基于多因素角度分析噴射結(jié)構(gòu)對船機(jī)SCR的影響

宋 鑫

( 中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

大氣環(huán)保是當(dāng)今全球最關(guān)注的熱點(diǎn)話題之一，我國也逐步出臺(tái)法律法規(guī)明確大氣環(huán)境的保護(hù)措施。對于海洋環(huán)境而言，船機(jī)排放的廢氣是主要污染源之一，其中包含NOX，CO，VOCs，碳粒及煙塵等有害物質(zhì)。對于氮氧化物而言，主要成分是NO和NO2。NO 是無色氣體，本身毒性不大，但在大氣中會(huì)緩慢氧化成NO2。NO2是一種棕色的刺激性氣體，對肺和心肌有很強(qiáng)的毒害作用。大氣中的NOX成霧狀，形成大城市的“大霧問題”。NO2在被雨水沖洗下也增加土壤的酸度。

為實(shí)現(xiàn)船機(jī)氮氧化物NOX的控制，國際組織明確了2016年后推行TierIII的排放標(biāo)準(zhǔn)，而且美國等發(fā)達(dá)國家已把相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)列入國家法規(guī)，并開始嚴(yán)格執(zhí)行。選擇性催化還原系統(tǒng)SCR 作為船機(jī)氮氧化物后處理技術(shù)的熱門技術(shù)被廣泛關(guān)注。在傳統(tǒng)的SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)還原劑噴射控制需要不斷進(jìn)行排氣管路、排氣點(diǎn)、噴嘴等結(jié)構(gòu)尺寸的修改，工作量較大。在結(jié)合數(shù)值仿真計(jì)算手段時(shí)，也較多集中在單一因素的干擾對系統(tǒng)影響的分析上，缺乏綜合系統(tǒng)的研究和比較。因此，如何在縮短設(shè)計(jì)周期與控制成本的前提下開展SCR 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是值得思考的問題。本文從多因素角度出發(fā)，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和正交設(shè)計(jì)手段，以船機(jī)SCR 系統(tǒng)降低NOX的效率為目標(biāo)，針對船機(jī)SCR 系統(tǒng)的噴射環(huán)節(jié)，分析了排氣流場的運(yùn)動(dòng)特性，綜合評估了噴射環(huán)節(jié)中影響系統(tǒng)性能的主要因素。

1 SCR 系統(tǒng)基本原理

SCR 系統(tǒng)組成主要包含尿素電子控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)信號采集單元、催化器、尿素噴射泵及傳感器等部件?？刂葡到y(tǒng)通過分析傳感器的輸入信號，結(jié)合噴射泵的輸出量及系統(tǒng)實(shí)際降低NOX的能力來決定噴射泵的供應(yīng)量，完成還原劑的噴射控制過程。

SCR 系統(tǒng)的NOX的催化還原反應(yīng)基本原理是［1］:

標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng):

快速反應(yīng):

2 計(jì)算流體力學(xué)分析

一般而言，船機(jī)SCR 系統(tǒng)可以看成是三維的流體運(yùn)動(dòng)，在還原劑噴射環(huán)節(jié)中主要包含尿素水溶液的噴射、排氣運(yùn)動(dòng)、還原劑霧化和氣體混合等過程。本文采用雷諾平均法對非穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程和Navier-Stokes 方程作時(shí)間平均，得到SCR 系統(tǒng)的流動(dòng)控制方程［2－3］:

式中:雷諾應(yīng)力采用標(biāo)準(zhǔn)k－ ε 模型計(jì)算，該模型把湍流粘度μt與湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε 相聯(lián)系。其中Cμ，Bε1，Bε2，Bε3和Bε4均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，v 為運(yùn)動(dòng)粘度。

SCR 系統(tǒng)的反應(yīng)是物理化學(xué)過程，質(zhì)的交換包含多種化學(xué)組分，反應(yīng)過程的組分都符合組分質(zhì)量守恒定律。因?yàn)榇呋瘎┲饕怯啥嗫捉橘|(zhì)組成，應(yīng)考慮加入動(dòng)量項(xiàng)來計(jì)算單位體積內(nèi)物理量的守恒性質(zhì)，所以可采用如下固體能量守恒方程［4］:

式中:Cp，s為催化劑的比熱容;U 為熱傳導(dǎo)項(xiàng);kh為氣固兩相的傳熱系數(shù);ΔT 為氣體與固體的溫度差;Sr為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的源項(xiàng);V 為催化劑的體積。

3 正交計(jì)算原理

考慮到還原劑噴射方面影響系統(tǒng)NOX轉(zhuǎn)化效率的因素較多，采用正交設(shè)計(jì)法是最理想的選擇。正交設(shè)計(jì)［5］的計(jì)算點(diǎn)均衡分散，每個(gè)計(jì)算點(diǎn)都有很強(qiáng)的特征，能較全面地反映每個(gè)計(jì)算的大致情況。它主要從開始選定的計(jì)算因素的全部水平組合中，挑選出部分有代表性的水平組合進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到的方案，即使不是全面計(jì)算中最優(yōu)方案，也是相對最佳方案。

