摘 要：為了進一步提高SCR系統(tǒng)的脫硝性能，首先，利用UG軟件建立SCR系統(tǒng)的三維模擬模型，將其導入計算流體動力學（computational fluid dynamics， CFD）軟件中進行數(shù)值模擬仿真分析；然后，通過將仿真結果與試驗數(shù)據(jù)進行比較，驗證模擬模型的準確性和可靠性；最后，通過改變混合器的數(shù)量及其前后位置，以及調整噴射結構參數(shù)，研究這些因素對氨氣均勻性的影響，進而分析了他們對SCR系統(tǒng)性能的影響。研究結果表明：噴射位置應設置在距離催化反應器進口處5D～7D（D表示管道直徑）的地方；噴射孔的最佳數(shù)量為8個；噴射錐角為40°最為合適。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，混合器的數(shù)量及其位置的變化能夠顯著提高尿素噴射霧化的效果，但同時也會增加SCR系統(tǒng)中的壓力損失。因此，在提高噴射霧化效果的同時，必須考慮到壓力損失的影響。本文的研究結果可以為SCR系統(tǒng)的尿素噴射參數(shù)優(yōu)化提供理論參考和借鑒。

關鍵詞：SCR系統(tǒng)；壓力損失；均勻性；流體仿真

中圖分類號：TK423.84 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.04.001

0 引言

隨著科學技術的飛速發(fā)展，機械工業(yè)領域也得到迅速發(fā)展[1]。然而，工業(yè)化發(fā)展速度過快，發(fā)動機被廣泛使用，使得能源的消耗不斷上升，環(huán)境遭受嚴重污染，嚴重影響人們的身體健康[2]。節(jié)能減排勢在必行，這也是未來發(fā)動機市場向低能耗、低排放、高效率的方向發(fā)展的趨勢[3]。燃料在發(fā)動機內燃燒后的污染物氣體主要包括氮氧化物（NOx）、碳氧化物、PM顆粒物[4]。此外，尾氣污染物中還含有少量硫氧化物、硫氫化物等[5]。NOx和PM顆粒物是污染物氣體中的主要成分，它們給人類健康、生活環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的危害[6]，如破壞臭氧層、全球變暖、酸雨等[7]。因此，降低NOx和PM顆粒物含量對控制柴油機尾氣污染物的排放具有重大意義。

目前，污染物的排放問題受到廣泛關注[8]，各國政府以及環(huán)保部門都出臺了相應的排放法律法規(guī)[9]。中國也將全面落實國家的排放法規(guī)標準，力爭達到低排放、低能耗的標準[10]?！稒C動車污染物防治年報》指出柴油車排放出的污染物占很大一部分，其中NOx排放含量最高。因此，降低NOx排放將是科研人員的一大挑戰(zhàn)，也是污染物減排工程任務的重要內容之一。選擇性催化還原（selective catalytic reduction， SCR）技術因其經濟性好、對柴油發(fā)動機性能影響較小、NOx轉化率高、對硫不敏感等優(yōu)點，被認為是一種有效的排放控制技術[11]。

國內外針對SCR系統(tǒng)的技術研究相對比較成熟。為了更快、更有效、更經濟地進行研究，大部分人采用仿真的方法，許多SCR技術的仿真研究主要集中在改變SCR系統(tǒng)的內部結構和催化劑的催化效率方面。此外，還有些研究人員專注于研究SCR系統(tǒng)混合器的結構、尿素液滴的蒸發(fā)速率、以及熱分解等反應機理，以提高脫硝效率。Zhang等[12]分析和驗證了傳統(tǒng)和新設計的混合器結構在低溫下的混合均勻性和結晶性能，主要通過改變混合器的結構形狀，檢測其對下游管道的速度均勻性、NH3均勻性分布、壁面溫度等性能指標的影響，間接地研究SCR系統(tǒng)的脫硝效率。Tan等[13]在SCR系統(tǒng)中建立2個混合器模型，分析其與單個混合器相比對氨氣均勻性影響的效果。Birkhold等[14]研究了不同進入氣體的溫度對尿素液滴的蒸發(fā)速率和熱分解速率的影響，間接地研究進氣溫度對SCR系統(tǒng)性能的影響。Strom等[15]研究了不同湍流流速對發(fā)動機尾氣中液滴運動和分布的影響，結果表明，湍動能越大對SCR系統(tǒng)中下游氨氣的均勻性越好，使得混合氣體與氨氣混合地更加均勻。

