杜慧勇,尤子豪,李 可,李 民,楊自冬,任思銘

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院,河南 洛陽 471003;2.固安迪諾斯環(huán)保設(shè)備制造有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

尿素選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術(shù)可以在保持柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),有效地降低NOX的排放問題。隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格,更高NOX轉(zhuǎn)化效率的SCR系統(tǒng)成為發(fā)展的主流,而NH3的分布均勻性是影響NOX轉(zhuǎn)化效率的最主要因素。在SCR系統(tǒng)中,混合器是提高NH3分布均勻性和尿素液滴蒸發(fā)分解效率的重要裝置[1]。

混合器一方面通過產(chǎn)生渦流和湍流來促進(jìn)NH3和尾氣的混合,另一方面通過提高尿素液滴蒸發(fā)速率和促進(jìn)液滴二次破碎來改善尿素溶液的霧化效果[2]。國內(nèi)外在混合器對(duì)SCR系統(tǒng)的的影響方面做了大量的研究:文獻(xiàn)[3]通過數(shù)值模擬的方法,模擬了混合器對(duì)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和壁膜的影響。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)對(duì)SCR系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)混合器能夠有效改善SCR內(nèi)NH3分布均勻性及NOX轉(zhuǎn)化效率。文獻(xiàn)[5]通過建立SCR系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合器安裝于噴嘴下游100～200 mm處,能明顯提高SCR系統(tǒng)對(duì)NOX的轉(zhuǎn)化效率。文獻(xiàn)[6]通過CFD的模擬分析,發(fā)現(xiàn)混合器葉片角度對(duì)SCR性能有重大影響。文獻(xiàn)[7-8]提出了2種新型的混合器結(jié)構(gòu),結(jié)果表明2種新型的混合器結(jié)構(gòu)都可以改善尿素的霧化效果和NH3的均勻性分布。文獻(xiàn)[9]通過混合器類型和分解管長(zhǎng)度的不同組合,來研究SCR系統(tǒng)上還原劑分布與NOX還原性能之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[10]通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證添加混合器和導(dǎo)流器可以促進(jìn)還原劑與尾氣更好地混合。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)混合器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果表明優(yōu)化后的混合器可以減少液膜的形成,提高NH3的均勻性分布,并且降低尿素結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[13]通過臺(tái)架實(shí)驗(yàn),得到混合器位置對(duì)流線有巨大影響。文獻(xiàn)[14-15]在傳統(tǒng)的混合器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型混合器,結(jié)果表明新型混合器可有效降低結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)確保了還原劑的更高分布。文獻(xiàn)[16]通過對(duì)比分析了不同的混合器與湍流強(qiáng)度對(duì)SCR內(nèi)液膜和沉積物的影響。文獻(xiàn)[17-18]運(yùn)用模擬計(jì)算的方法,證明葉片式混合器在改善還原劑均勻性和減少壓力損失方面優(yōu)于擋板式混合器。文獻(xiàn)[19]在計(jì)算模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,選取不同的進(jìn)口擋板和導(dǎo)流板幾何參數(shù)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混合器內(nèi)湍動(dòng)特性和混合系統(tǒng)背壓的影響。文獻(xiàn)[20]采用渦流式混合器和附加混合室等混合單元,以提高船用尿素SCR 系統(tǒng)中低壓降的流動(dòng)混合性能。文獻(xiàn)[21]發(fā)現(xiàn)把混合器放置在遠(yuǎn)離催化劑層的位置,可以增強(qiáng)NH3混合和流速的均勻性。

綜上所述,國內(nèi)外對(duì)于SCR系統(tǒng)中混合器的研究多集中在混合器的結(jié)構(gòu)、混合器的位置、混合器的類型等因素對(duì)尿素霧化效果和NOX轉(zhuǎn)化效率的影響,還有一些研究是對(duì)混合器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),而在混合器本體溫度對(duì)柴油機(jī)低排溫條件下SCR系統(tǒng)中尿素霧化效果方面的相關(guān)研究相對(duì)較少。本文通過模擬仿真的方法研究在發(fā)動(dòng)機(jī)低排溫條件下時(shí),不同溫度的混合器對(duì)混合器上液膜分布情況、催化器前端NH3均勻性系數(shù)的影響,最終選擇合適的混合器本體溫度,提高低排溫條件下尿素的霧化效果與NH3均勻性系數(shù)。

