拟，结合拉格朗日方法和欧拉方法来求解液滴运动轨迹。液滴的蒸发和气液相之间的传热过程采用SCR-thermolysis模型。在喷雾时，考虑液滴的碰壁与并聚，碰壁模型为Kuhnke wruck模型，通过壁面传热模型来模拟其传热和汽化过程。湍流运动过程采用k-ε-f湍流模型。SCR催化器内部流动特性采用多孔介质进行模拟，采用有限体积法离散方程，用SMPLE算法进行迭代求解。压力损失用Forchherimer模型计算：

该项包括黏性损失和惯性损失，式中：α为黏性损失系数；μ为动力学黏度；ω为速度；ζ为惯性损失系数；ρ为流体密度。

尿素从喷入到催化剂之前进行的化学反应可以用下面的反应方程式来描述。

热解反应：

水解反应：

SCR催化器中NOx催化还原反应机理由以下反应式描述[6]。

标准反应：

(1)

快速反应：

(2)

在柴油机排放的氮氧化物中物质的量之比n(NO)∶n(NO2)≈9∶1[7]，而式(2)的反应优先级高于式(1)，快速反应速率约为标准反应的17倍[8]，因此在SCR催化转换器上游安装DOC，将部分NO氧化成NO2，提高快速反应的比例。

2.3 边界条件

选取柴油机转速2 250r/min，全负荷工况点进行分析，尾气质量流量为855kg/h，NOx的体积排放为1 192×10-6。初始温度为尾气排放温度400 ℃。喷射的尿素为32.5% 的饱和尿素水溶液，按氨氮比为1∶1模拟，尿素水溶液质量流量为3.6 kg/h。

入口边界条件采用给定质量流量和温度的方式，特征长度为进口直径的10%，湍动能设定为进口平均速度平方的5%。出口为静压边界条件，出口压力为0.1 MPa。尿素水溶液喷射为间歇周期喷射，选择喷射周期为0.8 s进行仿真，0.1 s开始喷射，喷射持续0.3 s。

2.4 评价指标

1) 均匀性指数

催化器载体入口处的各项参数的均匀程度直接影响催化剂的催化转化效率。均匀性指数r为[9]

2)NOx转化效率

催化反应前后的 NOx浓度变化值与催化前NOx浓度值之比称为NOx转化率：

式中：C(NOx)in为原机NOx排放；C(NOx)out为SCR系统处理后NOx排放。

3 模拟结果分析

3.1 索特平均直径

索特平均直径(SMD)为液滴群总体积与总表面积之比。SMD愈小，汽化表面积愈大，汽化速度和混合速度愈大。在整个喷射周期内，3种结构后处理模型的SMD值分别为2.21E-05 m，1.86E-05 m ,2.05E-06 m。从图4也可以看出，C型的SMD远小于A型和B型，相差一个量级，表明涡旋气流对尿素的蒸发和混合有明显作用。

3.2 扩张管流场分析

对于正常非涡旋运动，扩张角要合适，过大的扩张角会使气流在扩张管中脱离管壁，壁面出现分离流动特性，而载体中心区域没有扰动，流体呈现环状(见图5中A型)。扩张管壁面的分离是由于扩张管入口处存在负压，该负压卷吸周围的流体，并在催化器壁面处引起流体回流(见图6a与图6b)，流体回流形成漩涡使扩张管壁与催化器入口接触处湍流动能明显较大。流体回流一方面会造成气流的局部压力损失，另一方面也会影响喷入的尿素液滴及其热解产物的流动路径，造成催化器载体前端气体分布不均匀，降低催化器的转化效率。而涡旋气流运动由于气流最高速度在管壁附近，扩张管扩张角较大也不会使气流从管壁脱离，没有流体回流现象，如图5c所示，气流从扩张管管壁平稳过渡到SCR系统。

3.3 液膜生成量

尿素溶液喷入排气中，直径较小的液滴会迅速蒸发，直径大的液滴来不及蒸发热解，会随着排气在管壁上沉积下来，容易形成液膜。此外，液滴喷射到管壁后，液滴蒸发吸热，管壁本身向外传热，进一步降低了壁面的温度，当壁面温度降低到一定程度就造成液滴沉积。从图5气流在管内的速度可以看出，C型结构在管壁附近的气流速度比在中心线附近的气流速度大，这要归因于涡旋气流的旋转运动，形成了向心力，使得更高的气流速度出现在管壁周围，壁膜形成趋势被抑制。从图7可以看出，C型管壁上液膜生成量明显较A型与B型少。

3.4 组分浓度分析

NH3浓度在催化剂载体入口的均匀程度对NOx的转化效率有显著影响。一方面NH3局部过量会造成氨气泄漏进入空气，污染环境；另一方面NH3不足会使局部NOx转化效率低，影响整体转化效率。图8示出了3种结构的NH3均匀性指数，可以看出A型和B型结构NH3均匀性指数较低，分别只有0.69和0.76，出现这种状况的原因是由于模拟采用四孔喷嘴，喷射方向与轴线夹角为45°，液滴分布呈柱状，液滴撞壁现象比较严重。结合图9和图10中NH3和NO的空间浓度分布看出，NH3主要集中在内壁周围，中间与边缘区域的浓度较低，使得该区域NO没有完全转化，大量未被还原的NO直接排出。而C型结构NH3均匀性指数高达0.93，这是由于在混合器的作用下产生了涡旋气流，使得扰动加强，湍流动能增加，促进排气与尿素液滴更充分地混合，尿素溶液的蒸发和热解速率也更快，使得NH3均匀性明显提高，相应NOx的转化也更加彻底。

