某柴油機尿素SCR催化器內(nèi)流場分析

雷 剛，袁海軍， 易 浩，鄭光澤

(重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院， 重慶 400054)

為了減少柴油機NOx的排放，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出了許多技術(shù)方案,以此滿足更加嚴格的排放控制法規(guī)，其中尿素選擇性催化還原(urea selective catalytic reduction，Urea-SCR)技術(shù)[1]是降低柴油機NOx排放的一種有效手段。在歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)將Urea-SCR技術(shù)大量應(yīng)用于車用柴油機的尾氣處理中，從而降低柴油機的NOx排放。SCR技術(shù)具有良好的耐硫性，也被認為是我國實現(xiàn)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)手段[2]。

由于我國地域遼闊，南北跨緯度近50°，溫度、道路等環(huán)境差異較大，車用柴油機的分布區(qū)域較廣，造成其運行工況復(fù)雜，且其排氣的各項參數(shù)范圍較大，因此車用SCR系統(tǒng)需要解決多種問題。較為關(guān)鍵的是系統(tǒng)中的管路布置和結(jié)構(gòu)尺寸以及尿素噴射的合理控制[3-4]。

1 Urea-SCR系統(tǒng)

Urea-SCR系統(tǒng)主要由控制單元(ECU)、尿素泵(SM)、噴嘴(DM)、SCR催化器及相關(guān)液壓管道和電線束組成。基本原理是將一定量的霧化后的尿素溶液注入排氣管中，并在高溫下熱解和水解形成還原劑氨氣(NH3)，然后NH3在SCR中的催化劑作用下選擇性地與廢氣中的NOx反應(yīng)，產(chǎn)生氮和水，進而控制車用柴油機NOx的排放[5]。

2 SCR系統(tǒng)評價指標(biāo)

2.1 均勻性系數(shù)

催化劑的速度與還原劑分布直接影響催化器的NOx轉(zhuǎn)化效率[6]。催化劑的速度不均勻性體現(xiàn)在催化轉(zhuǎn)化器中心區(qū)域的速度過大，導(dǎo)致其徑向溫度變化范圍過大，進而產(chǎn)生變化較大的熱應(yīng)力，使催化轉(zhuǎn)化器發(fā)生熱疲勞損壞，并導(dǎo)致催化劑活性降低，降低催化效率。還原劑分布不均體現(xiàn)在催化轉(zhuǎn)換器中的還原劑局部過量或不足，導(dǎo)致催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)換率下降，降低NOx轉(zhuǎn)化效率。

2.2 尿素顆粒直徑分布

尿素液滴顆粒在排氣管道中分布得越均勻，其與氣體的接觸面積就越大，越容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高SCR的轉(zhuǎn)化效率，還可以防止液滴聚集。液滴聚集導(dǎo)致其貼附在管道壁上，進一步析出尿素晶體，降低催化器的效率，更嚴重時會堵塞催化器的小孔，使其發(fā)生破壞失效[7]。

3 SCR催化器CFD建模

3.1 幾何模型

圖1為催化轉(zhuǎn)化器簡化三維結(jié)構(gòu)，采用的催化劑為釩基催化劑。催化劑共有4段，分布在不同部位，且催化劑孔密度為60孔/cm2，壁厚為0.13 mm，涂層厚度為0.015 mm。排氣管與催化器的夾角為90°。如圖1所示，整個催化器不具對稱性，催化器內(nèi)的還原劑分布不均，會導(dǎo)致催化反應(yīng)程度不一致，從而導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化率降低[8]。因此，為了保證模擬能順利進行，對整個催化轉(zhuǎn)換器進行模擬。

1.尾氣入口；2.催化劑載體；3.霧化噴嘴；4.尾氣出口

催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部有催化劑載體、消音器管道和霧化噴嘴及固定安裝裝置。為了簡化模型，把催化劑載體當(dāng)成多孔介質(zhì)處理，同時把消音器管道外表面布滿的小孔半徑擴大并保證其流通量不變，只保留氧化器、連接管、消音器和催化器。簡化后共劃分有 548 008個單元，節(jié)點數(shù) 136 536個。CFD網(wǎng)格模型圖2所示，用CFD軟件進行模擬計算。

圖2 CFD網(wǎng)格模型

3.2 計算模型

采用質(zhì)量和動量守恒方程來描述SCR系統(tǒng)中的流體流動，利用雷諾方程和湍流模型分析溶液運動的過程，并利用湍流擴散模型分析尿素在排氣管道中的擴散[9]。 從尿素溶液噴射點到SCR催化器的出口，涉及許多物理和化學(xué)反應(yīng)，主要包括尿素溶液霧化、尿素溶液沖擊催化器壁及液膜形成、尿素液滴的蒸發(fā)和熱解以及催化劑的催化還原反應(yīng)。此次分析只考慮尿素溶液在催化轉(zhuǎn)化器中的霧化。

忽略尿素溶液的初始霧化過程，將尿素溶液看作是從噴嘴流出的離散液滴，再結(jié)合拉格朗日方法和歐拉方法來計算液滴軌跡。即尿素溶液霧化模擬采用離散液滴模型(DPM)模擬其在催化轉(zhuǎn)化器中的霧化。

