SCR系统内部通道结构的数值模拟研究

摘要：为了将选择性催化还原（SCR）系统的内部通道性能进一步提升，采用计算流体动力学（CFD）方法建立了SCR系统的单通道模型。首先，通过将模拟预测结果与实验实测数据进行详尽对比，成功验证了单通道模型的有效运作及其预测结果的准确性。其次，为了深入探究不同截面形状对SCR系统性能的具体影响，在保持截面总面积一致的前提下，系统地改变了单通道的形状，并分析了这些变化对关键性能指标——压力损失、速度分布的均匀性以及氮氧化物（NOx）转化效率的影响。实验结果显示，在相对较低的气流速度条件下，采用三角形截面通道的SCR系统展现出了较高的NOx转化效率。研究成果不仅揭示了不同截面形状对SCR系统性能的多维度影响，还为进一步优化该系统的内部结构提供了宝贵的理论支撑与实践指导，为未来的设计与应用奠定了坚实的基础。

关键词：单通道模型；转化效率;性能仿真;SCR系统

中图分类号：U461 收稿日期：2024-08-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.010

1 前言

随着全球经济的快速发展和工业化进程的不断推进，机械行业正朝着更加高效、节能和环保的方向迈进。柴油机因其优越的燃油经济性、可靠性和长寿命，在机械自动化及船舶制造等领域得到了广泛应用[1]。然而，柴油机的大量使用也带来了严峻的环境问题，尤其是氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）的排放对人类生存环境和身体健康造成了严重危害[2]。

为了解决这一问题，研究人员在柴油机排放控制技术方面进行了多方面的改进。这些改进措施包括优化喷油系统、调整供油定时、改善进气过滤和提升柴油质量等[3-4]。然而，对于那些仍然超出排放限制的情况，必须采用额外的后处理技术来进一步减少NOx排放量。在各类后处理方法当中，选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）因其高效的NOx减排能力[5]，已成为行业内研究和应用的焦点。

SCR技术的核心是催化转化器，通过将氮氧化合物（NOx）转化为无害的N2和H2O，有害气体的排放显著降低[6]。目前，催化转化器主要分为蜂窝状、平板状和波纹状三种结构类型[7]。不同的结构类型在性能和应用场景上各有优劣：蜂窝状转化器虽然具有良好的耐久性和抗腐蚀性，但容易出现堵塞；平板状转化器的气流阻力较低，但催化剂的负载量有限[3]；而波纹状转化器则在低灰分环境下表现出色。由于催化转化器内部结构对其性能的影响至关重要，研究不同通道结构的催化转化器成为一个重要的研究课题。

廖承贤等[8]借助计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件建立了详细的模拟模型，以评估不同催化剂结构对NOx减排效果的影响，得到了更高效的SCR系统。罗建斌等[9]提出了一种新型的六边形截面催化剂通道设计，优化了气体向催化剂表面的扩散并减少压降。成静怡等[10]模拟了不同的排气条件，并对催化转化器的性能进行分析。结果表明，优化催化转化器的设计能够有效提升NH3浓度的均匀性，有效降低柴油负荷对系统的影响。

研究还发现，催化转化器的比表面积对NOx去除效率至关重要[11]。为了增加比表面积，通常会在催化剂上涂覆拥有高比表面积的材料。然而，运行过程中产生的高温环境是一个潜在的风险因素，它有可能引发催化剂载体的烧结现象或相态转变，这两种情况都会直接导致催化剂的比表面积显著减少。比表面积的降低会削弱催化剂的活性位点数量，从而降低其催化效率，影响整体反应的性能和效果。

目前，大多数研究集中在一维或二维模型上，但这些模型可能无法全面反映实际工况下的复杂性。有研究表明，与传统的方形通道相比，非传统通道形状在脱氮效率方面可能具有优势[5]。因此，本研究拟利用CFD软件建立单通道的SCR系统反应动力学模型，旨在研究不同形状通道对压降、氨气（NH3）转化率以及NOx转化效率的影响。通过这些研究，希望为NH3-SCR系统的优化和应用提供科学依据。

