摘要：為了將選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)的內(nèi)部通道性能進(jìn)一步提升，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法建立了SCR系統(tǒng)的單通道模型。首先，通過(guò)將模擬預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡對(duì)比，成功驗(yàn)證了單通道模型的有效運(yùn)作及其預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次，為了深入探究不同截面形狀對(duì)SCR系統(tǒng)性能的具體影響，在保持截面總面積一致的前提下，系統(tǒng)地改變了單通道的形狀，并分析了這些變化對(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)——壓力損失、速度分布的均勻性以及氮氧化物（NOx）轉(zhuǎn)化效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相對(duì)較低的氣流速度條件下，采用三角形截面通道的SCR系統(tǒng)展現(xiàn)出了較高的NOx轉(zhuǎn)化效率。研究成果不僅揭示了不同截面形狀對(duì)SCR系統(tǒng)性能的多維度影響，還為進(jìn)一步優(yōu)化該系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了寶貴的理論支撐與實(shí)踐指導(dǎo)，為未來(lái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)瓮ǖ滥Ｐ停晦D(zhuǎn)化效率;性能仿真;SCR系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U461 收稿日期：2024-08-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.010

1 前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，機(jī)械行業(yè)正朝著更加高效、節(jié)能和環(huán)保的方向邁進(jìn)。柴油機(jī)因其優(yōu)越的燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性和長(zhǎng)壽命，在機(jī)械自動(dòng)化及船舶制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而，柴油機(jī)的大量使用也帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，尤其是氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）的排放對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境和身體健康造成了嚴(yán)重危害[2]。

為了解決這一問(wèn)題，研究人員在柴油機(jī)排放控制技術(shù)方面進(jìn)行了多方面的改進(jìn)。這些改進(jìn)措施包括優(yōu)化噴油系統(tǒng)、調(diào)整供油定時(shí)、改善進(jìn)氣過(guò)濾和提升柴油質(zhì)量等[3-4]。然而，對(duì)于那些仍然超出排放限制的情況，必須采用額外的后處理技術(shù)來(lái)進(jìn)一步減少NOx排放量。在各類(lèi)后處理方法當(dāng)中，選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）因其高效的NOx減排能力[5]，已成為行業(yè)內(nèi)研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)。

SCR技術(shù)的核心是催化轉(zhuǎn)化器，通過(guò)將氮氧化合物（NOx）轉(zhuǎn)化為無(wú)害的N2和H2O，有害氣體的排放顯著降低[6]。目前，催化轉(zhuǎn)化器主要分為蜂窩狀、平板狀和波紋狀三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型[7]。不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型在性能和應(yīng)用場(chǎng)景上各有優(yōu)劣：蜂窩狀轉(zhuǎn)化器雖然具有良好的耐久性和抗腐蝕性，但容易出現(xiàn)堵塞；平板狀轉(zhuǎn)化器的氣流阻力較低，但催化劑的負(fù)載量有限[3]；而波紋狀轉(zhuǎn)化器則在低灰分環(huán)境下表現(xiàn)出色。由于催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響至關(guān)重要，研究不同通道結(jié)構(gòu)的催化轉(zhuǎn)化器成為一個(gè)重要的研究課題。

廖承賢等[8]借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件建立了詳細(xì)的模擬模型，以評(píng)估不同催化劑結(jié)構(gòu)對(duì)NOx減排效果的影響，得到了更高效的SCR系統(tǒng)。羅建斌等[9]提出了一種新型的六邊形截面催化劑通道設(shè)計(jì)，優(yōu)化了氣體向催化劑表面的擴(kuò)散并減少壓降。成靜怡等[10]模擬了不同的排氣條件，并對(duì)催化轉(zhuǎn)化器的性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，優(yōu)化催化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)能夠有效提升NH3濃度的均勻性，有效降低柴油負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的影響。

