尿素噴射位置對SCR系統(tǒng)影響的仿真及試驗研究

王文曉 朱智富 桂建華 王勝 王繼榮

摘要：??為了滿足GB?16297排放法規(guī)，降低柴油機NOX排放，本文對試車臺架選擇性催化還原（selected?catalyst?reduction，SCR）系統(tǒng)中的尿素噴射位置進行研究。運用計算流體動力學（computational?fluid?dynamics，CFD）軟件，模擬兩種尿素噴射位置對尿素混合氣軌跡和NH3分布均勻性的影響，并使用最佳噴射點進行臺架性能試驗。研究結果表明，噴射點位于進氣管中心線上時，尿素混合氣流動軌跡最優(yōu)，NH3分布均勻性最好;SCR系統(tǒng)的NOX轉化效率最高可達95%，使尾氣中NOX的排放量可以滿足GB16297排放法規(guī)的要求。該設計為保證SCR系統(tǒng)的NOX轉化效率提供了噴射點布置方案。

關鍵詞：??選擇性催化還原;?CFD仿真;?NH3分布均勻性;?NOX轉化效率

中圖分類號：?TK424.2?文獻標識碼：?A

收稿日期：?2019-06-11;?修回日期：?2019-10-27

作者簡介：??王文曉（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向為柴油機后處理技術。

通信作者：??朱智富（1970-），男，博士，副教授，主要研究方向為船用發(fā)動機SCR系統(tǒng)的開發(fā)與應用。Email：?zhuzhifu_konyo@126.com

為了響應“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的3年行動計劃，滿足GB?16297排放法規(guī)的要求，各柴油機企業(yè)積極響應，對柴油機排放進行控制。選擇性催化還原（selected?catalyst?reduction，SCR）是車用柴油機NOX排放控制的主流技術路線[1]，此技術使用噴射系統(tǒng)將尿素溶液以噴霧的形式噴入混合管中，與高溫廢氣接觸，受熱分解生成NH3，NH3通過混合結構與廢氣充分混合，最后在催化劑作用下發(fā)生還原反應，將NOX轉化為N2。如何提高SCR系統(tǒng)的NOX轉化效率一直是相關研究的重點，國內(nèi)外學者在SCR系統(tǒng)結構優(yōu)化、燃油品質、系統(tǒng)控制策略等多方面進行了研究[2-17]。在SCR系統(tǒng)中，尿素分解速率和NH3分布均勻性是影響NOX轉化效率的重要因素[18]，因此如何提高尿素分解速率和NH3分布均勻性，成為提高SCR系統(tǒng)NOX轉化效率的一個思路。近年來，國內(nèi)外學者對尿素噴射系統(tǒng)進行了相關研究[19-20]，證明使尿素在到達催化劑前完全分解為NH3，并使NH3與廢氣混合均勻，可以保證系統(tǒng)具有極高的NOX轉化效率?；诖?，本文以尿素噴射位置為研究對象，研究尿素噴射位置對SCR系統(tǒng)尿素分解速率和混合均勻性的影響，并測試系統(tǒng)的NOX轉化效率。首先使用STARCCM+模擬噴射點位于進氣管中心線和噴射點偏離進氣管中心線時，系統(tǒng)內(nèi)的顆粒軌跡和NH3分布均勻性，然后對比仿真結果，優(yōu)選出最佳布局進行臺架試驗。將臺架試驗結果與排放標準限值進行比較，驗證系統(tǒng)的可行性。研究結果表明，噴射點布置于管路中心時，SCR系統(tǒng)內(nèi)的尿素混合氣軌跡最優(yōu)，尿素分解速率最快，NH3分布均勻性最好，NOX轉化效率最高。該研究為SCR系統(tǒng)布局提供思路。

1?法規(guī)分析及反應器模型

1.1?排放法規(guī)限值分析

根據(jù)排放法規(guī)GB3095的規(guī)定，將排放地劃分為一類環(huán)境空氣質量功能區(qū)（一類區(qū)）、二類環(huán)境空氣質量功能區(qū)（二類區(qū)）和三類環(huán)境空氣質量功能區(qū)（三類區(qū)）。查詢法規(guī)內(nèi)容，確定此柴油機試車臺架的排放地屬于二類區(qū)，污染物排放速率執(zhí)行二級標準。我國現(xiàn)行的排放法規(guī)是GB16297，此排放屬于新污染源，國標中排放物的限值如表1所示。

采用NOX傳感器測試此臺架，柴油機的NOX最大排放速率為1.75?kg/h，排放質量濃度為1?113.6?mg/m3。將表1中國標的數(shù)據(jù)與原機排放對比后發(fā)現(xiàn)，NOX排放的質量濃度超過限值較多，需要進行處理。

1.2?反應器模型

SCR反應器模型如圖1所示，廢氣從進氣法蘭進入SCR反應器，在進氣管中與尿素噴槍噴出的尿素噴霧進行混合，在封裝桶體內(nèi)催化劑的作用下，混合氣發(fā)生還原反應，NOX轉化為無害氣體N2，最后從出氣管排出達標的廢氣。

