SCR系统对二冲程柴油机热负荷特性的影响分析

尚前明 路 鹏 管 聪 刘治江 孙晨轩

(武汉理工大学船海与能源动力工程学院 武汉 430063)

0 引 言

为符合IMO关于NOx排放的规定，船用柴油机制造厂商研究、开发和测试了各种减排技术，主要方法包括：废气再循环技术(EGR)、调整发动机燃烧及SCR技术[1-2].EGR方法经过实验验证能够将NOx降低40%，而SCR作为废气后处理的新技术能够减少的NOx百分比高达90%.

目前关于SCR系统的研究，主要集中在汽车应用等方面[3]，在船舶运输领域也主要集中在新的催化剂单元设计上，以此来克服发动机室的安装问题而不降低NOx的转化率[4]，许多研究涉及SCR系统结构的新材料，以求在低氨吸收能力下实现高强度、高NOx的转化率.在船用柴油机方面，鲜有针对柴油机和SCR系统运行并同时考虑催化反应释放热量的研究.薛阳等[5]对连接有SCR系统的四冲程柴油机进行模拟，探讨了E3和D2工况下SCR系统降低了柴油机的经济性和动力性，但没有考虑SCR中的化学反应导致的温升.基于此，文中基于Langmuir-Hinshelwood反应速率表达式在MATLAB/Simulink中建模，对柴油机稳态和瞬态条件进行仿真模拟，检验SCR系统对柴油机参数和性能的影响.

1 SCR系统数学模型

船用柴油机所安装的SCR系统由四部分组成：孔口(进气口)、尿素加注装置、尿素混合单元及SCR反应器，见图1.其中，尿素溶液转化为氨气并和废气混合的过程发生在SCR反应器前，催化反应发生在SCR反应器中.为探究SCR系统，从反应动力学模型和传热模型两个方面进行数学建模.由于所研究为二冲程柴油机，SCR系统安装在排气总管后并位于涡轮增压器前.

图1 SCR系统组成

1.1 化学反应模型

SCR催化剂结构通常是整体式的，并由大量并联的催化剂块组成.通常将40%尿素和60%水组成的尿素水溶液注入废气中，尿素热水解成氨并在蜂窝状催化剂中与NOx进行催化反应.

尿素热解反应：

(NH2)2CO→NH3+HNCO

(1)

异氰酸水解反应：

HNCO+H2O→NH3+CO2

(2)

标准SCR反应：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(3)

快速SCR反应：

2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O

(4)

根据Arrhenius定律，式(1)和式(2)的反应速率分别为

(5)

(6)

在SCR系统中尽管快速SCR反应优先级最高且更易发生，但由于柴油机尾气排放的绝大部分为NOx，所以标准SCR反应是消除NOx的主要反应.SCR催化反应建模只考虑快速反应和标准反应，忽略慢反应的影响.为了描述在SCR反应单元中发生的化学反应，采用Langmuir-Hinshelwood反应速率表达式.标准和快速反应的反应速率表达式为[6]

(7)

(8)

式中:ci为气体物质浓度，mol/m3；EA,i为气相物质的活化能，kJ/mol；R为气体常数；Tm为混合气体温度，K；Tg为废气温度，K；Ai为前因子；Gi为其他物质覆盖表面时的抑制效应和孔扩散效应,可由式(9)、(10)计算.

G1=Tg(1+K1cNO+K2cH2O)2·

(1+K3cNH3)2(1+K4cO2)2

(9)

G2=Tg(1+K1cNO+K2cH2O)2(1+K3cNH3)2

(10)

式中：Ki为Arrhenius型表达式[7].

1.2 换热模型

1.2.1混合过程换热模型

尿素溶液的喷射过程与元素混合过程是SCR系统工作的重要组成部分，其主要发生了尿素溶液的注入、混合、蒸发及尿素热解.为模拟其传热，假设所有注入的尿素水溶液在元素混合过程全部蒸发，并且以废气、尿素蒸气和水蒸气所组成的混合气体作为过程完成的最终产物.以尿素的重量组成、尿素水溶液的初始温度、尿素和水的热力学参数及尿素热分解的反应焓为这部分的输入参数.

由于从排气总管排出的废气压降较小，可将流经孔口的废气视为不可压缩流体，并由压降和流动面积计算废气的质量流量，即：

(11)

式中：Ao为孔口面积，m2；ρg为废气密度，kg/m3；pin，pout分别为孔口上游和下游的气体压力，Pa；cd为废气的流量系数.

尿素质量流量、柴油机功率和NOx还原反应程度为

(12)

式中：mu为尿素质量流量，kg/s；Peng为柴油机功率，kW；cu为溶液中尿素质量分数，%；ΔNOx为NOx目标还原程度，g/(kW·h)；ρu为尿素密度，kg/L.尿素水溶液的质量流量为

ms=mu/cu

(13)

尿素水溶液因废气高温加热蒸发，从废气中吸收的热量计算式为

Qe=ms[(1-yu)(hwv-hwl)+yucp,u(Tg-Ti)]

(14)

式中：yu为尿素水溶液中尿素的质量分数，%；Ti、cp,u分别为尿素水溶液的初始温度(K)及恒定压力下的比定压热容，J/(kg·K)；hwv、hwl分别为水蒸气及尿素水溶液的比焓，J/kg；Tg为废气温度，K.