研究還發(fā)現(xiàn)，催化轉(zhuǎn)化器的比表面積對(duì)NOx去除效率至關(guān)重要[11]。為了增加比表面積，通常會(huì)在催化劑上涂覆擁有高比表面積的材料。然而，運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高溫環(huán)境是一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，它有可能引發(fā)催化劑載體的燒結(jié)現(xiàn)象或相態(tài)轉(zhuǎn)變，這兩種情況都會(huì)直接導(dǎo)致催化劑的比表面積顯著減少。比表面積的降低會(huì)削弱催化劑的活性位點(diǎn)數(shù)量，從而降低其催化效率，影響整體反應(yīng)的性能和效果。

目前，大多數(shù)研究集中在一維或二維模型上，但這些模型可能無(wú)法全面反映實(shí)際工況下的復(fù)雜性。有研究表明，與傳統(tǒng)的方形通道相比，非傳統(tǒng)通道形狀在脫氮效率方面可能具有優(yōu)勢(shì)[5]。因此，本研究擬利用CFD軟件建立單通道的SCR系統(tǒng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，旨在研究不同形狀通道對(duì)壓降、氨氣（NH3）轉(zhuǎn)化率以及NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。通過(guò)這些研究，希望為NH3-SCR系統(tǒng)的優(yōu)化和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

2 SCR催化器數(shù)值模型及驗(yàn)證

SCR系統(tǒng)是當(dāng)前減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOx排放的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。該系統(tǒng)的工作原理涉及尿素溶液的噴射與霧化、氣液混合，以及最終的催化反應(yīng)等一系列復(fù)雜的化學(xué)和物理過(guò)程。在這些過(guò)程中，催化反應(yīng)階段尤為重要，因?yàn)樗苯記Q定了NOx的轉(zhuǎn)化效率和排放控制效果[12]。本文著重對(duì)這一反應(yīng)階段進(jìn)行深入研究，并通過(guò)CFD仿真軟件構(gòu)建了一個(gè)精細(xì)的SCR系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[13]。

為了全面描述SCR系統(tǒng)的運(yùn)行特性，所提出的數(shù)學(xué)模型涵蓋了多個(gè)關(guān)鍵方程和物理模型。首先，連續(xù)性方程用于描述流體密度隨時(shí)間和空間的變化，確保質(zhì)量守恒。動(dòng)量方程則通過(guò)描述流體的速度場(chǎng)變化，幫助預(yù)測(cè)氣體和液體在SCR系統(tǒng)中的流動(dòng)行為。能量方程負(fù)責(zé)計(jì)算熱量的傳遞過(guò)程，特別是在尿素溶液和氣體混合時(shí)，反映出溫度對(duì)反應(yīng)速率和效率的影響。

在流動(dòng)特性的描述上，本文采用了層流模型，該模型適用于描述SCR系統(tǒng)內(nèi)較低雷諾數(shù)下的流動(dòng)特性[14]。在處理多相流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，引入了離散相模型（DPM），該模型能夠模擬尿素溶液噴射后形成的液滴與氣流的交互作用。此外，為了準(zhǔn)確描述SCR系統(tǒng)內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，本文引入了組分輸運(yùn)模型和廣義有限速率反應(yīng)模型。組分輸運(yùn)模型用于描述各化學(xué)組分在系統(tǒng)中的擴(kuò)散與對(duì)流過(guò)程，而廣義有限速率反應(yīng)模型則通過(guò)詳細(xì)描述反應(yīng)物和生成物的濃度變化，準(zhǔn)確模擬出NOx在催化劑表面上的還原過(guò)程。

2.1 催化轉(zhuǎn)化器通道的設(shè)計(jì)

SCR催化反應(yīng)器中包含許多平行排列的小通道，這些通道的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度，且催化反應(yīng)段內(nèi)部的通道數(shù)量較多。本文針對(duì)單個(gè)通道模型進(jìn)行了仿真分析。當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中的SCR系統(tǒng)中，催化轉(zhuǎn)換器的通道形狀大多為方形。本文的單通道模型的長(zhǎng)度選用300 mm，而一般的方形單通道的截面邊長(zhǎng)為6 mm。本文在圖1中展示了選擇性催化還原系統(tǒng)的單通道結(jié)構(gòu)。