2 SCR催化器数值模型及验证

SCR系统是当前减少柴油发动机尾气中NOx排放的关键技术之一[5]。该系统的工作原理涉及尿素溶液的喷射与雾化、气液混合，以及最终的催化反应等一系列复杂的化学和物理过程。在这些过程中，催化反应阶段尤为重要，因为它直接决定了NOx的转化效率和排放控制效果[12]。本文着重对这一反应阶段进行深入研究，并通过CFD仿真软件构建了一个精细的SCR系统数学模型[13]。

为了全面描述SCR系统的运行特性，所提出的数学模型涵盖了多个关键方程和物理模型。首先，连续性方程用于描述流体密度随时间和空间的变化，确保质量守恒。动量方程则通过描述流体的速度场变化，帮助预测气体和液体在SCR系统中的流动行为。能量方程负责计算热量的传递过程，特别是在尿素溶液和气体混合时，反映出温度对反应速率和效率的影响。

在流动特性的描述上，本文采用了层流模型，该模型适用于描述SCR系统内较低雷诺数下的流动特性[14]。在处理多相流动问题时，引入了离散相模型（DPM），该模型能够模拟尿素溶液喷射后形成的液滴与气流的交互作用。此外，为了准确描述SCR系统内的化学反应过程，本文引入了组分输运模型和广义有限速率反应模型。组分输运模型用于描述各化学组分在系统中的扩散与对流过程，而广义有限速率反应模型则通过详细描述反应物和生成物的浓度变化，准确模拟出NOx在催化剂表面上的还原过程。

2.1 催化转化器通道的设计

SCR催化反应器中包含许多平行排列的小通道，这些通道的长度远大于其宽度，且催化反应段内部的通道数量较多。本文针对单个通道模型进行了仿真分析。当前工业应用中的SCR系统中，催化转换器的通道形状大多为方形。本文的单通道模型的长度选用300 mm，而一般的方形单通道的截面边长为6 mm。本文在图1中展示了选择性催化还原系统的单通道结构。

在建立模型之前，本文对SCR反应器作出了一些合理的假设。首先，假设SCR反应器入口处的流场分布均匀，并将系统对环境的传热损失忽略。通过管道，排放的尾气可以进入催化转化器，随后进入涂有催化剂的通道内部。在这些通道中，氨气会吸附在催化剂涂层的活性表面，然后尾气NOx在催化剂的作用下产生了还原反应，生成无害的N2和H2O，最终这些产物通过通道中的间隙扩散出去。

为了简化模型并提高计算效率，本文作出了以下假设：

a.忽略整个通道内气体在横向的扩散。在喷射的过程中尿素会进行产生氨气的热解和尿素水解等化学反应，本文假设在对单个通道进行建模过程中不存在这些额外的反应。为了模拟喷射过程中的氨量，模型在入口处直接引入分布均匀的氨气，从而简化计算。

b.边界条件的设定。本文采用均匀质量流入口或压力入口，同时设置边界条件，确保流体流动的均匀性。催化剂表面化学反应的计算采用Eley-Rideal机制，在该机制下反应发生在吸附物与气相分子之间。根据柴油机的不同负荷条件，给出了相应的进气温度。假设催化剂在涂层表面均匀分布，因此，模型中将整个催化剂区域视为多孔介质处理。

c.忽略壁面热辐射和外界环境温度的影响。在建模过程中，本文假设壁面热辐射和外界环境温度对反应过程的影响可以忽略不计，从而简化了热量传递的计算。

2.2 有限化学反应速率模型

2.3 多孔介质模型

2.4 网格独立性验证

为了可以缩短运算周期并能有较大的精确度，本文对模型网格的独立性做出了证明。本文将分别采用三个不同密度的网格，来观察网格尺寸变化对催化剂在多孔介质中压强损失的影响，并将模拟以计算区域中的流动情况与反应精确性等。本文模拟了SCR系统方形通道模型下的网络独立性。为了结果更符合一般情况，模拟实验在25%负荷对独立性结果进行了分析。由表2所示的结果显示，粗网格与中网格的压降差异为51.8 Pa，而细网格与中网格的压降差异仅为5.4 Pa，说明中网格与细网格之间的计算结果已经非常接近。由于细网格计算复杂度较高，为了在保证计算精度的前提下进一步缩短计算时间，本文最终选择了中等密度的网格进行后续的计算和仿真分析。这一选择平衡了计算效率与结果精度，为研究提供了可靠的基础数据支持。