1 SCR系統(tǒng)的建模

1.1 SCR系統(tǒng)介紹

尿素水溶液的霧化效果是影響NOX轉(zhuǎn)化效率的主要因素。尤其是在低排溫(200 ℃)條件下,尿素水溶液噴射后會(huì)在壁面形成液膜,產(chǎn)生沉積物,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在排氣管中加裝混合器可以產(chǎn)生氣流擾動(dòng),有效地促進(jìn)尿素水溶液的霧化效果,提高NH3在SCR內(nèi)分布的均勻度,從而提高SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。此外,合適的溫度可優(yōu)化尿素水溶液的霧化效果。因此,本文選取與實(shí)驗(yàn)相近的柴油機(jī)低排溫條件進(jìn)行模擬分析,在云內(nèi)4102柴油機(jī)1 200 r·min-1,20%負(fù)荷條件下,設(shè)計(jì)并選取混合器,探究混合器本體溫度對(duì)壁面液膜和NH3分布均勻性的影響,以獲得SCR系統(tǒng)高效的工作效率。

1.2 SCR系統(tǒng)的幾何模型

本文采用直管,建立非氣助式SCR模型,如圖1所示。排氣管管徑為D=97 mm,噴射點(diǎn)距離催化劑前端距離為402 mm,所用噴嘴為單孔噴嘴,尿素水溶液噴射角度為30°,催化反應(yīng)器管徑為200 mm,長(zhǎng)度為270 mm。

圖1 SCR系統(tǒng)示意圖

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格的數(shù)量會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精確性和可行性。一般情況下,網(wǎng)格數(shù)量越多,其計(jì)算結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。但是,網(wǎng)格數(shù)量太多,不僅會(huì)導(dǎo)致計(jì)算緩慢,還會(huì)占據(jù)大量計(jì)算的內(nèi)存,增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算成本。所以,需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證,來同時(shí)兼顧計(jì)算的精確性和成本。在SCR系統(tǒng)中,NH3的均勻性對(duì)NOX轉(zhuǎn)化效率具有重要影響。本文以催化器入口截面處NH3的均勻性為研究對(duì)象,對(duì)SCR系統(tǒng)的網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。

圖2是尿素水溶液在入射角30°和噴射壓力0.9 MPa條件下,不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)應(yīng)入口截面處NH3的分布均勻性。從圖2中可以看出:隨著網(wǎng)格數(shù)量越來越多,計(jì)算的結(jié)果也越來越精確,但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于80萬時(shí),NH3的均勻性系數(shù)變化較小。所以,考慮到計(jì)算結(jié)果的精確性與計(jì)算機(jī)成本、計(jì)算時(shí)間等因素,本文最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為80萬進(jìn)行模擬計(jì)算。SCR系統(tǒng)網(wǎng)格劃分如圖3所示,網(wǎng)格最小尺寸為1 mm,網(wǎng)格最大尺寸為5 mm,網(wǎng)格總數(shù)量約為80萬。同時(shí),對(duì)SCR模型模擬計(jì)算時(shí),加入了湍流模型,多孔介質(zhì)模型,組分輸運(yùn)模型,液滴的破碎、匯聚、蒸發(fā)等模型。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證圖

1.4 SCR系統(tǒng)的邊界條件

本文以云內(nèi)4102柴油機(jī)為樣機(jī),為模擬計(jì)算提供可靠參數(shù),柴油機(jī)主要參數(shù)如表1所示,柴油機(jī)尾氣成分如表2所示。

表1 柴油機(jī)參數(shù)

表2 柴油機(jī)尾氣成分

表3 邊界條件

2 SCR系統(tǒng)中混合器的選擇

2.1 混合器的設(shè)計(jì)

在SCR系統(tǒng)中,混合器是排氣管中的重要裝置,在SCR中安裝混合器可以促進(jìn)尿素的霧化效果,提高NH3分布均勻性。但安裝混合器也會(huì)導(dǎo)致排氣背壓的升高,從而進(jìn)一步影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能,所以優(yōu)化混合器結(jié)構(gòu)的同時(shí),還要考慮壓強(qiáng)的變化。考慮到加熱結(jié)構(gòu)的布置、制作工藝的難易程度以及成本等因素,本文設(shè)計(jì)了如下2種混合器。