計(jì)算數(shù)據(jù)分析時(shí)與每個(gè)因素的目標(biāo)值比較，得出各因素的主次關(guān)系，使數(shù)據(jù)具有更綜合的可比性。通過正交計(jì)算，數(shù)據(jù)的分析計(jì)算更加方便，可大大提高分析計(jì)算的效率，縮短整體設(shè)計(jì)的周期。對于影響SCR 系統(tǒng)效率而言，通過正交設(shè)計(jì)良好的代表性和數(shù)據(jù)綜合性可使系統(tǒng)的各因素盡可能綜合的考慮，最重要的是能夠掌握因素的主次，能夠快速有效的找出優(yōu)化點(diǎn)。

一般而言，正交算法主要包括明確設(shè)計(jì)目標(biāo)、正交表的確立、確定設(shè)計(jì)計(jì)算方法和正交計(jì)算及結(jié)果綜合等方面。

4 仿真模型

為掌握還原劑噴射的主要因素與系統(tǒng)性能的關(guān)系，以提高船機(jī)SCR 系統(tǒng)的NOX轉(zhuǎn)化效率為目標(biāo)，這里選取噴嘴位置、噴嘴孔數(shù)、噴霧錐角、液滴直徑來分析噴射環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的正交關(guān)系。

以常見船機(jī)管路模型為例，選用管路布置及催化器簡化模型如圖1所示。

圖1 管路布置及催化器模型Fig.1 Exhaust pipe and catalyst model

因噴嘴位置、噴嘴孔數(shù)、噴霧錐角、液滴直徑都為水平因素，設(shè)計(jì)因素水平如表1所示。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level

由表1 可知，考慮了4個(gè)因素并選用4 水平做正交數(shù)值模擬計(jì)算，因此，可采用正交表L16(44)來設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)正交計(jì)算表如表2所示。

表2 正交計(jì)算表Tab.2 Orthogonal calculation

其中A，B，C，D 表示正交因素。

計(jì)算工況選取柴油機(jī)100%負(fù)荷，操作壓力設(shè)為0 Pa，其他主要邊界條件為:氣體密度為2.36 kg/m3，湍流強(qiáng)度設(shè)為2.8%，孔隙率為0.75。

以NOX轉(zhuǎn)化效率為計(jì)算目標(biāo)，系統(tǒng)效率至少大于83%，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真方法進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

圖2 流體動(dòng)能分布Fig.2 Flow energy distribution

為考核計(jì)算的合理性，取正交計(jì)算1 工況為例，分析湍流動(dòng)能的分布特點(diǎn)，從管路流動(dòng)可看出，氣體在進(jìn)入彎管和催化器入口區(qū)域后，湍流動(dòng)能增強(qiáng)，因?yàn)榱魉僮兓龃筇岣吡肆黧w之間內(nèi)部的摩擦，從而提高了流動(dòng)動(dòng)能，而在催化劑中氣體擾動(dòng)減小，動(dòng)能也隨之減小，從計(jì)算效果看符合預(yù)期。

基于表2 正交計(jì)算的工況設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)仿真計(jì)算，得到不同工況下的NOX轉(zhuǎn)化率，具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算表Tab.3 Calculation results

5 計(jì)算分析

為分析正交計(jì)算的結(jié)果，常采用極差分析法，其優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡單。針對表3，利用極差分析可得出表4。

表4 極差分析結(jié)果Tab.4 Range analysis

針對每個(gè)因素計(jì)算平均值k1，k2，k3，比較每個(gè)因素下，不同水平的均值變化如圖3所示?？芍狝 因素的變化較其他因素的影響更大。圖4 列出不同因素下，極差數(shù)值的變化，同樣可看出因素A的極差值也遠(yuǎn)大于其他因素。結(jié)合極差值、均值及轉(zhuǎn)化效率值的綜合分析，可得出影響NOX轉(zhuǎn)化率的主次因素是ABDC，較優(yōu)水平為A1，B2，C3，D1。

圖3 水平均值圖Fig.3 Level mean value

從上述分析可清楚知道，因素A 噴嘴位置的選取對船機(jī)SCR 系統(tǒng)的NOX轉(zhuǎn)化率目標(biāo)實(shí)現(xiàn)起著關(guān)鍵作用，其他因素的主次關(guān)系略有不同，但作用相對因素A的影響較小。

圖4 極差值Fig.4 Range value

考慮到極差分析不能估計(jì)計(jì)算誤差，不能排除誤差的干擾，無法確定結(jié)果的可信度。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，進(jìn)一步利用方差分析法對各因素的顯著水平給出一個(gè)定量分析。方差分析基本方法是將試驗(yàn)結(jié)果總偏差平方和分解為各因素的偏差平方和與誤差平方和，構(gòu)成統(tǒng)計(jì)量，對各因素是否對試驗(yàn)指標(biāo)具有顯著影響而進(jìn)行F 檢驗(yàn)，做出顯著性判斷。利用方差分析得到4個(gè)因素對NOX轉(zhuǎn)化率的影響，取a=0.05，F(xiàn)a 臨界值為3.490，方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 方差分析結(jié)果Tab.5 Variance analysis result

從表5 可知，因素A 為顯著影響，其次因素B，因素C 影響最小，此分析結(jié)果和極差分析結(jié)果相同，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可信度。

6 結(jié) 語

本文從多因素角度出發(fā)，比較了船機(jī)SCR 系統(tǒng)不同噴射結(jié)構(gòu)對NOX轉(zhuǎn)化效率的影響，得出噴嘴位置是影響效率的主要因素。采用正交計(jì)算方法，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(CFD)算法，提出了船機(jī)SCR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新思路。

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