2.5 验证模型

为了验证数值模的准确性，本文建立的SCR反应动力学仿真模型是一种方形通道，其截面边长为6 mm。通过这一模型，我们验证了仿真结果的可靠性，如表3所示。在模拟过程中，通过调整多孔介质模型中的阻力参数，对仿真结果进行了优化，以确保其与实验结果高度一致。最终，实验测量和仿真计算的压力损失误差保持在允许范围内，验证了模型的精度。因此，采用多孔介质模型来模拟实际流场被证明是一种可靠的方法，为进一步研究和优化SCR系统提供了坚实的基础。

2.6 边界条件和案例的设置

本文通过设置不同的负载条件（25%、50%、75%、100%）来探讨SCR系统在不同情况下的反应特征。为了简化模型，假设废气分布均匀进入，且温度为600 K。此外，反应区域仅限于催化反应器内的多孔介质区域。

不失一般性的前提下，本文假设催化反应器的对流换热系数为5 W/（m²·K），其内部为铝制壁面，同时满足边界滑移速度为零、表面光滑即摩擦因数为零的条件。

此外，催化反应器出口处的边界条件设定为出口压力与大气压力相同，确保模型更接近实际工况。在SCR系统数值模拟时，本文采用了层流模型。不同工况下模拟结果如表4所示。

本文针对不同形状的通道进行了研究，选择了正四边形、正五边形、正六边形、正七边形、正八边形和圆形6种形状的通道作为研究案例，如表5所示。在确保每种通道截面积均为452 mm²的前提下，计算得出以下几何参数：正四边形的边长为21.26 mm，正五边形的边长为16.17 mm，正六边形的边长为13.18 mm，正七边形的边长为11.02 mm，正八边形的边长为9.67 mm，圆形通道的半径为11.99 mm，如图2所示。

3 结果和讨论

本文通过仿真模拟的方法，分析了不同内部通道形状对SCR系统性能的影响。通过实验模拟和数值分析，本文探讨了多种通道形状下的压力损失、NO转化效率以及流速分布均匀性，确定了最有效提升NO转化效率的通道形状，整个SCR系统的性能得到了优化。

更具体地，本文评估压力损失的大小、NO转化效率的优劣以及流速分布的均匀性，分析了不同通道形状对SCR系统性能的影响。通过分析上述关键性能指标，本文给出了一般情况下的最佳通道设计方案。该方案在最大化NO的转化效率的同时降低系统的总体压力损失，保证了流速分布的均匀性，实现了更高的排放减少效率和更低的能耗水平。

3.1 压力损失分析

催化反应器的压力损失相对柴油机排气系统压力损失较小，一般约占柴油机排气系统压力损失的35%。而在本文的系统中，主要的压力损失源自催化剂通道。因此，为了避免过高的排气背压对柴油机性能产生不利影响，本文在设计SCR系统时，考虑将压力损失降低至足够小。图3展示了不同负载与总压降的折线图。

在100%负载条件下，通道形状对SCR系统的压力损失影响显著。具体数据如下：Case 1（正方形通道）压降为9768.24 Pa，Case 2（正五边形通道）压降为9 671.99 Pa，Case 3（正六边形通道）压降为9 752.74 Pa，Case 4（正七边形通道）压降为9 693.67 Pa，Case 5（正八边形通道）压降为9 690.54 Pa，而Case 6（圆形通道）压降为10 770.33 Pa。其中，正七边形通道的压降最低，而圆形通道的压力损失最高。

这些差异的主要原因在于尾气在不同通道形状中的扩散路径差异。尾气从通道中心到通道壁面的扩散距离对于不同的通道形状并不相同，这直接影响了压力损失。在低速工况下（12 m/s），6种通道的压力损失差异较小，显示出各通道形状在低流速下的性能较为接近。然而，从实验数据来看，壁面压力的损失受尾气流速影响较大。尾气流速增加会导致通道壁面所受压力不同，且各形状的通道压力差异较大。

结果表明，较小的压力损失是催化剂设计的重要考虑因素。为了优化SCR系统的性能，应优先选择能够降低压力损失的通道形状。根据本次的研究成果，在相同条件下，正七边形通道对最佳的压力损失削弱效果最好，其次是正五边形。

