选择性催化还原系统内部气体流场分布特性试验研究

庄健，黄浦新，凌建群

(上海柴油机股份有限公司，上海 200438)

0 引言

选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)排气后处理系统是控制氮氧化物(NOx)排放最有效、也是最常用的技术手段，目前广泛应用于汽车领域。近年来，在法规政策的推动下，特别是国六排放法规的实施，SCR系统已经成为柴油车辆控制排放污染物的标配手段。受到整车空间限制，SCR系统布置较紧凑，尿素喷嘴到催化器之间除了有限的混合距离外，通常还会布置若干段弯管。这种情况通常会导致排气中气体流场分布不均匀，引起尿素水溶液无法充分分解。因此在实际使用过程中存在一些问题，比如尿素结晶问题，NOx转化效率偏低问题等。分析原因发现，如果SCR催化器内部气体流场分布不均匀，不仅会造成局部区域尿素结晶，而且还会影响NH3的利用率[1]。因此，准确地评估SCR内部气体流场分布，不仅可以客观地评价SCR内部结构特征，还可以为消除尿素结晶及提高NOx转化效率提供优化方向。

目前针对NH3分布气体流场均匀性的研究多数都基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真手段，研究催化载体前端、内部与尾端气体流场均匀性分布情况[2]。这种方法虽然可以清晰直观地体现SCR系统管道内部的气体流场分布情况，为高效SCR系统的优化设计提供指导；但是，由于发动机往复循环的工作特点，以及循环之间的差异，造成发动机排气管内部气体流场情况时刻发生变化，仿真结果很难准确地重构真实的排气气体流场情况。

本研究基于实际发动机台架，通过设计试验方案与试验方法，利用试验的手段，研究柴油机SCR系统内部气体流场分布特性，为优化NH3均匀分布提供指导方向。

1 试验系统及试验方案

1.1 试验系统

本试验基于一款9 L电控直喷发动机，发动机主要技术参数见表1。试验涉及的发动机试验台架、试验设备主要包括电力测功机、排气温度传感器、进气流量传感器、气体污染物测量设备等。相关测量设备型号见表2。

表1 发动机主要参数

表2 主要试验设备

1.2 试验方案

为了测量出SCR系统气体流场均匀性，根据氮原子守恒原则，设计了以下测量：测量SCR入口NOx浓度，测量SCR出口NH3、HNCO(异氰酸)和N2O浓度。同时，保证SCR出口处NOx接近零，NH3泄露量控制在100×10-6左右。在SCR入口处安装了尿素喷嘴。试验开始，尿素喷嘴喷射尿素水溶液，尿素水溶液经过热解和水解反应，生成NH3。NOx和NH3在排气管中随着发动机废气从SCR入口流到出口。如果气体流场的分布是绝对均匀的，那么理论上NOx会与NH3发生充分的氧化还原反应，生成NO、NO2和H2O。但在实际情况下，热解反应与水解反应都会不完全，气体流场分布也不可能绝对均匀，氧化还原反应也不可能完全发生。再考虑到高温环境下NH3与NO2会发生氧化反应生成N2O。所以通过在SCR出口处测量NH3、HNCO(异氰酸)和N2O浓度，即可计算出氧化还原反应不完全的程度，从而得到气体流场均匀性指标。

为了评估发动机在不同工况下，即在不同排气流量及温度情况下的SCR系统内部气体流场均匀性情况，试验方案专门设计了高速高负荷、高速低负荷、低速高负荷和低速低负荷4个典型。工况示意见图1所示。

1.3 气体流场均匀性评价指标

NH3与NOx标准反应：

4NH3(S)+4NO+O2→4N2+6H2O+4S

(1)

NH3与NOx快速反应：

2NH3(S)+NO+NO2→2N2+3H2O+2S

(2)

NH3与NOx氧化反应：

2NH3(S)+2NO2→N2+N2O+3H2O+2S

(3)

根据式(1)～(3)可知，NH3与NOx发生反应时，1 mol NOx需要消耗1 mol NH3。

所以SCR入口处的NH3浓度可通过如下方程式计算得到：

NH3,upSCR=NH3,downSCR+(NOx,upSCR-NOx,downSCR) +HNCO

(4)

SCR内部气体流场的分布特性对催化转化性能起着至关重要的作用。一方面，不均匀的流速会产生局部过高的气流速度和温度集中，载体径向温度梯度过大，热应力梯度增加，容易产生热疲劳破坏，另一方面，不均匀的流速更容易形成尿素结晶，影响SCR转化效率。一般要求气体流场均匀性要在0.950以上，通常用均匀性指数来表示，由如下方程式计算得到：

(5)

式中，IU为均匀性指数，n为测量点数量，Si为式(4)计算得到的SCR入口处各测点的NH3浓度，Ai=1/n；S为SCR入口处NH3平均浓度，按下列方程式计算[3]：

(6)

1.4 测点布置

根据1.2节试验方案和表2描述的试验设备功能，设计SCR入口处的NOx浓度由AVL AMA设备测量，SCR出口处的NOx、NH3、HNCO和N2O由AVL FTIR设备测量。具体测点布置见图2所示。

为了测量SCR入口与出口截面上不同反应物浓度分布情况，在相同截面上试验设计了60个测点。具体的测点布置情况见图3所示。图3中纵横坐标的中心为SCR载体中心(SCR载体截面为圆形，半径为133 mm)，试验从图中起点开始按箭头方向逐点进行，直至终点。