綜上所述，目前大都在研究SCR系統(tǒng)的催化反應器和混合器的結構以及催化劑，很少考慮SCR系統(tǒng)前段尿素噴霧參數(shù)以及混合器的數(shù)量及位置分布對SCR系統(tǒng)中反應性能的影響。噴霧形狀和液滴粒徑分布對尿素水溶液的噴霧蒸發(fā)和分解以及噴霧撞擊壁面有很大影響。在相同條件下，液滴尺寸越小，噴霧蒸發(fā)分解速度越快。為了評價尿素噴射系統(tǒng)噴射后氨氣霧化的質量，需要比較噴射孔與SCR反應器前段的距離、噴射錐角、噴嘴數(shù)量和混合器的數(shù)量與位置的分布等。影響尿素噴霧霧化質量的因素包括噴射點和進入催化反應器間的距離、噴射位置和噴嘴方向、孔數(shù)和孔徑以及混合器的數(shù)量與位置的分布等。本文通過模擬仿真，驗證模擬模型的可靠性，進而通過該模型研究SCR系統(tǒng)中噴霧參數(shù)和混合器對氨氣的噴射霧化效果的影響。

1 SCR催化器數(shù)值模型及驗證

SCR系統(tǒng)中發(fā)生的反應復雜，反應過程包括尿素溶液的蒸發(fā)、熱解、霧化、氨氣與尾氣混合后發(fā)生的催化反應等。尿素噴射霧化的效果會影響氨氣與NOx的充分接觸，從而影響SCR系統(tǒng)的脫硝性能。本文僅考慮SCR系統(tǒng)中尿素噴射霧化效果，不考慮催化反應段。計算流體動力學（computational fluid dynamics， CFD）仿真過程涉及SCR系統(tǒng)數(shù)學模型，包括多孔介質、能量方程、組分輸運模型等[13]。

1.1 SCR結構系統(tǒng)的組成

SCR結構系統(tǒng)組成如圖1所示。SCR系統(tǒng)的主體由SCR反應器、尿素噴射模塊等組成。排放出的尾氣流經SCR反應器前段的過程中，氨氣與入口處進入的尾氣進行充分的混合，隨之尾氣的氣流進入催化反應器中，然后在催化劑的作用下發(fā)生催化反應，與催化劑接觸時間越長，反應越充分。反應時間與尾氣氣流的速度有很大關系。流速越慢，尿素液滴蒸發(fā)熱解的越充分，氨氣與尾氣混合的越均勻。

1.2 尿素噴霧模型

本文采用離散相位模型來描述尿素通過噴嘴注入管道的噴霧過程，用泰勒類比分解模型計算噴射液滴的分解。該模型基于彈性力學理論來計算液滴的破碎。其中韋伯數(shù)是無量綱數(shù)的力（F）將液滴慣性等同作用于液滴上的力，如式（1）所示[16]，

[duddt=FD（u-ud）+g（ρd-ρ）ρd+F，] （1）

式中：ud是液滴的速度；u是流體的速度；g是重力；ρ和ρd分別是流體和液滴的密度；FD是阻力，如下式描述，

[FD=18μρdd2dCDRe24，] （2）

[Re=ρddρd-ρμ，] （3）

式中：μ是流體的動態(tài)黏度；dd是液滴直徑；CD是阻力系數(shù)；Re是相對雷諾數(shù)。

SCR內部的催化反應分別受催化劑、尾氣的溫度和濃度等限制。本文重點研究尿素噴射霧化對氨氣的均勻性的影響，因此，選擇尿素作為噴霧水溶液，主要考慮尿素的蒸發(fā)、熱解、水解，SCR尿素噴射霧化發(fā)生的反應如下所示，