3.2 速度均匀性分析

为了衡量选定曲面上的速度分布均匀程度，本文引入速度均匀性系数。催化剂内的速度均匀性受压降的变化影响。图4展示了在100%负载条件下，不同形状通道的速度云图，以及它们在同一位置截面面积下的速度均匀性变化。

从图4中可以看出，正方形通道这种几何形状对气流顺畅流动起阻碍作用。这些锐角可能会导致气流在该区域内停滞，不利于氮氧化物的转化。此外，直角边若长时间使用极易产生结垢阻碍气流流动，对SCR系统的使用寿命产生不利影响。因此，正方形通道虽然常见，但在实际应用中存在一定的局限性。

为了克服正方形通道的不足，本文选择了正五边形和正七边形通道作为替代方案。通过对这些通道的速度云图分析可以发现，正五边形和正七边形通道的速度分布更为均匀。这些通道形状能有效改善尾气在通道中的流动，减少了可能的堵塞问题，从而有助于提升SCR系统的化学反应效率和系统的整体性能。

此外，速度云图还显示了三角形通道的整体速度较低，伴随较大的压力损失。这表明，三角形通道可能在流量分布上存在不均匀性，导致较高的压降和较低的反应效率。

在不同形状的通道中，正三角形通道的速度分布表现出一些独特的特点。具体来看，正三角形通道的气流流动速度整体较低，而中心区域相比周围气流流动速度较快。这种现象是由于正三角形通道内的压力损失较大，尾气在通道内所受阻力加大，因此整体的速度变化较小。尽管如此，较小的速度变化为反应提供了充足的反应时间，从而有利于提高NO转化效率。因此，尽管正三角形通道的整体流速较低，其NO转化效率相对较高。

如图5所示，通道尾气流速的增加能逐渐提升速度均匀性。特别地，正六边形通道在所有通道中表现出最好的速度均匀性，其速度均匀性系数达到0.74。正六边形通道通过其结构上的优势，改善了通道内的气流分布，特别是相邻的直角边缘设计有助于提高速度均匀性。相较于其他形状，正六边形通道的速度均匀性更高，有效减少了流速的不均匀性，优化了催化反应的条件。

3.3 温度变化

通常情况下，催化反应的速率和催化剂的活性受温度影响大，当通道内的反应温度提升时反应速率和催化剂活性也会有一定程度的提升。大量研究表明[14]，若选择性催化还原系统中的NOx还原反应超出了合适的温度区间，反应将不能有效进行，也就是说尾气不能被处理。因此，了解不同进口速度下单通道内的温度变化是至关重要的。关注单通道内的温度的变化趋势，直接影响NOx还原反应是否能有效进行，尾气是否能被有效处理。

图6展示了进口速度和进出口温度差的对应关系。进口速度的增大，会对单通道进出口温度差产生不同程度影响。根据图中变化关系不难看出，总的SCR单通道系统内的温差大于零，这表明SCR反应是一个放热反应。分析结果显示，随着进口速度的增加，温度差也在增大。也就是说，低速范围内，反应系统温度损失反而越大。相反，随着速度的提高，通道内壁面温度损失逐渐减少。

具体而言，不同通道形状的壁面温度损失表现出显著差异。通过对比不同案例，可以得出壁面温度损失最高的为正四边形，损失最小的是正五边形。在相同表面积下，通道的周长较长，相对来说就会有更多的热量会从通道壁面处流失。也正是由于正四方形通道相较其他通道形状有着更长的周长。

相比之下，正五边形和正七边形通道在减少壁面温度损失方面表现优越。这意味着，这些通道形状能更有效地保持内部温度，有助于促进脱硝反应的进行，从而提高SCR系统的整体性能。

3.4 SCR系统的NO转化效率

在不同负载条件下，SCR系统不同类型形状的单通道NO转化效率存在较大的差异，具体如图7所示。不难理解，尾气进入系统的速度越大，尾气充分反应的时间越短，反应越不彻底，也就意味着NO转化效率越小。具体来说，负载条件为25%时，6种不同形状通道的NO转化效率分别为：Case 1（正方形）78.42%、Case 2（正五边形）75.49%、Case 3（正六边形）78.31%、Case 4（正七边形）79.51%、Case 5（正八边形）76.97%、Case 6（圆形）77.66%。