尿素热分解释放的热量为

(15)

式中：Hu和Ru分别为尿素热分解的反应焓(J/mol)和反应速率[mol/(L·s)][8].

由上述公式可得尿素水溶液的热传递方程为

Qs=Qe+Qu

(16)

根据能量守恒定律，混合过程完成后的混合气体温度为

(17)

采用混合过程的总传热系数和传热面积计算混合过程中气体与环境的热量传递为[9]

Qht=khtAht(TME-Tamb)

(18)

混合过程中的总传热系数为

kht=km0.75

(19)

式中：k为常数；m为混合过程中质量流量的平均值，kg/s.

1.2.2SCR反应器换热模型

针对SCR反应器进行传热建模，沿排气流动轴线方向等分为n个计算单元，见图2.在反应器中计算单元数量越多，仿真结果越精准但仿真复杂性及时间增加.

图2 SCR反应器建模方法示意图

假定SCR反应器由n个相同计算单元组成，混合物的质量流量均匀的分布在所有计算单元中，并根据质量动量方程定律为

(20)

式中：mp为每个计算单元中混合物的质量流量，kg/s；Ap为计算单元的流动面积，m2；LP为计算单元长度，m；pin和pout分别为每个计算单元上游和下游气体压力，Pa.

在该建模中假设：①从废气到SCR反应器的对流热量在所有计算单元中均匀分布；②考虑催化剂壁和催化剂之间的热量传递，并假设由于后者体积大而保持恒定；③标准反应和快速反应发生在SCR反应单元内，不考虑缓慢反应；④SCR反应器被认为是完全绝缘，忽略和环境的对流换热；⑤不考虑辐射换热；⑥采用摩擦系数计算各计算单元气体下降的压力；⑦SCR系统的几何特征和计算单元数量被视为输入，并与柴油机制造商数据近似.图3为催化剂温度分布示意图.

图3 催化剂温度分布示意图

通过考虑每个计算单元中的能量平衡，由下式计算离开计算单元的气体温度.

(21)

Qgw=kgsAgw(Tg-Tw)

(22)

式中：Agw为从气体到单元壁的总传热面积，m2；Tg为气体温度，K；Tw为单元壁温度，K；kgs为气体侧传热系数，W/(m2·K).

采用动量守恒定律计算每个单元的气体压力为

(23)

催化剂壁温由化学反应的能量平衡方程计算.

(24)

式中：ρc为催化剂密度，kg/m3；cp,c为催化剂比定压热容，J/(kg·K)；ε为催化剂的空隙率，%，表示了气体不能流动的催化剂体积；Vl为发生化学反应的体积，m3.

(25)

式中：Vw为每个单元的壁体积，m3.单元壁和催化剂体积之间的传导热量为

(26)

式中：t为单元壁与催化剂中心之间的距离，m；λ为导热系数，W/(m·K)；Tc为催化剂本体温度，K.

由催化剂层中发生的催化反应所引起的热流率为

(27)

式中：Hi和Ri分别为在SCR反应单元中发生的每个催化反应的反应焓(J/mol)和反应速率[mol/(m3·s)].

1.3 SCR系统Simulink模型建立

Simulink中所搭建SCR系统模型见图4，该模型包括尿素混合单元和SCR反应器两部分，SCR系统根据所需的输入和输出参数相互连接.柴油机模型输出工作介质的质量流量和焓流量作为尿素混合单元的输入，后者又将输出的质量、温度和压力等参数作为SCR反应器模块的输入.

图4 MATLABSimulink中建立的SCR系统模型

以MAN B&W公司的6S46MC机型为目标柴油机，其主要技术参数为：缸数6个；缸径460 mm；冲程1 932 mm；最大持续功率7 860 kW；最大持续转速129 r/min；最大平均指示压力19 bar；涡轮增压器ABB-TPL73.该型柴油机为恒压涡轮增压柴油机，其采用一台涡轮增压器进行涡轮增压，空压机后安装空冷器对压缩空气进行冷却.采用Guan等[10]描述的第二种MVEM建模方法，将含SCR系统的二冲程柴油机在MATLAB/Simulink中进行模型搭建，其实现见图5.基于模块化思想，将柴油机分为气缸、扫气箱、排气管、涡轮增压器等一系列不同的模块，并通过相互连接完成各模块的输入和输出参数交换.