在建立模型之前，本文對(duì)SCR反應(yīng)器作出了一些合理的假設(shè)。首先，假設(shè)SCR反應(yīng)器入口處的流場(chǎng)分布均勻，并將系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的傳熱損失忽略。通過(guò)管道，排放的尾氣可以進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器，隨后進(jìn)入涂有催化劑的通道內(nèi)部。在這些通道中，氨氣會(huì)吸附在催化劑涂層的活性表面，然后尾氣NOx在催化劑的作用下產(chǎn)生了還原反應(yīng)，生成無(wú)害的N2和H2O，最終這些產(chǎn)物通過(guò)通道中的間隙擴(kuò)散出去。

為了簡(jiǎn)化模型并提高計(jì)算效率，本文作出了以下假設(shè)：

a.忽略整個(gè)通道內(nèi)氣體在橫向的擴(kuò)散。在噴射的過(guò)程中尿素會(huì)進(jìn)行產(chǎn)生氨氣的熱解和尿素水解等化學(xué)反應(yīng)，本文假設(shè)在對(duì)單個(gè)通道進(jìn)行建模過(guò)程中不存在這些額外的反應(yīng)。為了模擬噴射過(guò)程中的氨量，模型在入口處直接引入分布均勻的氨氣，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。

b.邊界條件的設(shè)定。本文采用均勻質(zhì)量流入口或壓力入口，同時(shí)設(shè)置邊界條件，確保流體流動(dòng)的均勻性。催化劑表面化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算采用Eley-Rideal機(jī)制，在該機(jī)制下反應(yīng)發(fā)生在吸附物與氣相分子之間。根據(jù)柴油機(jī)的不同負(fù)荷條件，給出了相應(yīng)的進(jìn)氣溫度。假設(shè)催化劑在涂層表面均勻分布，因此，模型中將整個(gè)催化劑區(qū)域視為多孔介質(zhì)處理。

c.忽略壁面熱輻射和外界環(huán)境溫度的影響。在建模過(guò)程中，本文假設(shè)壁面熱輻射和外界環(huán)境溫度對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響可以忽略不計(jì)，從而簡(jiǎn)化了熱量傳遞的計(jì)算。

2.2 有限化學(xué)反應(yīng)速率模型

2.3 多孔介質(zhì)模型

2.4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

為了可以縮短運(yùn)算周期并能有較大的精確度，本文對(duì)模型網(wǎng)格的獨(dú)立性做出了證明。本文將分別采用三個(gè)不同密度的網(wǎng)格，來(lái)觀(guān)察網(wǎng)格尺寸變化對(duì)催化劑在多孔介質(zhì)中壓強(qiáng)損失的影響，并將模擬以計(jì)算區(qū)域中的流動(dòng)情況與反應(yīng)精確性等。本文模擬了SCR系統(tǒng)方形通道模型下的網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性。為了結(jié)果更符合一般情況，模擬實(shí)驗(yàn)在25%負(fù)荷對(duì)獨(dú)立性結(jié)果進(jìn)行了分析。由表2所示的結(jié)果顯示，粗網(wǎng)格與中網(wǎng)格的壓降差異為51.8 Pa，而細(xì)網(wǎng)格與中網(wǎng)格的壓降差異僅為5.4 Pa，說(shuō)明中網(wǎng)格與細(xì)網(wǎng)格之間的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)非常接近。由于細(xì)網(wǎng)格計(jì)算復(fù)雜度較高，為了在保證計(jì)算精度的前提下進(jìn)一步縮短計(jì)算時(shí)間，本文最終選擇了中等密度的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算和仿真分析。這一選擇平衡了計(jì)算效率與結(jié)果精度，為研究提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