实验结果显示，入口速度与NO转化效率成反比，尾气在系统进口处的速度越大，NO转化效率越小。这是因为高速度下反应时间缩短，使得气体与催化剂的接触时间不足，从而降低了转化效率。在所有负载条件下，相同截面面积下的不同通道形状对NO转化效率的影响有所不同。具体分析如下：

反应通道截面面积相同时废气转化率与截面周长成正比，即截面的周长越长，单通道的壁面面积越大。当壁面面积变大，气流与催化剂的接触面积更大，废气转化率会相应的提高。正四边形通道的截面周长最长，因此在一定程度上，其NO转化效率也较高。然而，实际测试结果中，正四边形通道的转化效率并不是最高，这表明虽然壁面面积较大，但其他因素如流动分布和温度均匀性等也对转化效率有重要影响。

在12 m/s的进口速度下，正三角形通道表现出最佳的NO转化率。这可能是因为正三角形通道的壁面温度损失较小，同时提供了相对较长的反应时间。与其他通道形状相比，正八边形通道的NO转化效率较低。这可能是由于其复杂的形状导致的气流分布不均匀。

正五边形和正七边形通道在转化效率方面表现良好，特别是正七边形通道在各个负载下的转化效率较高。正五边形和正七边形的设计能够在保证较高的壁面面积的同时，优化流速分布，减少堵塞现象。本文将进口速度从初速度13.2 m/s增加到44.3 m/s后发现正方形通道的NO转化率下降了15.41%。这意味着，转化效率受流速的影响较大，两者成反比例关系。优化通道设计以应对不同速度条件下的性能变化是提升SCR系统效率的关键。

当废气中同时存在NO、NO₂和NH₃时，标准SCR反应与快速SCR反应在催化剂的第一层展开竞争。这种竞争会显著影响催化反应的效率。

以下是对不同通道形状在此条件下的催化转化效率进行分析。在低空速条件下，通道形状对催化转化效率的影响更为明显。这是因为在低空速下，气体在通道内的流速较慢，催化剂表面的反应时间较长，因此通道形状对气流分布和催化剂接触程度的影响变得更为重要。不同的通道形状可能导致气流在催化剂表面的分布不均匀，从而影响NO和NH₃的转化效率。随着入口气体速度的增加，气体在通道中的停留时间减少，反应时间缩短，此时通道形状对催化转化效率的影响变小。在高空速条件下，流速增加导致气体通过催化剂的时间缩短，整体转化效率主要由催化剂表面的反应速率决定，而通道形状的影响相对减弱。

从图8可以看出，在接近壁面的催化剂具有较好的转化效率。因为在接近壁面的区域当中，气流的流动速度相对较低，尾气与催化剂的反应时间较长，从而提高了转化率。气流流动速率较低的区域反应充分进行，残余废气中NO的含量得以减少。在通道内接近壁面的区域，由于气流速度较低，这些区域的催化剂能够更加充分地参与反应，从而提高了整体的转化效率。与通道中心区域相比，壁面区域的催化剂可能会因流速较低而减少催化剂的反应负荷。

3.5 SCR系统的NH3的转化效率

在SCR系统中，NOx的转化效率和氨气的转化效率是关键的性能指标。根据图8，以下是不同速度进口条件下氨气转化效率的分析。在不同通道形状中，Case 6（正三角形）显示出最高的氨气转化效率。这是因为正三角形通道在设计上允许气流更加均匀地分布，且通道内的温度相对均匀，有利于提高氨气的氧化速率。Case 3（椭圆形）在氨气转化效率方面表现最差。这可能是由于椭圆形通道的流动特性导致了较大的局部流速变化，影响了氨气的有效氧化。氨气的转化效率通常高于NO的转化效率。这是因为在SCR系统中，氨气的转化反应通常会伴随较高的温度，提升了反应速率。随着催化反应进行，温度升高促进了氨气的进一步氧化，从而提高了其转化效率。催化反应过程中产生的热量会导致通道内的温度升高。温度升高有利于氨气的氧化反应，因此在高温条件下，氨气的转化效率通常会更高。对于不同的通道形状，这种温度升高的效应可能会有所不同，但总体趋势是，通道内的高温能有效提高氨气的转化效率。