尿素蒸發(fā)反應：

（NH2）2CO[△]（NH2）2CO[↓]+H2O[↑]; （4）

尿素熱解反應：

（NH2）2CO[△]NH3[↑]+HNCO[↑]; （5）

尿素水解反應：

HNCO+H2O[△]NH3[↑]+CO2[↑]. （6）

1.3 多孔介質模型

在工程應用上，SCR系統(tǒng)中的催化反應器段一般采用蜂窩狀的催化體系結構。本文建立的SCR系統(tǒng)模型，在模擬仿真的過程中，催化反應段采用多孔介質模型代替蜂窩催化體系結構。多孔介質模型中的動量源項如式（7）所示，分別由黏性阻力損失項和慣性阻力損失項組成[17]：

[Si=j=13Dijμνj+j=13Cij12ρνjνj，] （7）

式中：[Si]是i向（x、y或z）動量源項；[Dij]、[Cij]分別是規(guī)定矩陣[D]、[C]中的元素；[νj]是速度；j為速度方向分量的個數(shù)。

在通過多孔介質的層流中，壓力損失（[Δp]）與速度的關系如下，

[Δp=-μβν，] （8）

式中：[β]是滲透性指數(shù)。

1.4 噴霧質量評價方法

流場中流速的不均勻在載體中心會產生較高的速度波動和溫度的變化，如果催化劑載體徑向溫度變化過大，會產生較大的熱應力。氨的不均勻性會使區(qū)域內部出現(xiàn)氨氣過量或不足，嚴重影響SCR系統(tǒng)的性能。為了研究混合器結構以及噴霧參數(shù)對SCR系統(tǒng)中的流動特性和氨氣分布的影響，本文選用氨氣的均勻性來評價噴霧質量的好壞，氨氣均勻性系數(shù)定義為

[γ=1-12ai=1abi-bb，] （9）

式中：[a]為截面的網格數(shù)；[bi]為截面網格上的速度；[b]是整個截面上的平均速度；[i]是整個截面上參數(shù)的平均分布。

尾氣流經混合器、進入催化劑通道后，進行催化反應，在這一段過程中必須避免整個SCR系統(tǒng)的壓力損失過大，影響發(fā)動機的功率。從這個角度來看，混合器的設計應該在一定范圍內加強流場的擾動，減少混合器帶來的壓力損失（[Δp]），[Δp]可以描述如下，

[Δp=pin-pout，] （10）

式中：[pin]表示入口段內的平均壓力；[pout]表示出口段內的平均壓力。

1.5 物理模型的建立

SCR系統(tǒng)的三維物理模型如圖2所示。SCR系統(tǒng)由5部分組成：入口段、擴展段、催化反應段、收縮段和出口段。催化劑載體區(qū)域設置為多孔介質，其表面涂覆有催化劑。當氣體流過催化劑載體時，發(fā)生催化還原反應。SCR系統(tǒng)模型的尺寸參數(shù)如表1所示。

1.6 驗證模型

為了分析本研究所采用的數(shù)值模型的可行性，本文采用模擬仿真結果與試驗結果來對比驗證模型的可靠性。假設初始溫度穩(wěn)定且均勻，SCR系統(tǒng)壁面采用的材料定義為鋁，催化反應器出口的邊界條件為壓力出口，與大氣壓力相同，入口進氣參數(shù)如表2所示。

