王軍， 季亮， 董彥， 王興華， 王靜， 何濤

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

柴油機(jī)SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化率影響因素的研究

王軍， 季亮， 董彥， 王興華， 王靜， 何濤

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

利用計算流體動力學(xué)的方法對柴油機(jī)SCR尿素水溶液噴霧分解和催化劑表面的化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合SCR臺架試驗，探究了氨氮比、溫度、空速和噴嘴安裝位置對NO轉(zhuǎn)化率的影響。結(jié)果表明：當(dāng)氨氮比在0.6～2.0時，NO轉(zhuǎn)化率隨氨氮比的升高呈先升后降趨勢，氨氮比為1.2時的NO轉(zhuǎn)化率較高；當(dāng)催化劑溫度在300～500 ℃時，NO轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高呈先升高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，溫度達(dá)450 ℃時基本穩(wěn)定；空速在13 000～21 000 h-1時，NO轉(zhuǎn)化率隨空速升高逐漸降低；隨著噴嘴與催化劑距離的增加，NO轉(zhuǎn)化率逐漸增加，當(dāng)噴嘴與催化劑距離大于450 mm時，NO轉(zhuǎn)化率逐漸趨于穩(wěn)定。

柴油機(jī)； 選擇性催化還原； 轉(zhuǎn)化效率； 數(shù)值模擬

柴油機(jī)主要排放污染物為氮氧化物(Nitrogen oxides，NOx)和顆粒物 (Particulate matter，PM)，隨著我國排放標(biāo)準(zhǔn)的快速推進(jìn)，單獨依靠柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已不能滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。選擇性催化還原(Selective catalytic reduction，SCR)作為降低柴油機(jī)NOx排放、滿足國Ⅳ及以上排放法規(guī)的必要技術(shù)手段之一，具有可進(jìn)一步優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，降低油耗等優(yōu)勢[1-2]。

國內(nèi)外科研人員對SCR技術(shù)進(jìn)行了深入研究。辛喆等[3]對催化器載體表面的化學(xué)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗驗證，研究了溫度、NO2的體積分?jǐn)?shù)以及NO2和NOx的體積比對NOx轉(zhuǎn)化率的影響。帥石金等[4]通過仿真與試驗相結(jié)合的方法，研究了催化劑的特性和還原劑的噴射控制策略，優(yōu)化了噴嘴布置位置和噴孔數(shù)目。Ming Chen等[5]通過數(shù)值模擬方法對還原劑在催化器前噴霧特性、蒸發(fā)現(xiàn)象及SCR催化器內(nèi)部流動與催化反應(yīng)進(jìn)行了研究。Reggie Zhan等[6]設(shè)計了一種新型混合器，通過試驗證明可提高SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化率，減少NH3泄漏。

本研究利用AVL Fire軟件建立了SCR反應(yīng)模型，綜合考慮了尿素水溶液的噴射、霧化、熱解和水解，催化劑載體表面化學(xué)反應(yīng)等過程，對SCR系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并結(jié)合SCR臺架試驗研究了不同氨氮比、溫度、空速以及噴嘴安裝位置條件時，SCR系統(tǒng)對柴油機(jī)NO轉(zhuǎn)化率的影響規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)SCR系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 SCR催化器模型

1.1 幾何模型

SCR催化器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及計算網(wǎng)格見圖1。

圖1 SCR催化器結(jié)構(gòu)參數(shù)及計算網(wǎng)格

催化器系統(tǒng)中排氣管直徑為70 mm，噴嘴由3個直徑為0.5 mm的噴孔構(gòu)成，3孔水平布置，中間孔軸線順沿排氣管中心線，3孔軸線水平夾角為45°，噴嘴插入排氣管深度為35 mm，與催化劑前端面距離為500 mm。SCR催化劑為釩基催化劑，催化劑直徑為202 mm，長度為155 mm，孔密度為62 孔/cm2，壁厚為0.13 mm。圖1b為幾何模型的Hypermesh網(wǎng)格劃分圖，將此網(wǎng)格模型導(dǎo)入AVL Fire軟件后處理模塊中進(jìn)行SCR系統(tǒng)模擬仿真。

1.2 計算模型及邊界條件

尿素水溶液噴射過程模擬采用離散液滴模型(DDM)，利用拉格朗日方程跟蹤離散液滴的運(yùn)動；湍流運(yùn)動過程采用k-ε湍流模型，湍流流動過程遵循能量守恒、動量守恒及質(zhì)量守恒；SCR催化器內(nèi)部流動特性采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬[7-9]?？紤]到尿素水溶液液滴在噴射過程中經(jīng)歷了破碎、湍流擾動、變形、碰撞聚合和碰壁等一系列的物理變化過程，噴霧模型中加入了二次破碎模型、湍流分散模型、碰壁模型和粒子相互作用模型等。