2.5 驗(yàn)證模型

為了驗(yàn)證數(shù)值模的準(zhǔn)確性，本文建立的SCR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)仿真模型是一種方形通道，其截面邊長(zhǎng)為6 mm。通過(guò)這一模型，我們驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性，如表3所示。在模擬過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整多孔介質(zhì)模型中的阻力參數(shù)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，以確保其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。最終，實(shí)驗(yàn)測(cè)量和仿真計(jì)算的壓力損失誤差保持在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型的精度。因此，采用多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬實(shí)際流場(chǎng)被證明是一種可靠的方法，為進(jìn)一步研究和優(yōu)化SCR系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.6 邊界條件和案例的設(shè)置

本文通過(guò)設(shè)置不同的負(fù)載條件（25%、50%、75%、100%）來(lái)探討SCR系統(tǒng)在不同情況下的反應(yīng)特征。為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)廢氣分布均勻進(jìn)入，且溫度為600 K。此外，反應(yīng)區(qū)域僅限于催化反應(yīng)器內(nèi)的多孔介質(zhì)區(qū)域。

不失一般性的前提下，本文假設(shè)催化反應(yīng)器的對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/（m2·K），其內(nèi)部為鋁制壁面，同時(shí)滿(mǎn)足邊界滑移速度為零、表面光滑即摩擦因數(shù)為零的條件。

此外，催化反應(yīng)器出口處的邊界條件設(shè)定為出口壓力與大氣壓力相同，確保模型更接近實(shí)際工況。在SCR系統(tǒng)數(shù)值模擬時(shí)，本文采用了層流模型。不同工況下模擬結(jié)果如表4所示。

本文針對(duì)不同形狀的通道進(jìn)行了研究，選擇了正四邊形、正五邊形、正六邊形、正七邊形、正八邊形和圓形6種形狀的通道作為研究案例，如表5所示。在確保每種通道截面積均為452 mm2的前提下，計(jì)算得出以下幾何參數(shù)：正四邊形的邊長(zhǎng)為21.26 mm，正五邊形的邊長(zhǎng)為16.17 mm，正六邊形的邊長(zhǎng)為13.18 mm，正七邊形的邊長(zhǎng)為11.02 mm，正八邊形的邊長(zhǎng)為9.67 mm，圓形通道的半徑為11.99 mm，如圖2所示。

3 結(jié)果和討論

本文通過(guò)仿真模擬的方法，分析了不同內(nèi)部通道形狀對(duì)SCR系統(tǒng)性能的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值分析，本文探討了多種通道形狀下的壓力損失、NO轉(zhuǎn)化效率以及流速分布均勻性，確定了最有效提升NO轉(zhuǎn)化效率的通道形狀，整個(gè)SCR系統(tǒng)的性能得到了優(yōu)化。

更具體地，本文評(píng)估壓力損失的大小、NO轉(zhuǎn)化效率的優(yōu)劣以及流速分布的均勻性，分析了不同通道形狀對(duì)SCR系統(tǒng)性能的影響。通過(guò)分析上述關(guān)鍵性能指標(biāo)，本文給出了一般情況下的最佳通道設(shè)計(jì)方案。該方案在最大化NO的轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)降低系統(tǒng)的總體壓力損失，保證了流速分布的均勻性，實(shí)現(xiàn)了更高的排放減少效率和更低的能耗水平。

3.1 壓力損失分析

催化反應(yīng)器的壓力損失相對(duì)柴油機(jī)排氣系統(tǒng)壓力損失較小，一般約占柴油機(jī)排氣系統(tǒng)壓力損失的35%。而在本文的系統(tǒng)中，主要的壓力損失源自催化劑通道。因此，為了避免過(guò)高的排氣背壓對(duì)柴油機(jī)性能產(chǎn)生不利影響，本文在設(shè)計(jì)SCR系統(tǒng)時(shí)，考慮將壓力損失降低至足夠小。圖3展示了不同負(fù)載與總壓降的折線(xiàn)圖。

在100%負(fù)載條件下，通道形狀對(duì)SCR系統(tǒng)的壓力損失影響顯著。具體數(shù)據(jù)如下：Case 1（正方形通道）壓降為9768.24 Pa，Case 2（正五邊形通道）壓降為9 671.99 Pa，Case 3（正六邊形通道）壓降為9 752.74 Pa，Case 4（正七邊形通道）壓降為9 693.67 Pa，Case 5（正八邊形通道）壓降為9 690.54 Pa，而Case 6（圓形通道）壓降為10 770.33 Pa。其中，正七邊形通道的壓降最低，而圓形通道的壓力損失最高。