通過數(shù)值模擬仿真結果分析，引入Kim等[18]對尿素分解速率的試驗數(shù)據(jù)進行對比，并通過調整模型中的參數(shù)，使得模擬的結果與試驗結果誤差在允許的范圍內。在不同入口尾氣溫度下，試驗中氨與模擬氨的轉化效率對比如圖3所示。模擬過程中時間步長設置為0.01 s，每個時間步長的迭代次數(shù)為500次。混合器在模型中被指定為沒有厚度的平板，不考慮混合器壁上的傳熱。從圖3中可以看出，氨的轉化效率隨液滴停留時間的增加而增加，計算結果與試驗結果吻合較好，本文使用的數(shù)值模型可靠性好。

2 結果和討論

為了研究尿素噴霧參數(shù)和混合器結構對氨氣的均勻性的影響，本文研究了噴嘴與催化反應器之間的距離、噴嘴的數(shù)量、噴射錐角、以及混合器數(shù)量及位置對尿素噴霧的影響，從而間接地判斷它們對SCR系統(tǒng)脫硝效率的影響。

2.1 噴嘴與催化反應器前段間的距離對尿素噴霧的影響

尿素的蒸發(fā)和熱解需要一定的時間，從噴射孔口到催化反應器入口段的距離被認為是液滴的停留時間。該停留時間直接影響噴射出的尿素溶液在這過程中發(fā)生的蒸發(fā)和熱解，進而影響氨氣的均勻性分布。尿素停留時間越長，尿素水溶液噴霧出的氨氣與尾氣的混合時間越長，更有利于尿素的蒸發(fā)和熱解反應。停留時間主要由噴嘴到反應器之間的距離決定。本文用L代表這段的總長度，D代表入口、出口段管道直徑。分別對3D、5D和7D的距離進行了仿真分析。圖4展示出噴射出的尿素熱解后的氨氣分布云圖。

從圖中可以看出噴霧距離越長，液滴停留時間越長，液滴的霧化和效果越好，蒸發(fā)熱解速率越高。但是，當距離增加到一定程度時，效果就縮小。從圖4可以看出，當距離L為3D時，從云圖中間部分的分布可知，產生的氨氣量較少，很多尿素還沒來得及蒸發(fā)熱解，就逃離了SCR反應器，這也說明噴嘴到SCR催化反應器入口的距離也需要加強；當距離L為5D時，氨氣產生的量明顯增加；當距離L為7D時，氨氣的產生量還在增加，但與5D相比變化不是很大，與3D相比變化很大。7D是最佳噴射距離，但為了能夠節(jié)約SCR系統(tǒng)占據(jù)的空間位置，可選擇噴射距離為5D。合適的噴射距離能夠改善尿素顆粒的分布均勻性和尿素溶液的蒸發(fā)、熱解以及縮小SCR系統(tǒng)空間位置分布。因此，結合工程及空間布局，L的長度設置在5D～7D范圍內較合理。

2.2 噴嘴數(shù)量的影響

尿素的噴射角度影響噴淋效果、壁面撞擊和顆粒壁相互作用、飛濺和回彈等方面。尿素蒸發(fā)后，尿素顆?？赡軙掣交驍U散到壁面上[19]。為了探究噴嘴數(shù)量對噴霧霧化的影響，在不考慮混合器影響的情況下，模擬10種不同噴嘴孔數(shù)的情況，噴射方向與尾氣進入的方向一致。注射壓力和注射量保持不變。理論上，在一定的注射壓力條件下，噴嘴孔的數(shù)量越多，噴嘴處的質量流量就越大[20]。圖5所示為氨氣均勻性系數(shù)在不同噴嘴數(shù)量下的變化圖。

理論上噴嘴噴淋范圍越廣，氨氣的分布均勻性越好，但考慮到噴嘴孔數(shù)量過多，噴嘴噴射出的尿素會產生相對的干擾，多組噴射出的液滴交叉到一起，會有液滴凝結現(xiàn)象，進而影響尿素蒸發(fā)速率。由圖5可知，隨著孔數(shù)的增加，氨氣的均勻性逐漸變好，然而，孔數(shù)從8繼續(xù)再增加后，氨氣均勻性系數(shù)逐漸下降，結果表明，噴嘴孔的數(shù)量設置為8時，氨氣均勻性系數(shù)是最好的。