離散液滴模型(DPM)利用拉格朗日坐標(biāo)系中的質(zhì)點力微分方程求解尿素分散液滴的運動軌跡。在尿素溶液的流動過程中，噴霧顆粒受到慣性力、曳力、重力等作用力的綜合影響，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，還會受到附加作用力的影響，從而導(dǎo)致噴霧顆粒的運動軌跡發(fā)生變化。為簡化模型，將噴霧液滴假設(shè)為理想球形[10]。

離散液滴模型(DPM)對每個尿素液滴的求解運動控制方程為

(1)

式中：vk為尿素液滴k的運動速度；mk為該液滴的質(zhì)量；(∑F)k為該液滴所受的合力。

液滴運動軌道方程為

(2)

液滴的受力運動方程為

(3)

式中：fx為單位液滴質(zhì)量的力；ρg為連續(xù)相密度；ρP為顆粒密度；g為重力加速度；u為連續(xù)相速度；uP為顆粒速度；fD(u-uP)為液滴單位質(zhì)量曳力矢量，且：

(4)

式中：CD為液滴的曳力系數(shù)；Re為液滴雷諾數(shù)，且：

(5)

(6)

3.3 邊界條件和參數(shù)

Fluent中的霧化模型一般實現(xiàn)的是對液滴的碰撞和蒸發(fā)等的模擬，而且不需要建立整個噴嘴的幾何模型，極大地方便了模型的建立及計算仿真。

入口邊界條件采用給定的排氣流速和溫度，排氣速度為22.6 m/s，溫度為780 K，水力直徑為0.08 8m，湍動能設(shè)定為進口平均速度平方的5%；出口邊界為大氣壓強，溫度為450 K，水力直徑為0.1 m，湍流強度為0.5%。

假設(shè)內(nèi)流場壁面為光滑非滲透性的壁面，溫度設(shè)為300 K,對流熱交換系數(shù)為10 W/(m2·K)。將氧化催化器當(dāng)成多孔介質(zhì)處理，設(shè)定其黏性阻力系數(shù)為38.46 m-2，慣性阻力系數(shù)為20 000 m-2，并將黏性阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)沿著氣體流動的方向降低3個數(shù)量級。霧化噴嘴的設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 霧化噴嘴的設(shè)置參數(shù)

4 結(jié)果分析

由壓力云圖3可知:在多孔介質(zhì)處有明顯的壓降，且基本呈線性變化，連接管處壓力變化較小，這樣對噴嘴噴出液滴的分布影響小，使液滴的流動更平穩(wěn)，分布更均勻，不會導(dǎo)致液滴聚集或者大量附著在管壁上，避免造成尿素結(jié)晶，影響催化效率。

圖3 壓力云圖

由速度云圖4可知:在催化轉(zhuǎn)化器的各個流域的軸線部位處流速比較大，最大值為26.8 m/s;在靠近壁面處流速比較?。辉谙羝餍】滋幍牧魍嫘?，流速快，很容易對內(nèi)壁面產(chǎn)生持續(xù)不斷的沖擊，造成疲勞損傷破壞；在催化器載體流域內(nèi)的流速比較緩慢，易于NH3與廢氣的混合與催化還原。

圖4 速度云圖

廢氣基本沿著管道流動，沒有產(chǎn)生較大的渦流，在多孔介質(zhì)區(qū)域速度方向基本一致，且在連接管即尿素噴射區(qū)域流速快。噴入的液滴大多數(shù)隨廢氣向前流動，液滴受到高溫排氣的加熱作用蒸發(fā)而產(chǎn)生水蒸氣及熔融的尿素，在進入催化器之前全部汽化，且與廢氣均勻混合，有利于催化還原，極大地增加了載體的壽命。

流線圖5表明:在消音器管道處流線分布較密集，流速快，但是因為流道截面積變化較大，流動較混亂，此處容易產(chǎn)生拖拽渦，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力，對廢氣的流動有極大干擾，不易于平穩(wěn)過渡，會影響催化器入口處NH3的混合均勻性。

圖5 流線圖

由圖6、7可知:在噴射軸線中心處的液滴質(zhì)量最大，兩邊質(zhì)量較小，這是因為外圍液滴顆粒與廢氣接觸的空間大，在受到作用力后容易分散破碎，而里面的液滴雖然流速快但受到噴射錐角的影響不易分散開，會造成液滴的二次包裹合聚，不利于尿素溶液的分解，進一步影響廢氣的催化還原。

圖6 離散相顆粒質(zhì)量分數(shù)圖1

由圖8、9可知:液滴直徑分布比較均勻，沒有出現(xiàn)直徑大或直徑小的液滴顆粒聚攏的現(xiàn)象，液滴呈交錯混合，即羅辛-拉姆勒Rosin-Rammler分布,這樣易于液滴受熱分解與廢氣混合，利于催化還原。

圖7 離散相顆粒質(zhì)量分數(shù)圖2

圖8 顆粒直徑分布

圖9 顆粒質(zhì)量分布

5 結(jié)論

1) 在SCR系統(tǒng)的排氣管部位容易形成大小不一的結(jié)晶。尿素溶液噴嘴的布置位置、角度和距離對尿素液滴的運動軌跡影響較大，因此可以通過優(yōu)化這些參數(shù)，提升SCR系統(tǒng)的工作性能，并降低NOx的排放。

2) 柴油機尿素SCR催化器的壓力、速度、流線圖以及尿素顆粒直徑、質(zhì)量分布能反映其尿素顆粒分布、濃度，基本滿足催化器對廢氣的催化條件，對帶有尿素SCR催化器的柴油機的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。