(Ⅰ)葉片式混合器

葉片混合器主要由3個(gè)扭轉(zhuǎn)的葉片與1個(gè)空心圓柱構(gòu)成,扭轉(zhuǎn)的葉片可以使尾氣形成旋流,更好地促進(jìn)了尾氣與尿素噴霧的混合,提高SCR的轉(zhuǎn)化效率。同時(shí),空心的小圓柱還可以降低背壓,使其保持較好的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性。葉片混合器的結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)尿素水溶液噴射入口與混合器進(jìn)行局部加密,如圖5所示。

圖4 葉片混合器的結(jié)構(gòu)布置圖

(Ⅱ)格柵式混合器

格柵式混合器的主要結(jié)構(gòu)是葉片不同方向的排列,通過翅片不同方向形成較大的氣流擾動(dòng),促進(jìn)尿素水溶液的霧化和NH3分布的均勻性。格柵混合器的結(jié)構(gòu)布置如圖6所示,其加密方式與葉片式混合器一樣。格柵混合器的網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖6 格柵混合器的結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 對(duì)排氣背壓分析

在后處理SCR系統(tǒng)中,排氣管內(nèi)壓力損失是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要因素之一。壓力損失直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)排氣管內(nèi)壓力損失過大時(shí),會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓的升高,進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能的下降,同時(shí)壓力損失的增加還會(huì)增加殘余廢氣量,降低充氣系數(shù),進(jìn)而影響燃料燃燒的充分性,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

圖8為兩種類型混合器的壓力云圖。圖8中,上方是葉片式混合器,壓力損失為3.2 kPa,下方是格柵式混合器,壓力損失為2.8 kPa,在排氣管中葉片混合器的壓力損失比格柵式混合器大0.4 kPa。這種現(xiàn)象主要是因?yàn)楫?dāng)氣流經(jīng)過葉片混合器的中心圓柱時(shí),流通截面積急劇減小,導(dǎo)致氣流速度增加,所以葉片式混合器的壓力損失比格柵式混合器的大。

圖8 葉片式混合器與格柵式混合器壓力對(duì)比

2.3 對(duì)流線的分析

排氣管中流線的分布是評(píng)價(jià)湍流效果的重要指標(biāo),圖9是2種混合器X-Y截面的流線分布圖。從圖9中可以看出:氣流經(jīng)過混合器后都產(chǎn)生了明顯的氣流擾動(dòng)。當(dāng)氣流經(jīng)過葉片混合器(左)時(shí),氣流的速度有明顯提升,這樣可以加速尿素液滴的破碎程度,促進(jìn)液滴的霧化效果。同時(shí),通過氣流經(jīng)過2種混合器流線的對(duì)比發(fā)現(xiàn):格柵式混合器(右)對(duì)氣流產(chǎn)生的擾動(dòng)更加劇烈,湍流效果也更為顯著,由于其上下傾斜的幾何結(jié)構(gòu),使得流線在中心區(qū)域上下波動(dòng),降低了液滴接觸壁面的可能性,進(jìn)一步降低了排氣管中尿素結(jié)晶的可能性。

(a) 葉片式混合器的流線圖 (b) 格柵式混合器的流線圖

2.4 兩種混合器壁面液膜對(duì)比

圖10為2種混合器上液膜分布,從圖10中可以看出:在葉片式混合器上液膜主要集中分布在葉片彎曲處。這是由于葉片的曲面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致尿素水溶液附著在葉片彎曲處,彎曲的地方不容易霧化,因此在葉片彎曲處形成了少量液膜。而格柵式混合器的液膜主要分布在混合器的中下方葉片與支架上,這是由于尿素水溶液在氣流作用下導(dǎo)致部分液滴不容易通過格柵式混合器的中下方,在重力作用下液滴在格柵式混合器中下方聚集,形成液膜。但從2種混合器的對(duì)比可以看出:格柵式混合器上液膜的區(qū)域和厚度明顯比葉片式混合器小,格柵式混合器上液膜的區(qū)域和厚度得到改善。在排溫較低的情況下,格柵式混合器與葉片式混合器相比,有明顯的優(yōu)勢(shì),這會(huì)大大降低排氣管內(nèi)尿素結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。