2.3 噴射錐角的影響

本文設置了9種案例來研究噴射錐角對尿素噴射霧化的影響，噴射錐角分別設置為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°。噴射過程中噴射位置設置在SCR系統(tǒng)進氣口段的上壁面。由圖6可知，當噴射錐角由10°增大到40°時，氨氣的均勻性系數(shù)逐漸增大，在噴射錐角為40°時達到最大值（0.942），因為隨著噴射錐角度數(shù)的增加，尿素溶液在管道中更加分散，有利于尿素分解為氨氣；隨著噴射錐角的持續(xù)增加，氨氣的均勻性系數(shù)逐漸下降，噴射錐角為60°時，氨氣的均勻性系數(shù)最?。?.852），原因為隨著噴射錐角的增大，使得尿素溶液接觸到壁面，降低了尿素的分解速率；當噴射錐角進一步增大時，氨氣的均勻性系數(shù)呈現(xiàn)小幅度增加趨勢，原因是噴射錐角增大，增加了尿素在管道中的停留時間，對尿素分解為氨氣起到了促進作用。

2.4 混合器的數(shù)量及位置分布參數(shù)的研究分析

安裝混合器可以提高尿素SCR系統(tǒng)的性能，促進尿素溶液的蒸發(fā)和分解霧化，從而提高NOx的轉化效率。氨氣的不均勻性嚴重時會直接堵塞排氣管，影響發(fā)動機的性能。Park等[21]研究發(fā)現(xiàn)混合器葉片可以提高混合器的性能，并且證明葉片的結構可以提高流動均勻性。使用混合器勢必會增加壓力損失，壓力損失會直接影響發(fā)動機的性能，較大的壓力損失會使尾氣回流增加，加大發(fā)動機功率的損失。所以在研究添加混合器時必須考慮壓力損失。本節(jié)將繼續(xù)研究混合器的數(shù)量及位置分布參數(shù)對尿素噴射霧化的影響。

2.4.1 混合器模型參數(shù)以及位置的設置

混合器由8個傾斜葉片組成，每個葉片的傾斜角為45°，形狀為矩形（長31 mm、寬10 mm）[22]。對于帶有一個混合器的系統(tǒng)，混合器位于尾氣入口下游240 mm處。對于帶有2個混合器的系統(tǒng)，第1個混合器位于尾氣進口下游80 mm處，第2個混合器位于尾氣進口下游240 mm處，如圖7所示。

2.4.2 模擬案例的設置

噴嘴放置在SCR系統(tǒng)進口段部分管道的中心區(qū)域，在SCR系統(tǒng)中本文設置了4個案例，分別采用0個混合器、1個混合器（改變混合器在噴嘴的前后位置）、2個混合器來研究混合器對尿素噴射霧化的影響。設置的案例如表3所示。

2.4.3 數(shù)值模擬案例的仿真分析

由圖8可知，有混合器的案例的氨氣質量濃度優(yōu)于無混合器案例的氨氣質量濃度。安裝合適的混合器有助于改善SCR系統(tǒng)中氨氣的均勻分布以及尿素的分解，提高高溫尾氣和氨氣充分混合，促使雙混合器案例中的氨氣質量濃度分布比使用單個混合器案例中氨氣的分布更均勻。從分析結果可知，使用混合器可以促進噴霧顆粒的破碎以及尿素的分解。

圖9顯示混合器的使用會有一定的壓力損失，增加了整個流場的渦流強度，入口壓力也相應增加。雙混合器的入口壓力變?yōu)?15 Pa，平均入口壓力增加53 Pa。單個混合器的入口壓力為83 Pa，平均入口壓力增加20 Pa。因此，在使用混合器時必須考慮壓力損失的影響?；旌掀鞯氖褂每煞乐勾笠旱尉奂诠艿乐幸约氨诿鎱^(qū)域，增加了管道中湍流的強度，從而導致更高的液滴蒸發(fā)率。將混合器布置在進口前段的多個位置上，得到的仿真實驗結果如圖10所示，發(fā)現(xiàn)混合器的使用增加了整個流場的速度，混合器使用在前段流場的速度變化大于后段流場速度變化，這是由于入口效應造成的[23]。總體而言，混合器的應用提供了更高的混合性能和更高的液滴蒸發(fā)率，液滴在系統(tǒng)中停留時間的增加，提高了湍流強度。