根據(jù)試驗測量值設(shè)定入口質(zhì)量流量和溫度，湍動能為進(jìn)口平均速度平方的5%，特征長度為進(jìn)口直徑的10%。入口氣體組分體積分?jǐn)?shù)按臺架試驗測量值進(jìn)行設(shè)置，出口設(shè)置為靜壓邊界條件，壓力為0.1MPa[10-11]。

2 柴油機(jī)SCR臺架試驗

2.1 試驗裝置

柴油機(jī)SCR系統(tǒng)臺架試驗布置見圖2，主要包括柴油機(jī)、測功機(jī)、SCR系統(tǒng)尿素噴射控制系統(tǒng)、NOx傳感器、溫度傳感器等。為降低PM對尿素噴嘴堵塞和SCR催化劑失活的影響，延長催化劑使用壽命，在SCR催化劑上游加裝了柴油顆粒過濾器(DPF)。發(fā)動機(jī)型式為直列、水冷、四沖程、干式，其主要技術(shù)參數(shù)見表1[12]。

圖2 SCR系統(tǒng)臺架試驗布置

缸徑/mm80排量/L1．809行程/mm90標(biāo)定功率/kW29壓縮比18∶1標(biāo)定轉(zhuǎn)速/r·min-13000

2.2 試驗驗證

試驗時，固定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，通過增加負(fù)荷以提高柴油機(jī)排氣溫度，依據(jù)柴油機(jī)不同工況的NO排放折算出尿素噴射量，使氨氮比保持為1。由于柴油機(jī)排氣中NOx的主要成分為NO，占90%以上，故將NO視為NOx。當(dāng)空速為19 000 h-1，噴嘴距離催化劑500 mm時，NO的體積分?jǐn)?shù)及轉(zhuǎn)化率隨排氣溫度的變化規(guī)律見圖3。由圖3可見，當(dāng)排氣溫度由300 ℃上升到450 ℃時，NO試驗和模擬轉(zhuǎn)化率均提高了約17%，模擬值與試驗值相差最大約為4%，兩者趨勢大致相同,故所建SCR模型可靠合理。

圖3 NO轉(zhuǎn)化率隨排氣溫度的變化

3 不同參數(shù)對NO體積分?jǐn)?shù)與轉(zhuǎn)化率的影響

3.1 氨氮比的影響

設(shè)定空速為13 000 h-1，排氣溫度為350 ℃，噴嘴距離催化劑為500 mm，入口處NO體積分?jǐn)?shù)為956×10-6，SCR催化器出口NO體積分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)化率隨氨氮比的變化規(guī)律見圖4與圖5。由圖4與圖5可見，隨著氨氮比的增加，NO轉(zhuǎn)化率呈先升高后降低的趨勢，當(dāng)氨氮比為1時，NO轉(zhuǎn)化率可達(dá)59%，當(dāng)氨氮比為1.2時，NO轉(zhuǎn)化率最高，可達(dá)60%。這是由于NH3過量時，一方面NH3氧化副反應(yīng)的反應(yīng)速率將增大，另一方面，過量的尿素水溶液進(jìn)入催化劑后會阻礙流體在多孔介質(zhì)中的徑向流動，造成SCR催化劑內(nèi)部出現(xiàn)NO和NH3的分布不均現(xiàn)象，催化還原反應(yīng)不充分，導(dǎo)致NO轉(zhuǎn)化率降低并趨于穩(wěn)定[13]。

圖4 不同氨氮比時NO體積分?jǐn)?shù)分布

圖5 NO體積分?jǐn)?shù)及轉(zhuǎn)化率隨氨氮比的變化

3.2 溫度的影響

空速為17 000 h-1，噴嘴距離催化劑500 mm，氨氮比為1，入口處的NO體積分?jǐn)?shù)為956×10-6時，SCR催化器出口NO體積分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)化率隨排氣溫度的變化規(guī)律見圖6與圖7。由圖6與圖7可知，溫度為300 ℃時，出口處的NO體積分?jǐn)?shù)為583×10-6，NO轉(zhuǎn)化率為39%，此時催化劑溫度較低，反應(yīng)活性較差。隨著溫度的增加，催化劑反應(yīng)活性逐漸提高，NO轉(zhuǎn)化率隨之上升，當(dāng)溫度達(dá)到450 ℃時，NO轉(zhuǎn)化率逐漸穩(wěn)定[14]。