(a) 葉片式混合器液膜分布圖 (b) 格柵式混合器液膜分布圖

綜上所述,通過對(duì)比2種混合器的壓降、流線分布與2種混合器上液膜分布情況,可以看出格柵式混合器具有明顯優(yōu)勢(shì)。所以,本文后續(xù)研究的混合器本體溫度對(duì)SCR系統(tǒng)的影響都是以格柵式混合器為例。

3 結(jié)果分析

3.1 混合器本體溫度對(duì)液膜的影響

尿素水溶液進(jìn)入排氣管內(nèi)會(huì)經(jīng)歷液滴破碎、蒸發(fā)、熱解等一系列的物理化學(xué)反應(yīng)。而由于排氣管內(nèi)結(jié)構(gòu)、溫度等諸多因素的影響,導(dǎo)致小部分尿素水溶液霧化效果差,未能完全分解,積累在排氣管及混合器上形成液膜,最終導(dǎo)致了尿素結(jié)晶的產(chǎn)生。而尿素結(jié)晶的形成會(huì)導(dǎo)致NH3生成量的減少,降低了NOX轉(zhuǎn)化效率。

圖11是不同溫度的格柵式混合器液膜分布圖。從圖11中可以看出:在常溫條件下的混合器液膜集中分在中下方的支架上或翅片上,這是因?yàn)榇藭r(shí)混合器本體溫度較低,尿素水溶液不能很好地蒸發(fā),在重力的作用下尿素水溶液在混合器中下方聚集并形成液膜。當(dāng)混合器本體溫度上升到100 ℃時(shí),混合器上液膜的區(qū)域相較之前明顯減少,這是因?yàn)榛旌掀鞅倔w溫度的升高,促進(jìn)了混合器上尿素水溶液的蒸發(fā),進(jìn)而減少了附著在混合器上的尿素液滴。當(dāng)混合器本體溫度為150 ℃時(shí),混合器上的液膜區(qū)域基本消失。當(dāng)混合器溫度為200 ℃時(shí),混合器上已無明顯的液膜區(qū)域。綜上所述,混合器本體溫度對(duì)混合器上液膜的形成有重要影響,隨著混合器本體溫度的升高,混合器上液膜區(qū)域逐漸減少直至沒有明顯液膜區(qū)域。

(a) 常溫(20 ℃) (b) 100 ℃ (c) 150 ℃ (d) 200 ℃

3.2 混合器本體溫度對(duì)氨分布的影響

在SCR系統(tǒng)中,催化器前端NH3分布均勻性是影響SCR性能的重要因素之一。NH3在排氣管內(nèi)分布均勻性越好,才能與尾氣接觸更充分,增加NOX的轉(zhuǎn)化效率。NH3分布均勻性又與尿素水溶液的霧化效果密切相關(guān),而加裝混合器不但可以促進(jìn)尿素水溶液的霧化效果,還可以增加尿素水溶液與尾氣的充分接觸,進(jìn)而提高催化器前端NH3分布均勻性。

目前,一般使用催化器前端NH3的均勻性系數(shù)來評(píng)價(jià)NH3分布的均勻性,催化器入口截面上的NH3分布多采用均勻性系數(shù)γ進(jìn)行評(píng)價(jià),γ值越接近1,則NH3分布均勻性越好。均勻性系數(shù)定義為:

圖12是常溫下(20 ℃)有無安裝混合器催化器前端NH3分布均勻性的對(duì)比。不安裝混合器NH3分布均勻性系數(shù)為0.213,安裝格柵式混合器后NH3分布均勻性系數(shù)為0.419。從圖12中可以明顯看出:在安裝格柵式混合器后催化器前端NH3的分布均勻性明顯上升。這是因?yàn)楦駯攀交旌掀魃舷鲁崞慕Y(jié)構(gòu)方式,對(duì)氣流產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)效果,有效促進(jìn)了尾氣與尿素水溶液的接觸,改善了尿素水溶液的霧化效果。所以,加裝混合器可以提高催化器前端NH3的分布均勻性。