3.5 NOx转化率

图11、图12分别示出 NO与 NO2随时间变化的转化率分布。可见，C型结构的NO转化率在88%左右，NO2转化率可达到99%。 A型和B型结构的 NO转化率均在56%左右，而A型的NO2转化率为96.7%，比B型的NO2转化率低1%。在整个喷射周期内，A型和B型的NOx转化率分别为73.64%和74.08%，而C型的NOx转化率要比A型的高近18%。NOx转化率计算结果验证了组分浓度分析的结论。

4 模型试验验证

图13示出SCR催化器空速为35 000 h-1，排气温度为260 ℃时，不同氨氮比下3个模型的NOx转化率。试验时，模型B与C的结构布置与前面描述的一致，而模型A的结构布置将尿素喷射点从前面描述的管内中心处移至接近管壁的一侧。刚开始氨氮比低，随着氨氮比逐渐增大，尿素水溶液喷射增多，NOx转化率也不断增大；当氨氮比增大到一定值时，NOx转化率基本不随氨氮比增大而提高，这是因为该温度下尿素热解、水解反应充分，喷射过多的尿素只会造成 NH3的泄漏。如图13所示，在上述试验条件下模型A，B，C对应的最高NOx转化率分别为45%，72%，84%。试验结果与模拟结果的分布趋势基本一致，验证了本研究模型的合理性。

5 结束语

本研究提出了紧凑型DOC-混合器-SCR后处理系统，系统中的涡旋气流能使尿素喷射区有较高湍流动能，尿素的蒸发和混合速率明显提高；仿真结果表明，NOx转化率相对于传统结构布局有大幅度的提升。高效率的蒸发和混合系统可以使DOC与SCR之间的距离进一步的缩小，使整个后处理系统在长度与体积上都可以减少，不但便于安装布置，而热损失也会相应减少，可以实现更好的冷启动性能。安装混合器对系统的压力损失影响不大。本研究提出的SCR后处理结构布局相对传统型结构布局有较大改变，试验结果验证新布局是可行的，相对传统结构布局更具有优势，可以为柴油机后处理系统设计提供参考。

[1] 陈镇，胡静，陆国栋,等.提高柴油机尿素SCR系统氮氧化物转化效率的试验研究[J].车用发动机，2010(6)：79-82.

[2] De Rudder KT．ier 4 high efficiency SCR for agricultural applications[C]．SAE Paper 2012-01-1087.

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[4] Shah R K，London A L．Laminar Flow Forced Convection in Ducts：A Sourcebook For Compact Heat Exchanger Analyical Data[M].New York：Academic Press，1978.

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[6] Noel W C，Dean C C．Formation and reactions of isocyanic acid during the catalytic reduction of nitrogen oxides[J].Topics in Catalysis，2000，10:13-20．

[7] Qing wen song，George Zhu.Model-based Closed-loop Control of Urea-SCR Exhuast After-treatment System for Diesel Enhine[C].SAE Paper 2002-01-1287.

[8] 刘丙善.氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差分析[J].航海工程，2007，36(4)：71-73.

[9] Weltens H，Bressler H，Terres F，et al. Optimization of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Prediction[C].SAE Paper 930780，1993.

[编辑: 李建新]

Numerical Simulation on Compact DOC-Mixer-SCR Aftertreatment System

LIU Wenkun, ZHANG Cuiping, WANG Peng, TIAN Junlong, ZHANG Lijuan

(School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China)

In order to improve the conversion efficiency of SCR system, a compact DOC-mixer-SCR aftertreatment system was put forward and three kinds of aftertreatment models were built. With the aid of computational fluid dynamic (CFD) coupled with chemical reaction dynamics, a 3D model of SCR-NOxcatalytic converter was established. With the model, the whole aftertreatment process including the injection of urea aqueous solution, the evaporation and thermal decomposition of droplet and NOxcatalytic reaction was simulated and the distribution law of turbulent kinetic energy field, velocity field and concentration field was acquired. In addition, the simulated results were compared with those of traditional aftertreatment system. The research results provide the reference for the design of aftertreatment system.

selective catalytic reduction(SCR); computational fluid dynamic(CFD); chemical reaction kinetics; numerical simulation

2015-04-13;

2015-10-12

2014年度山西省煤基重点科技攻关项目(MJ2014-14)

刘文坤(1990—)，男，硕士，研究方向为现代发动机关键零部件的分析研究；liuwenkun619@163.com。

张翠平，女，教授，硕士生导师；zhangcp64@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.010

TK411.5

B

1001-2222(2015)05-0057-06