图5 MATLABSimulink柴油机模型

2 SCR系统仿真分析

稳态和瞬态分析主要研究以下三种典型工况：①无SCR系统的柴油机运行；②含未堵塞SCR系统的柴油机运行；③SCR系统堵塞工况下的柴油机运行.在典型工况1中，去掉图5的SCR系统模块，使得排气管与涡轮直接相连并模拟稳态与瞬态下的柴油机运行参数；在典型工况2～3中，在SCR系统模块中分别设置堵塞系数0.01和0.8表达SCR系统的堵塞程度，该系数通过改变进入SCR反应器的质量流量作用于柴油机模型中.

2.1 稳态分析

针对上述三种典型工况，在柴油机25%～100%负载范围内对涡轮增压器轴转速、扫气压力、涡轮质量流量和燃空比进行稳态仿真对比分析，见图6.

图6 稳态工况下柴油机参数对比

由图6可知，当柴油机运行在前两种工况时，柴油机的运行参数并没有太大的偏差.相反，在SCR系统堵塞的工况下，柴油机参数相较于前两种工况有显著变化.SCR系统内烟灰积聚堵塞了催化剂流动区域，并因此降低了进入涡轮机的废气质量流量，这导致了涡轮增压器速度的显著下降以及扫气压力的降低.相较于前两种工况，SCR系统堵塞下的燃空比升高，柴油机的缸内空气流量变低且燃烧不充分，该现象尤其在40%至50%负载范围内因鼓风机的关闭表现得更为显著.

SCR系统的工作温度主要取决于燃料的含硫量及燃料类型，它指示了SCR催化剂有效运行的柴油机最高和最低排气温度.因此，基于船用二冲程柴油机所使用含硫量0.1%的MDO燃料确定了如图的SCR温度窗口.

由图6f)可知，柴油机在40%～50%负载范围内排气温度大幅增加，这是由于SCR系统堵塞引起的压降影响了压缩机的压力比，导致压缩机输出的空气流量减少，使得柴油机承受了更高的热负荷同时也影响了催化剂的正常反应.相反，在25%～40%负载范围内，前两种工况下柴油机的排气温度低于催化剂反应温度的最低值，为解决该问题应在低负荷下调整柴油机运转使得排气温度上升.

2.2 瞬态分析

针对以上三种典型工况，柴油机瞬态仿真模拟运行的结果见图7～8，两图分别展示了柴油机和SCR系统的相关参数随时间的变化趋势.

图7 瞬态工况下柴油机参数对比

瞬态模拟运行总时间为250 s，在模拟中负载从50 s的75%减少至50%，并在150 s将负载增加回75%.图7为柴油机运行参数变化曲线，包括涡轮增压器速度、涡轮质量流量、扫气压力和燃料空气比.由图7可知，与前两种工况相比，当柴油机SCR系统发生堵塞时，涡轮增压器转速的响应滞后.由于SCR系统的堵塞降低了废气质量流量，导致了扫气压力的降低进而每循环缸内空气变少、燃料空气比升高，柴油机热负荷变大使得柴油机性能受到影响.

图8为排气管、尿素混合单元和SCR反应器在未堵塞和堵塞工况下的气体温度和压力.对于未堵塞SCR系统，因为尿素混合单元中尿素水溶液的蒸发及热吸收使尿素混合单元的温度低于排气温度，然而催化剂内部反应导致了SCR反应器的温度升高且略高于尿素混合单元.从未堵塞SCR系统的压力图中观察到，排气管、尿素混合单元和SCR反应器的气体压力并没有很明显的差别，压力降大约12mbar.SCR系统在整个反应完成后压力下降应小于15mbar.在SCR系统堵塞工况下，压力下降明显，且远大于15毫巴的压力降限值.对于温度参数，未堵塞的SCR系统在75%负载下能够保持在SCR催化反应的所需温度范围内，但50%负荷下的100～150 s中的气体温度低于SCR催化反应的所需最低温度.相较于未堵塞工况下存在温度低于SCR催化反应所需温度，堵塞引起气体压力降导致了柴油机热负荷增加和排气温度升高，这使得堵塞的SCR系统温度始终保持在SCR催化反应所需温度范围内.

图8 瞬态工况下SCR系统仿真结果

3 结 论

1) 由模型仿真可知，无SCR系统与含未堵塞SCR系统两种工况对船舶二冲程柴油机影响极小，相对应SCR系统堵塞工况下柴油机运行参数变化明显.

2) SCR系统堵塞严重影响了柴油机正常运转，系统内的烟灰堵塞对排气管的压降有较为明显的影响，导致较低的质量流量进入涡轮机并使得压缩机的增压压力变低，柴油机得不到充分的扫气，这将使柴油机承受更高的热负荷.尤其是柴油机在低负载下应启动鼓风机以助于维持排气压力，若鼓风机未启动或启动失败则柴油机将承受更大的热负荷.

3) 利用模型进行仿真分析，可用于更好的理解含SCR后处理装置的二冲程柴油机在稳态和瞬态条件下的各参数变化以及测试SCR系统和尿素喷射控制.