重型柴油机SCR转化效率影响因素研究

刘文彬 刘屹 韦伟 王再兴 余国成 王磊 宋志良

摘要：为了研究国六重型柴油机选择性催化还原（SCR）系统NOx转化效率影响因素，文章采用计算流体力学（CFD）和化学反应动力学相结合的方法，对SCR催化器系统进行了数值仿真和试验验证。结果表明：SCR催化器最佳反应温度范围在180～550℃，催化器转化效率达到95%以上，不同氨氮比对NOx转化效率有一定的影响，存在一个临界氨氮比，达到该临界值后NOx转化效率趋于稳定而氨泄漏量增加;通过前置氧化型催化转化器（DOC）可在排气中增加NO2的质量分数，可以提高催化器转化效率且使NOx转化效率都能保持在较高水平，也可以除去大部分尾气中的CO和HC，达到排放标准。

Abstract： In order to study the factors affecting the NOx conversion efficiency of the selective catalytic reduction （SCR） system of the National Six Heavy duty diesel engine， the numerical simulation and experimental verification of the SCR catalyst system were carried out by the combination of computational fluid dynamics （CFD） and chemical reaction kinetics. The results show that the optimum reaction temperature range of SCR catalyst is 180-550℃， and the catalytic converter conversion efficiency is over 95%. Different ammonia-nitrogen ratios have certain influence on NOx conversion efficiency. There is a critical ammonia-nitrogen ratio. After reaching this critical value， the NOx conversion efficiency tends to be stable and the ammonia leakage increases. By pre-oxidation type catalytic converter （DOC）， the mass fraction of NO2 can be appropriately increased in the exhaust gas， which can improve the conversion efficiency of the catalyst and keep the NOx conversion efficiency at a high level，It can also remove CO and HC from most of the exhaust gas to meet emission standards.

關键词：柴油机;数值仿真;转化效率;氨氮比

Key words： diesel engine;numerical simulation;conversion efficiency;ammonia-nitrogen ratio

0  引言

柴油机因具有其独特的优势广泛运用，然而柴油机尾气中的NOx参与光化学烟雾和酸雨的形成而危害极大[1]。随着排放法规的日益严格，仅仅依靠优化缸内燃烧过程已经不能满足排放标准了，需要辅以后处理系统。

尿素选择性催化还原技术（Urea selective catalytic reduction ，Urea-SCR）是当今世界公认降低NOx排放最有效的技术之一。SCR技术因其具有高效率、高选择性、高经济性及耐硫等优点将是未来国内柴油机排放升级的主要技术方向。近年来，很多学者对SCR催化器转化效率影响因素做了大量的研究。文献[2]将计算流体力学与化学反应动力学相结合，对催化转化器内尿素喷雾和NOx还原等过程进行了研究，发现喷嘴位置、喷雾角度和管道设计都会影响液滴分布、碰壁及流动均匀性。文献[3]人模拟研究了一个带预氧化催化剂的Urea-SCR系统，建立了一个SCR催化器的单通道二维模型，并假设喷入模型中的尿素水溶液完全蒸发和分解且均匀地分布在通道前端，采用二维边界层方程计算通道内的流动，模拟结果与试验结果偏差较小。文献[4]研究了组合式柴油颗粒过滤器系统对活性氮化合物排放的影响，改变了尿素进料因子，温度和停留时间。

已有研究表明，尿素喷射压力、空速、催化剂类型等对SCR的转换效率有很大的影响。国六柴油机复合后处理系统针对重型柴油机而采用双SCR串联的箱式后处理。通过数值仿真的方式研究了排气温度、氨氮比、前置DOC对NOx转化效率的影响为SCR催化器的设计和优化提供依据。

1  系统介绍

SCR系统结构示意如图1所示，SCR系统的主要部件有SCR催化箱、电控单元、尿素罐、计量泵总成、尿素喷嘴及温度传感器、NOx传感器、相关线束及管路。其基本原理为：将一定量的浓度为32.5%尿素水溶液喷射到排气管中，尿素水溶液在高温下分解为氨气和二氧化碳，氨气在催化剂的作用下，与NOx发生还原反应，将NOx还原成氮气和水，从而降低柴油机的NOx排放[5]。

2  SCR催化器CFD建模

2.1 几何建模

研究对象为某重型柴油机的SCR系统，具体尺寸见表1所列，生成的网格模型如图2所示，共有1000540个计算网格、边界层网格层数为3层、边界层厚度为1mm、边界层增长率为1.5、多孔介质区域网格生成方式为Directed Mesh。

SCR催化器载体采用方形孔道蜂窝状结构，若模拟整个载体内的化学反应过程，计算量过大。因为催化器内每个孔道的结构相同，内的流场分布和化学反应等相似，可以通过建立单孔道上的数学模型来模拟整个催化器的工作过程[6]，假设尿素能够完全雾化与尾气进行充分混合。通过对单孔道的数学建模及催化器表面化学反应建模能够找到影响SCR转化效率的主要因素。

2.2 数学模型

单孔道内气相动量守恒方程可以表示为：

式中：ρg表示气相密度;ug表示气体运动粘度;a表示孔道宽度;K表示为范宁摩擦系数。

气相能量守恒方程可以表示为：

其中，ρg为气体密度;wj，g 为气相中组分j的质量分数;hj为组分j的焓值;λg为气相的导热系数;Tg为气相温度，Ts为固相温度;α为气相与固相之间对流换热系数;ri为化学反应i的摩尔反应速率;ΔHi为化学反应i产生的焓值;ug为气体运动黏度。