4 结语

本文讨论了SCR系统中不同通道形状对系统性能的影响，旨在提高NOx和NH3的转化效率，同时降低压力损失并改善流速的均匀性。相关的成果归结如下：

a.在100%负载条件时，正七边形通道的压力损失最小，而圆形通道的压力损失最大，显示出通道形状对流动阻力的显著影响。正七边形通道在降低压力损失方面效果最佳。随着流速增加，压力损失差异加大，表明流速对压力损失影响显著。合理选择通道形状可以有效减少压力损失，提升系统性能。

b.正六边形通道在速度均匀性方面表现最佳，优化通道形状能够显著提升流速均匀性，从而提高NOx转化效率。虽然正三角形通道的速度均匀性较差，但仍能有效促进氮氧化物的转化。

c.不同通道形状对温度分布的影响明显。正四边形通道的温度损失较大，而正五边形和正七边形通道则能更好地减少温度损失，提高催化反应效率。

d.氨气转化效率最高的形状是正三角形通道，正三角形通道有利于促进氨气的氧化反应，而椭圆形通道的氨气转化效率最低。通常，氨气的转化效率高于NO，这与催化反应的温度效应密切相关。

总的来说，降低压力损失方面最为优异的是正七边形通道，而正三角形通道则在氨气转化效率上表现最佳。实验证明了通道设计对SCR系统的整体性能有显著影响，在实际生产中合理选择通道形状和优化设计参数是提升SCR系统性能的关键。因此本文的研究对生产实践具有一定的指导作用，存在一定的实际意义。

参考文献：

[1]李明建，胡友耀，刘西文，等.基于氨存储模型的SCR系统尿素喷射控制策略研究[J].拖拉机与农用运输车，2024，51（4）：60-63.

[2]黄晶晶，安丽，段振，等.柴油机尾气颗粒物处理技术研究[J].低碳世界[J].2024，14（7）：7-9.

[3]陈栓俊，张久龙，祝朝阳，等.适用于燃煤锅炉的SCR烟气脱硝喷氨技术研究[J].化学工程师，2024，38（6）：42-45.

[4]何勇，黄雅兰.微粒捕集器喷油助燃再生旋流燃烧器流场特性研究[J].南方农机，2022，53（10）：29-31.

[5]刘宇，张允华，廖程亮，等.SCR载体尺寸对背压及NOx转化效率的影响[J].汽车与新动力2024，7（2）：40-44.

[6]许红祥.SCR系统的内部结构性能影响研究及优化[D].柳州：广西科技大学，2023.

[7]梁海明，许红祥，雷小霞，等.催化剂的非均匀分布对船舶SCR系统特性的影响[J].环境工程技术学报，2024，14（3）：836-845.

[8]廖承贤，王海兵，刘茜雅，等.以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征[J].中国沙漠，2023，43（6）：71-75.

[9]罗建斌，米珂，李铭森，等.并列行驶的类车体气动特性数值模拟[J].广西科技大学学报，2022，33（2）：1-8.

[10]成静怡，庞英杰.基于变分模态分解和SSA-LSTM的SCR脱硝系统入口NOx浓度预测[J].自动化应用，2024，65（1）：166-169.

[11]ZHANG C，SUN C，WU M，et al.Optimisation design of SCR mixer for improving deposit performance at low temperatures[J].Fuel，2019，237：465-474.

[12]许红祥，许德衡，萧水清，等.SCR系统混合器与喷雾参数的数值模拟研究[J].广西科技大学学报，2024（4）：1-8.

[13]夏赣民，李醒飞，刘帆.气体对磁流体动力学传感器影响机理的探讨[J].仪器仪表学报，2023，44（4）：238-248.

[14]郭明山，李晓波，沈腾，等.船用低压SCR反应装置仿真及优化[J].柴油机，2023，45（2）：43-47.

[15]OLSSON L，SJöVALL H， BLINT R J. Detailed kinetic modeling of NOx adsorption and NO oxidation over Cu-ZSM-5[J].Applied Catalysis B：Environmental，2009，87（3）：200-205.

作者简介：

许德衡，男，1994年生，助教，研究方向为汽车空气动力学、特种车加工技术。