(a) 無混合器 (b) 有混合器

圖13是在不同溫度的混合器下催化器前端NH3分布圖。從圖13中可以看出:混合器本體溫度為100 ℃時(shí),NH3的濃度相較于常溫(20 ℃)明顯上升,NH3分布均勻性也隨之增加,因?yàn)樵诘蜏?200 ℃)排氣下,隨著混合器本體溫度的升高,接觸到混合器的尿素水溶液的霧化效果得到了提升。當(dāng)混合器本體溫度上升到150 ℃時(shí),在催化器截面處的NH3濃度相較于100 ℃又有了明顯提高,NH3的分布均勻性效果在增加。但截面下方局部區(qū)域NH3的濃度較高,這是由于重力作用下在混合器上殘留的尿素水溶液匯聚在混合器下方,隨著混合器本體溫度的升高,聚集在混合器下方的尿素水溶液開始分解,最終造成局部NH3的濃度升高。當(dāng)混合器本體溫度達(dá)到200 ℃,NH3的濃度和分布均勻性顯著升高,這是由于混合器本體溫度的升高,使尿素水溶液的霧化效果提升,且較高的混合器溫度也加快了尿素水溶液的蒸發(fā)。格柵式混合器上下分列的葉片結(jié)構(gòu)會(huì)使尿素水溶液在豎直方向的擾動(dòng)更為劇烈,因此,尿素水溶液充分霧化后會(huì)使催化器前端上下區(qū)域NH3分布更均勻。

(a) 20 ℃ (b) 100 ℃ (c) 150 ℃ (d) 200 ℃

同時(shí)還得到不同溫度的混合器下催化器前端的NH3分布均勻性系數(shù),隨著混合器本體溫度的升高,催化器前端NH3的均勻性系數(shù)也隨之增加。當(dāng)混合器本體溫度為常溫(20 ℃)時(shí),NH3的均勻性系數(shù)為0.419。當(dāng)混合器本體溫度為100 ℃時(shí),NH3的均勻性系數(shù)為0.622,相比常溫下均勻性系數(shù)增加了20.3%,這說明了混合器本體溫度的升高可以改善尿素水溶液的霧化效果。當(dāng)混合器本體溫度提高到150 ℃時(shí),NH3的均勻性系數(shù)為0.794,相比100 ℃時(shí)均勻性系數(shù)上升了17.2%。隨著混合器本體溫度達(dá)到200 ℃,NH3的均勻性系數(shù)為0.891,相比之前又增加了9.7%,隨著混合器本體溫度的升高,混合器的均勻性系數(shù)增幅雖有所下降,但整體還是呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且隨著混合器本體溫度的不斷升高,NH3的均勻性系數(shù)越來越接近1。這說明混合器本體溫度的升高可以極大改善尿素水溶液的霧化效果,從而使NH3的分布更加均勻。

4 結(jié)論

(1)總流通面積一定的情況下,格柵式混合器比葉片混合器降壓小。而同樣的條件下,格柵式混合器湍流效果更加顯著,且液膜區(qū)域和厚度也比葉片式混合器小。

(2)隨著混合器本體溫度的不斷升高,格柵式混合器的液膜區(qū)域明顯減少。當(dāng)混合器本體溫度為50 ℃時(shí),液膜區(qū)域集中分布在格柵式混合器的中下部葉片和支架上;當(dāng)混合器本體溫度達(dá)到200 ℃后,混合器中下方已無明顯液膜區(qū)域。

(3)常溫下不安裝混合器時(shí)NH3均勻性系數(shù)為0.213,當(dāng)安裝格柵式混合器后NH3均勻性系數(shù)上升到0.419。當(dāng)混合器本體溫度為100 ℃時(shí),NH3均勻性系數(shù)為0.622,當(dāng)混合器本體溫度為150 ℃時(shí),NH3均勻性系數(shù)為0.794;當(dāng)混合器本體溫度為200 ℃時(shí),NH3均勻性系數(shù)為0.891。因此,安裝混合器可以有效改善催化器前端NH3的分布均勻性,且混合器本體溫度的升高也可以改善尿素水溶液的霧化效果,從而提高NH3分布均勻性。