单孔道内气相组分平衡方程表示为：

其中，MGj为气相j的摩尔质量;vi，j为组分j在化学反应i中的化学计量系数;ug为气相在轴向方向上的速度。

气相连续性方程可以表示为：

其中，ρg为气相密度;t为时间;vg为通道内气体速度;x为轴向空间坐标。

2.3 催化器表面化学反应建模

在催化器载体内，尿素喷射计量阀喷射尿素热解成NH3与尾气中的NOx反应，生成无害气体。其反应机理主要为：

上述反应式中，式（5）～式（7）表示的是NH3选择性地还原NOx的SCR反应，被称为主反应。因为在发动机尾气中NO 占总氮氧化物含量的90%左右，因此式（5）又被称为标准反应[7]。而式（6）是3个反应中反应速率最快的，因此被称为快反应。式（7）的反应速率最慢，因此被称为慢反应，式（8）是可能在催化器载体内发生的副反应[8]。在SCR催化器中普遍接受的动力学流体流动计算方式为Eley-Rideal[9]，化学反应的反应速率方程也主要采用Eley-Rideal[10]。

3  试验验证

为了验证数学模型的准确性，需要进行对比试验。模型参数的设定采用台架试验的测量数据作为计算的初始和边界条件[11]。试验安排在一台排量为12.4L的增压中冷，电控高压共轨缸内直喷柴油机上进行。试验采用了AVL SCHNEIDER电力测功机，AVL 735l CST油耗仪等设备以及温度、氮氧传感器，试验用的设备及其技术参数见表2所列。

为了验证所建模型的正确性，进行了相关的发动机台架试验。试验中过量喷射尿素，以氨泄漏10ppm时的测量值来计算转化效率，并且每个工况点控制空速在40000h-1左右，按照不同温度梯度去做得到数据。排气温度上升的过程中，排气中NOx的浓度变化的试验和计算结果对比如图3所示，计算模型仿真得到的排气中NOx浓度变化趋势与试验结果基本一致。由此表明，建立的计算模型能较为准确。

4  实验结果及分析

4.1 温度对NOx的转化效率影响

排气温度对NOx转化效率的影响是一个非常重要的因素，排气温度的提高有利于尿素的蒸发和热解，但是排气温度过高，会导致催化剂高温老化，催化剂对氨的吸附能力降低和NH3的氧化，从而降低NOx转化效率。排气温度过低则会导致尿素不完全的分解，导致在壁面上产生结晶。空速在40000h-1时NOx转化效率随温度的变化规律如图4所示。可以看出低于180℃的时候，NOx转化效率较低。这主要是因为温度较低时，尿素水溶液雾化质量差，不能较充分与NOx反应以及在低温情况下SCR催化剂活性非常低。随着温度的升高，转化效率也随着升高，在180～550℃转化效率达到95%以上，在最佳反应温度范围内SCR中的反应以快反应为主导[12]。而当温度超550℃后，SCR的转化效率会降低，主要因为是发生了NH3的氧化反应，即NH3与氧气进行反应生成了氮气和水，另一方面发生了NH3与NO2之间的慢反应。

4.2 氨氮比对NOx转化效率的影响

排气温度是SCR系统中的重要影响参数，排气温度的提高有利于尿素的蒸发和热解，但是排气温度过高，会导致催化剂高温老化，催化剂对氨的吸附能力降低和NH3的氧化，从而降低NOx转化效率[13]。改变排气温度的数值同时保持空速在40000h-1左右，研究在不同氨氮比條件下柴油机在特定工况下的NOx最大转化效率，将氨泄漏量控制在10×10-6范围内。排气温度分别为180℃、200℃、380℃、550℃、565℃时对SCR系统的影响。计算的结果中的不同排气温度随着氨氮比的变化与实验结果基本一致如图5所示。排气温度180℃到550℃时，NOx转化效率基本上与氨氮比成正比，超过此温度反应区间，NOx转化效率随着氨氮比的增加趋于稳定，如继续增加氨的喷射量，会导致催化剂下游氨泄漏量增加，造成污染。

4.3 前置DOC对NOx转化效率的影响

已有研究表明，发动机尾气中NO2/NOx比例是影响SCR转化效率的重要因素，适当提高发动机尾气中NO2的质量分数可提高SCR催化器的转化效率，而发动机排气中NO2/NOx的比例一般小于10%[14]。为提高进入催化反应器时NO2所占比例，通常前置DOC。该装置可将NO氧化形成NO2。前置DOC对NOx转化效率的影响如图6所示，在低温180～300℃范围内，DOC前置相比无DOC而言，转化效率显著提高;然而，在温度300～500℃范围时，有无前置DOC对系统转化效率影响较小。这主要是排气温度升高，催化剂活性增加，加强了选择性催化还原反应中的标准反应，催化剂的活性占据了主导作用，NO2比例所带来的影响相对弱化。所以，前置DOC能提高排气低温时的转化效率。加装DOC还可以大幅度去除尾气中的CO和HC，达到排放标准。前置DOC对CO和HC转化效率如图7所示。

5  结论

①温度较低时NOx转化效率较低，随着温度升高NOx转化效率也随之升高，到达180℃时NOx转化效率能够达到95%以上，温度超过500℃时NOx转化效率会有所降低。

②在最佳反应温度范围内随着氨氮比的提高，NOx转化效率也提高，温度过高或过低存在一个临界值，到达该临界值后NOx转化效率随着氨氮比增加而趋于稳定，氨泄漏量增加。

③前置DOC可在排气中增加NOx中的NO2所占的比例，可以提高NOx转化效率，也可以除去大部分尾气中的CO和HC，达到排放标准。

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