這些差異的主要原因在于尾氣在不同通道形狀中的擴(kuò)散路徑差異。尾氣從通道中心到通道壁面的擴(kuò)散距離對(duì)于不同的通道形狀并不相同，這直接影響了壓力損失。在低速工況下（12 m/s），6種通道的壓力損失差異較小，顯示出各通道形狀在低流速下的性能較為接近。然而，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，壁面壓力的損失受尾氣流速影響較大。尾氣流速增加會(huì)導(dǎo)致通道壁面所受壓力不同，且各形狀的通道壓力差異較大。

結(jié)果表明，較小的壓力損失是催化劑設(shè)計(jì)的重要考慮因素。為了優(yōu)化SCR系統(tǒng)的性能，應(yīng)優(yōu)先選擇能夠降低壓力損失的通道形狀。根據(jù)本次的研究成果，在相同條件下，正七邊形通道對(duì)最佳的壓力損失削弱效果最好，其次是正五邊形。

3.2 速度均勻性分析

為了衡量選定曲面上的速度分布均勻程度，本文引入速度均勻性系數(shù)。催化劑內(nèi)的速度均勻性受壓降的變化影響。圖4展示了在100%負(fù)載條件下，不同形狀通道的速度云圖，以及它們?cè)谕晃恢媒孛婷娣e下的速度均勻性變化。

從圖4中可以看出，正方形通道這種幾何形狀對(duì)氣流順暢流動(dòng)起阻礙作用。這些銳角可能會(huì)導(dǎo)致氣流在該區(qū)域內(nèi)停滯，不利于氮氧化物的轉(zhuǎn)化。此外，直角邊若長(zhǎng)時(shí)間使用極易產(chǎn)生結(jié)垢阻礙氣流流動(dòng)，對(duì)SCR系統(tǒng)的使用壽命產(chǎn)生不利影響。因此，正方形通道雖然常見(jiàn)，但在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。

為了克服正方形通道的不足，本文選擇了正五邊形和正七邊形通道作為替代方案。通過(guò)對(duì)這些通道的速度云圖分析可以發(fā)現(xiàn)，正五邊形和正七邊形通道的速度分布更為均勻。這些通道形狀能有效改善尾氣在通道中的流動(dòng)，減少了可能的堵塞問(wèn)題，從而有助于提升SCR系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)效率和系統(tǒng)的整體性能。

此外，速度云圖還顯示了三角形通道的整體速度較低，伴隨較大的壓力損失。這表明，三角形通道可能在流量分布上存在不均勻性，導(dǎo)致較高的壓降和較低的反應(yīng)效率。

在不同形狀的通道中，正三角形通道的速度分布表現(xiàn)出一些獨(dú)特的特點(diǎn)。具體來(lái)看，正三角形通道的氣流流動(dòng)速度整體較低，而中心區(qū)域相比周?chē)鷼饬髁鲃?dòng)速度較快。這種現(xiàn)象是由于正三角形通道內(nèi)的壓力損失較大，尾氣在通道內(nèi)所受阻力加大，因此整體的速度變化較小。盡管如此，較小的速度變化為反應(yīng)提供了充足的反應(yīng)時(shí)間，從而有利于提高NO轉(zhuǎn)化效率。因此，盡管正三角形通道的整體流速較低，其N(xiāo)O轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高。

如圖5所示，通道尾氣流速的增加能逐漸提升速度均勻性。特別地，正六邊形通道在所有通道中表現(xiàn)出最好的速度均勻性，其速度均勻性系數(shù)達(dá)到0.74。正六邊形通道通過(guò)其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，改善了通道內(nèi)的氣流分布，特別是相鄰的直角邊緣設(shè)計(jì)有助于提高速度均勻性。相較于其他形狀，正六邊形通道的速度均勻性更高，有效減少了流速的不均勻性，優(yōu)化了催化反應(yīng)的條件。