圖6 不同溫度時NO體積分?jǐn)?shù)分布

圖7 NO體積分?jǐn)?shù)及轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化

3.3 空速的影響

排氣溫度為400 ℃，噴嘴距離催化劑500 mm，氨氮比為1，入口處的NO體積分?jǐn)?shù)為956×10-6時，SCR催化器出口NO體積分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)化率隨空速的變化規(guī)律見圖8與圖9。由圖8與圖9可見，隨著空速的升高，出口處NO體積分?jǐn)?shù)呈近似線性增加趨勢，NO轉(zhuǎn)化率呈近似線性降低趨勢。當(dāng)空速由13 000 h-1提高到21 000 h-1時，NO轉(zhuǎn)化率由67%降低為46%。這是由于隨著空速的提高，尿素水溶液在排氣管中的滯留時間減少，水解和熱解反應(yīng)不能充分進(jìn)行，NH3體積分?jǐn)?shù)降低，從而導(dǎo)致NO轉(zhuǎn)化率降低[15]。

圖8 不同空速時NO體積分?jǐn)?shù)分布

圖9 NO體積分?jǐn)?shù)及轉(zhuǎn)化率隨空速的變化

3.4 噴嘴安裝位置的影響

空速為19 000 h-1，排氣溫度為400 ℃，氨氮比為1，入口處的NO體積分?jǐn)?shù)為956×10-6時，SCR催化器出口NO體積分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)化率隨噴嘴安裝位置的變化規(guī)律見圖10與圖11。由圖10與圖11可知，NO轉(zhuǎn)化率隨噴嘴與催化劑距離的減小而呈降低趨勢，當(dāng)噴嘴與催化劑的距離由500 mm縮短至100 mm時，出口處NO的體積分?jǐn)?shù)由488×10-6增大到841×10-6，NO轉(zhuǎn)化率由49%降低為12%。這是由于尿素噴嘴與催化劑距離縮短后，尿素水溶液在排氣管內(nèi)流動時間和空間較短，發(fā)生的熱解和水解反應(yīng)不充分，且水溶液粒子熱解產(chǎn)物在催化劑內(nèi)部擴(kuò)展不足，使得NH3體積分?jǐn)?shù)較低，不利于NO還原反應(yīng)的進(jìn)行。

圖10 不同噴嘴安裝位置時NO體積分?jǐn)?shù)分布

圖11 NO體積分?jǐn)?shù)及轉(zhuǎn)化率隨噴嘴安裝位置的變化

4 結(jié)論

a) 隨著SCR系統(tǒng)氨氮比的升高，NO轉(zhuǎn)化率呈先升高后降低的變化趨勢；

b) 溫度在300～450 ℃范圍內(nèi)時，NO轉(zhuǎn)化率先隨溫度的升高而升高，當(dāng)溫度達(dá)到450 ℃時，NO轉(zhuǎn)化率逐漸穩(wěn)定；

c) 空速增大時，尿素水溶液在排氣管中滯留時間以及NH3對NO的選擇性催化還原反應(yīng)時間變短，從而導(dǎo)致NO轉(zhuǎn)化率降低；

d) 隨著噴嘴與催化劑距離的增大，尿素水溶液在催化劑上游的熱解和水解反應(yīng)進(jìn)行得更為充分，生成的NH3體積分?jǐn)?shù)較高，NO轉(zhuǎn)化率隨之升高。

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[編輯： 姜曉博]

Influencing Factors of NOxConversion Efficiency for Diesel Enigne SCR System

WANG Jun， JI Liang， DONG Yan， WANG Xinghua， WANG Jing， HE Tao

(School of Automotive and Traffic Engineering， Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The spray and decomposition process of urea solution and chemical reaction process on the surface catalyst of selective catalytic reduction(SCR) system were simulated by using computational fluid dynamics(CFD) method. Combined with SCR engine test, the influences of ammonia nitrogen ratio, temperature, space velocity and urea injector position on NO conversion efficiency were researched. The experimental results show that NO conversion efficiency first increases and then decreases when the ammonia nitrogen ratio is between 0.6 and 2 and reaches the peak when the ratio is 1.2. NO conversion efficiency increases among the range of 300-450 ℃ and becomes stable when the temperature reaches 450 ℃ till to 500 ℃. At the space velocity range of 13 000-21 000 h-1, NO conversion efficiency decreases with the increase of velocity. In addition, the increase of distance between injector and catalyst will lead to the increase of NO conversion efficiency, but has little influence on it beyond 450 mm.

diesel engine； selective catalytic reduction； conversion efficiency； numerical simulation

2017-01-18；

2017-06-30

國家自然科學(xué)基金(51306074)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510299069X)；江蘇省普通高校研究生實踐創(chuàng)新計劃項目(SJLX15_0494)；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項目

王軍(1980—)，男，副教授，主要研究方向為發(fā)動機(jī)工作過程及排放污染物控制研究；qcwjun@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.003

TK421.5

B

1001-2222(2017)04-0011-05