3 總結

隨著能源危機和環(huán)境問題的發(fā)展，有效減少NOx的排放，提高SCR系統(tǒng)的性能，是目前SCR系統(tǒng)優(yōu)化的重點。為了提高尿素的分解，減少氨的泄漏，使氨氣與尾氣混合更充分，設計了一種更好的SCR系統(tǒng)，研究了影響氨氣均勻性的一些參數(shù)，得出如下結論：

1）從噴嘴到催化反應器入口的距離L越大，尿素水溶液的蒸發(fā)和熱解越徹底，殘余液滴的質量越小，氨氣和尾氣的混合越均勻?？紤]實際的空間位置分布，最佳噴射距離可以設置在距離催化反應器進口處5D～7D的地方。

2）仿真結果分析表明，隨著孔數(shù)的增加，氨氣的均勻性逐漸增加，當孔數(shù)從8個繼續(xù)增加時，氨氣均勻性系數(shù)逐漸下降，使用8個孔時，氨氣的均勻性最好。

3）當噴嘴的錐角為40°時，氨氣的均勻性最好，此時氨氣的均勻性可達0.942。

4）安裝合適的混合器有助于改善氨氣的均勻分布，提高尿素SCR系統(tǒng)的性能，促進高溫尾氣與氨氣的充分接觸，提高NOx的轉化率。但混合器的使用還需要考慮壓力損失，壓力損失過大將直接影響發(fā)動機的性能。

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Numerical simulation of mixer and spray parameters in SCR system

XU Hongxiang1， XU Deheng*1， XIAO Shuiqing1， XU Song2， LIANG Haiming3

（1. School of Artificial Intelligence， Jiangxi University of Science and Technology， Nanchang 330098， China;

2. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China; 3. School of Automotive Engineering， Guangxi Vocational and Technical College of Transportation， Nanning 450100， China）

Abstract： In order to further improve the de-NOx performance of the SCR system， this paper first establishes a three-dimensional simulation model of the SCR system using UG software， and then imports it into computational fluid dynamics（CFD）for numerical simulation analysis. Secondly， we verify the accuracy and reliability of the simulation model by comparing the simulation results with the experimental simulation results. Finally， by changing the number of mixers， the position changes before and after the mixers， and the injection structure parameters， the impact of these parameters on the uniformity of ammonia gas is studied， in order to determine the impact analysis on the performance of the SCR system. The research results show that the injection position should be set at a distance of 5～7 times the pipe diameter from the inlet of the catalytic reactor， the optimal number of injection holes is 8， and the optimal injection cone angle is 40°. In addition， the research has found that the number and position of mixers can improve the effectiveness of urea spray atomization， but have a significant effect on pressure drop in the SCR system. When improving the effectiveness of spray atomization， the effect of pressure drop needs to be considered. The research can effectively promote the optimization of urea injection parameters in future SCR systems and provide theoretical references.

Keywords： SCR system; pressure drop; uniformity; fluid simulation

（責任編輯：于艷霞）

收稿日期：2024-03-30；修回日期：2024-04-22

基金項目：江西科技學院校級自然科學項目（232ZRYB03）；廣西交通運輸行業(yè)重點科技項目（JZY2020KZD04）資助

第一作者：許紅祥，碩士，助教，研究方向：柴油機尾氣后處理、新能源與節(jié)能減排技術，E-mail：1419809016@qq.com

*通信作者：許德衡，碩士，助教，研究方向：汽車空氣動力學、節(jié)能減排新技術，E-mail：dhengxu@outlook.com