3.3 溫度變化

通常情況下，催化反應(yīng)的速率和催化劑的活性受溫度影響大，當(dāng)通道內(nèi)的反應(yīng)溫度提升時(shí)反應(yīng)速率和催化劑活性也會(huì)有一定程度的提升。大量研究表明[14]，若選擇性催化還原系統(tǒng)中的NOx還原反應(yīng)超出了合適的溫度區(qū)間，反應(yīng)將不能有效進(jìn)行，也就是說(shuō)尾氣不能被處理。因此，了解不同進(jìn)口速度下單通道內(nèi)的溫度變化是至關(guān)重要的。關(guān)注單通道內(nèi)的溫度的變化趨勢(shì)，直接影響NOx還原反應(yīng)是否能有效進(jìn)行，尾氣是否能被有效處理。

圖6展示了進(jìn)口速度和進(jìn)出口溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)口速度的增大，會(huì)對(duì)單通道進(jìn)出口溫度差產(chǎn)生不同程度影響。根據(jù)圖中變化關(guān)系不難看出，總的SCR單通道系統(tǒng)內(nèi)的溫差大于零，這表明SCR反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)。分析結(jié)果顯示，隨著進(jìn)口速度的增加，溫度差也在增大。也就是說(shuō)，低速范圍內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)溫度損失反而越大。相反，隨著速度的提高，通道內(nèi)壁面溫度損失逐漸減少。

具體而言，不同通道形狀的壁面溫度損失表現(xiàn)出顯著差異。通過(guò)對(duì)比不同案例，可以得出壁面溫度損失最高的為正四邊形，損失最小的是正五邊形。在相同表面積下，通道的周長(zhǎng)較長(zhǎng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)就會(huì)有更多的熱量會(huì)從通道壁面處流失。也正是由于正四方形通道相較其他通道形狀有著更長(zhǎng)的周長(zhǎng)。

相比之下，正五邊形和正七邊形通道在減少壁面溫度損失方面表現(xiàn)優(yōu)越。這意味著，這些通道形狀能更有效地保持內(nèi)部溫度，有助于促進(jìn)脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高SCR系統(tǒng)的整體性能。

3.4 SCR系統(tǒng)的NO轉(zhuǎn)化效率

在不同負(fù)載條件下，SCR系統(tǒng)不同類(lèi)型形狀的單通道NO轉(zhuǎn)化效率存在較大的差異，具體如圖7所示。不難理解，尾氣進(jìn)入系統(tǒng)的速度越大，尾氣充分反應(yīng)的時(shí)間越短，反應(yīng)越不徹底，也就意味著NO轉(zhuǎn)化效率越小。具體來(lái)說(shuō)，負(fù)載條件為25%時(shí)，6種不同形狀通道的NO轉(zhuǎn)化效率分別為：Case 1（正方形）78.42%、Case 2（正五邊形）75.49%、Case 3（正六邊形）78.31%、Case 4（正七邊形）79.51%、Case 5（正八邊形）76.97%、Case 6（圓形）77.66%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，入口速度與NO轉(zhuǎn)化效率成反比，尾氣在系統(tǒng)進(jìn)口處的速度越大，NO轉(zhuǎn)化效率越小。這是因?yàn)楦咚俣认路磻?yīng)時(shí)間縮短，使得氣體與催化劑的接觸時(shí)間不足，從而降低了轉(zhuǎn)化效率。在所有負(fù)載條件下，相同截面面積下的不同通道形狀對(duì)NO轉(zhuǎn)化效率的影響有所不同。具體分析如下：