2 试验结果分析

根据本文第1章节分析，通过测量SCR入口截面与出口截面上反应物浓度，可根据式(5)～(6)，计算出SCR系统气体流场均匀性指数。下面将详细分析4个不同发动机工况下SCR系统气体流场均匀性分布情况。

通过测量SCR出口截面上NH3、HNCO和N2O浓度，计算得到SCR入口截面NH3浓度分布情况。图4列出了工况1下的SCR入口截面各测点NH3浓度分布情况。

从图4中数据可以看到，NH3浓度分布在770×10-6～992×10-6。截面上半部分浓度稍微偏低，截面中、下部分浓度稍微偏高一些。而且，浓度极大值发生在截面的左下角区域。进一步分析试验数据发现，此工况下的排气流量是574 kg/h，SCR入口处排气温度是506 ℃，属于高温、中等流量工况，此工况下气流分布处于上下分层状态。

图5显示了工况2下SCR入口截面各测点NH3浓度分布情况。从浓度分布可以看出，此工况下SCR入口截面各位置NH3浓度比较均匀，只是在截面左下角区域出现了浓度略微偏高的情况。那么分析工况可以看到，此工况下的排气流量是1 067 kg/h，SCR入口处排气温度是465 ℃。与工况1相比属于中高温、大流量工况。也就是说，排气流量增加，SCR系统内部气流雷诺数提高，湍流比例增加，气体流动过程中混合程度提高，均匀性得到改善[4-5]。

图6是工况3对应的SCR入口截面各测点NH3浓度分布情况。对图中测量数据分析可知，此工况下NH3浓度偏大的数值都分布在截面边缘附近。另外，NH3浓度在截面上总体分布情况是，上半部分偏小，小半部分偏大。分析工况发现，该工况下的排气流量是296 kg/h，SCR入口处排气温度是220 ℃。由于该工况下排气流量比较低，造成截面边缘附近的气体流场分布不均匀，与图4情况类似，该系统中气体流场分布存在上下分层的情况。

图7是工况4对应的SCR入口截面各测点NH3浓度分布情况。从数据上看，该工况下，SCR入口截面上的气体流场分布比较均匀，浓度偏低的区域仍然发生在截面的左下角区域。需要说明，此工况下的排气流量是563 kg/h，SCR入口处排气温度是222 ℃。

以上根据试验研究分析得出，该SCR系统存在NH3浓度呈上、下部分层分布情况，而且该系统的左下角区域存在气流不均匀现象；此外，还得到了不同的典型工况下SCR内部气体流场分布变化的情况。下面根据试验结果具体分析NH3的流场均匀性指数。

为了评估SCR系统气体流场均匀性，本文通过分析4个工况的SCR入口NH3浓度极值情况与计算得到的均匀性指数，来给出评价结论。表3给出了SCR入口NH3浓度最大值与其平均值的比值和浓度最小值与其平均值的比值。分析这些比值数据发现，工况1下2个比值的差值最大，工况2下2个比值的差值最小。差值越大，说明NH3浓度最大值与最小值的差别越大，也就是说气流分布越不均匀；反之，则说明气流分布越均匀。

表3 四个工况下SCR 入口NH3浓度极值分布

根据图1可知，工况1是低速大负荷工况，发动机排放物浓度高，排气温度高，排气流量属中等程度。这种工况下，由于排放物浓度高的原因，将气体流场分布不均匀的现象放大，所以这种工况对气体流场均匀性指标要求更高，也是对均匀性指标要求比较苛刻的工况。评估SCR系统气体流场均匀性时应该重点考虑。工况2是高速大负荷工况，此工况下排气流量最大，排气流量增加可提高气体流动能力，改善气体流场分布均匀性。

由计算得到的4个工况下SCR入口NH3流场均匀性指数如图8所示。

由图8可知，4个工况下SCR入口NH3浓度均值都高于0.95限值。此限值一般用来衡量SCR系统气体流场分布均匀程度，高于此限值，可以判断SCR气体流场分布基本可以满足重型柴油机国六排放开发要求。另外，工况2和工况4的 SCR系统气体流场分布均匀性指标更高，工况1和工况3的均匀性指数相对略低。结合图1工况分布图分析发现，发动机转速越高，即排气流量越大，越有利于气体流场分布的均匀性。通过以上对试验数据的分析，此SCR系统可用于重型柴油机国六排放升级开发应用。

3 结论

本文通过试验设计方法研究了SCR内部气体流场分布特性。通过设计合理的试验方案与验证方法，得到了不同发动机工况下SCR内部气体流场分布特性数据，主要结论如下：

1)所研究的SCR系统存在NH3浓度呈上、下区域分层分布情况；另外，该系统的左下角区域存在相对死角，即气流分布不均匀现象。

2)发动机工况变化影响SCR系统内部气体流场分布，SCR系统内部气体流量随温度变化明显，气体流场分布特性随之改变。排放物浓度高且排气流量偏小的低速大负荷工况下，SCR气体流场均匀性略低，此工况是评估气体流场均匀性的重点评估工况。同一发动机工况，排气温度变化对气体流场分布均匀性影响很小；但发动机工况切换后，SCR系统内部气体流量与温度发生明显变化。

3)排气流量增加，SCR系统内部气体流场分布均匀性明显得到改善。靠近壁面处，由于动力黏度原因，气体流速比较低，气体流场均匀性较差。这种情况在排气流量低的情况下更严重。

4)本文设计的试验方案与评估方法可以客观准确地评估SCR系统内部气体流场分布情况，找出气体流场分布相对不均匀性所处区域，为系统优化提供充分有力的指导，为重型柴油机国六排放升级开发提供有效的工具方案。