反應(yīng)通道截面面積相同時(shí)廢氣轉(zhuǎn)化率與截面周長(zhǎng)成正比，即截面的周長(zhǎng)越長(zhǎng)，單通道的壁面面積越大。當(dāng)壁面面積變大，氣流與催化劑的接觸面積更大，廢氣轉(zhuǎn)化率會(huì)相應(yīng)的提高。正四邊形通道的截面周長(zhǎng)最長(zhǎng)，因此在一定程度上，其N(xiāo)O轉(zhuǎn)化效率也較高。然而，實(shí)際測(cè)試結(jié)果中，正四邊形通道的轉(zhuǎn)化效率并不是最高，這表明雖然壁面面積較大，但其他因素如流動(dòng)分布和溫度均勻性等也對(duì)轉(zhuǎn)化效率有重要影響。

在12 m/s的進(jìn)口速度下，正三角形通道表現(xiàn)出最佳的NO轉(zhuǎn)化率。這可能是因?yàn)檎切瓮ǖ赖谋诿鏈囟葥p失較小，同時(shí)提供了相對(duì)較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。與其他通道形狀相比，正八邊形通道的NO轉(zhuǎn)化效率較低。這可能是由于其復(fù)雜的形狀導(dǎo)致的氣流分布不均勻。

正五邊形和正七邊形通道在轉(zhuǎn)化效率方面表現(xiàn)良好，特別是正七邊形通道在各個(gè)負(fù)載下的轉(zhuǎn)化效率較高。正五邊形和正七邊形的設(shè)計(jì)能夠在保證較高的壁面面積的同時(shí)，優(yōu)化流速分布，減少堵塞現(xiàn)象。本文將進(jìn)口速度從初速度13.2 m/s增加到44.3 m/s后發(fā)現(xiàn)正方形通道的NO轉(zhuǎn)化率下降了15.41%。這意味著，轉(zhuǎn)化效率受流速的影響較大，兩者成反比例關(guān)系。優(yōu)化通道設(shè)計(jì)以應(yīng)對(duì)不同速度條件下的性能變化是提升SCR系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。

當(dāng)廢氣中同時(shí)存在NO、NO?和NH?時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)與快速SCR反應(yīng)在催化劑的第一層展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。這種競(jìng)爭(zhēng)會(huì)顯著影響催化反應(yīng)的效率。

以下是對(duì)不同通道形狀在此條件下的催化轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行分析。在低空速條件下，通道形狀對(duì)催化轉(zhuǎn)化效率的影響更為明顯。這是因?yàn)樵诘涂账傧?，氣體在通道內(nèi)的流速較慢，催化劑表面的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此通道形狀對(duì)氣流分布和催化劑接觸程度的影響變得更為重要。不同的通道形狀可能導(dǎo)致氣流在催化劑表面的分布不均勻，從而影響NO和NH?的轉(zhuǎn)化效率。隨著入口氣體速度的增加，氣體在通道中的停留時(shí)間減少，反應(yīng)時(shí)間縮短，此時(shí)通道形狀對(duì)催化轉(zhuǎn)化效率的影響變小。在高空速條件下，流速增加導(dǎo)致氣體通過(guò)催化劑的時(shí)間縮短，整體轉(zhuǎn)化效率主要由催化劑表面的反應(yīng)速率決定，而通道形狀的影響相對(duì)減弱。

從圖8可以看出，在接近壁面的催化劑具有較好的轉(zhuǎn)化效率。因?yàn)樵诮咏诿娴膮^(qū)域當(dāng)中，氣流的流動(dòng)速度相對(duì)較低，尾氣與催化劑的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，從而提高了轉(zhuǎn)化率。氣流流動(dòng)速率較低的區(qū)域反應(yīng)充分進(jìn)行，殘余廢氣中NO的含量得以減少。在通道內(nèi)接近壁面的區(qū)域，由于氣流速度較低，這些區(qū)域的催化劑能夠更加充分地參與反應(yīng)，從而提高了整體的轉(zhuǎn)化效率。與通道中心區(qū)域相比，壁面區(qū)域的催化劑可能會(huì)因流速較低而減少催化劑的反應(yīng)負(fù)荷。

3.5 SCR系統(tǒng)的NH3的轉(zhuǎn)化效率

在SCR系統(tǒng)中，NOx的轉(zhuǎn)化效率和氨氣的轉(zhuǎn)化效率是關(guān)鍵的性能指標(biāo)。根據(jù)圖8，以下是不同速度進(jìn)口條件下氨氣轉(zhuǎn)化效率的分析。在不同通道形狀中，Case 6（正三角形）顯示出最高的氨氣轉(zhuǎn)化效率。這是因?yàn)檎切瓮ǖ涝谠O(shè)計(jì)上允許氣流更加均勻地分布，且通道內(nèi)的溫度相對(duì)均勻，有利于提高氨氣的氧化速率。Case 3（橢圓形）在氨氣轉(zhuǎn)化效率方面表現(xiàn)最差。這可能是由于橢圓形通道的流動(dòng)特性導(dǎo)致了較大的局部流速變化，影響了氨氣的有效氧化。氨氣的轉(zhuǎn)化效率通常高于NO的轉(zhuǎn)化效率。這是因?yàn)樵赟CR系統(tǒng)中，氨氣的轉(zhuǎn)化反應(yīng)通常會(huì)伴隨較高的溫度，提升了反應(yīng)速率。隨著催化反應(yīng)進(jìn)行，溫度升高促進(jìn)了氨氣的進(jìn)一步氧化，從而提高了其轉(zhuǎn)化效率。催化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致通道內(nèi)的溫度升高。溫度升高有利于氨氣的氧化反應(yīng)，因此在高溫條件下，氨氣的轉(zhuǎn)化效率通常會(huì)更高。對(duì)于不同的通道形狀，這種溫度升高的效應(yīng)可能會(huì)有所不同，但總體趨勢(shì)是，通道內(nèi)的高溫能有效提高氨氣的轉(zhuǎn)化效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文討論了SCR系統(tǒng)中不同通道形狀對(duì)系統(tǒng)性能的影響，旨在提高NOx和NH3的轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)降低壓力損失并改善流速的均勻性。相關(guān)的成果歸結(jié)如下：

a.在100%負(fù)載條件時(shí)，正七邊形通道的壓力損失最小，而圓形通道的壓力損失最大，顯示出通道形狀對(duì)流動(dòng)阻力的顯著影響。正七邊形通道在降低壓力損失方面效果最佳。隨著流速增加，壓力損失差異加大，表明流速對(duì)壓力損失影響顯著。合理選擇通道形狀可以有效減少壓力損失，提升系統(tǒng)性能。

b.正六邊形通道在速度均勻性方面表現(xiàn)最佳，優(yōu)化通道形狀能夠顯著提升流速均勻性，從而提高NOx轉(zhuǎn)化效率。雖然正三角形通道的速度均勻性較差，但仍能有效促進(jìn)氮氧化物的轉(zhuǎn)化。

c.不同通道形狀對(duì)溫度分布的影響明顯。正四邊形通道的溫度損失較大，而正五邊形和正七邊形通道則能更好地減少溫度損失，提高催化反應(yīng)效率。

d.氨氣轉(zhuǎn)化效率最高的形狀是正三角形通道，正三角形通道有利于促進(jìn)氨氣的氧化反應(yīng)，而橢圓形通道的氨氣轉(zhuǎn)化效率最低。通常，氨氣的轉(zhuǎn)化效率高于NO，這與催化反應(yīng)的溫度效應(yīng)密切相關(guān)。

總的來(lái)說(shuō)，降低壓力損失方面最為優(yōu)異的是正七邊形通道，而正三角形通道則在氨氣轉(zhuǎn)化效率上表現(xiàn)最佳。實(shí)驗(yàn)證明了通道設(shè)計(jì)對(duì)SCR系統(tǒng)的整體性能有顯著影響，在實(shí)際生產(chǎn)中合理選擇通道形狀和優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)是提升SCR系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。因此本文的研究對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用，存在一定的實(shí)際意義。

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作者簡(jiǎn)介：

許德衡，男，1994年生，助教，研究方向?yàn)槠?chē)空氣動(dòng)力學(xué)、特種車(chē)加工技術(shù)。