2?仿真分析及優(yōu)化設計

2.1?仿真分析

該型號柴油機的常用排氣管徑為110?mm，考慮到試車臺架要求，柴油機排氣背壓不能超過工程限值，將排氣管徑增加至130?mm。管徑變化導致SCR系統(tǒng)內(nèi)的尿素噴射點偏移，偏離中心線的噴射點如圖2所示，圖2中的白線為管路的中心線。

將三維模型導入HyperMesh中進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后導入STARCCM+中進行仿真分析。在STARCCM+中模擬尿素噴霧錐角對結晶風險的影響，物理模型選用拉格朗日多相流模型（lagrangian?multiphase）、非預混反應模型（eddy?breakup）、湍流模型（kepsilon?turbulence）、壁面模型（fluid?film、multiphase?interaction）。仿真模型參數(shù)如表2所示，尿素噴霧模型根據(jù)實際噴霧霧束選用實心圓錐。

采用上述模型進行CFD仿真分析，粒子軌跡和NH3質量分數(shù)分布如圖3所示。由圖3可以看出，尿素顆粒大量分布在靠近噴射口的一側，分布均勻性較差，會造成NH3在SCR反應器中分布不均勻。從催化劑前端面的NH3質量分數(shù)分布云圖可以看出，尿素分布多的區(qū)域，NH3質量分數(shù)更高，剩余區(qū)域的NH3含量極低。在催化劑上NH3質量分數(shù)高的區(qū)域，NOX轉化更徹底，但是易因NH3過量導致NH3泄漏，造成二次污染。而NH3分布少的區(qū)域，NH3不足會導致NOX轉化不徹底，使經(jīng)過處理的尾氣NOX排放仍然超標。

不同噴射點在同一截面上NH3的分布均勻性反應NH3與柴油機尾氣的混合程度，均勻性越高，混合程度越好。計算催化劑前端面的NH3分布均勻性，對比兩種噴射位置對NH3分布均勻性的影響。計算時使用的NH3混合均勻性指數(shù)為

UNH3=1-∑ni=1＼[|φi-f|Ai＼]2|f|∑ni=1Ai

式中，n為截面上單元網(wǎng)格總數(shù)量;φi為截面上第i個單元網(wǎng)格上NH3的質量分數(shù)值;f為截面上NH3質量分數(shù)平均值;Ai為截面上第i個單元網(wǎng)格的面積。

經(jīng)過計算，此截面的NH3分布均勻性為0.75，這一數(shù)值較低，說明NH3分布不均勻，與廢氣混合不佳，影響SCR系統(tǒng)NOX的轉化效率。

2.2?優(yōu)化設計

噴射點偏離進氣管中心線的SCR系統(tǒng)速度均勻性較差，NH3泄漏量較高，NOX轉化效率低，不能滿足排放要求，分析后認為噴射點偏移導致了這些問題。為判斷噴射點變化是否會影響SCR系統(tǒng)的性能，將噴射點布置于管路中心線上，與原安裝方式進行對比分析。

本文設計了一個全新的噴槍座，將噴槍下沉，在不改變噴槍長度的情況下，使尿素噴射點恰好位于管路的中心位置，位于中心線的噴射點如圖4所示。

對優(yōu)化后的SCR系統(tǒng)進行CFD仿真分析，粒子軌跡和NH3質量分數(shù)分布如圖5所示。由圖5可以看出，尿素溶液的顆粒軌跡分布十分均勻，催化劑前端面的NH3質量分數(shù)基本一致，NH3與廢氣混合均勻，說明此結構可以使SCR系統(tǒng)具有較高的NOX轉化效率。使用軟件計算出此時的NH3混合均勻性指數(shù)為0.95，說明混合效果極好。

對比分析圖3和圖5的仿真結果，可以看出當尿素噴射點位于管路中心線時，管路內(nèi)的顆粒分布均勻性更好，NH3分布更均勻，可以保證系統(tǒng)具有極高的NOX轉化效率，故使用此方案進行臺架試驗。

3?試驗驗證

3.1?試驗設備

排放試驗在臺架上進行，按照優(yōu)化方案布置SCR系統(tǒng)，在臺架上對其進行性能驗證，使用AVL?DiCom?4000檢測系統(tǒng)的NOX轉化效率及可靠性。臺架發(fā)動機基本參數(shù)如表3所示，試驗臺架如圖6所示。

3.2?試驗結果

3.2.1?不同負荷相同效率的排放情況

試驗選用25%，50%，75%，100%負荷進行排放測試，按照85%的NOX轉化效率，為各個工況匹配相應的尿素噴射量，使各個負荷下的NOX轉化效率一致，然后在SCR排氣管使用NOX傳感器，測試NOX排放速率，根據(jù)排放速率計算對應的排放濃度，不同負荷相同NOX轉化效率的排放量如表4所示。

將試驗結果與表1中排放質量濃度限值240?mg/m3和排放速率限值2.85?kg/h進行對比，發(fā)現(xiàn)4個負荷的排放量均低于排放限值，可以滿足排放要求。但是在50%，75%，100%負荷時，排放濃度仍舊過高，所以有必要適當提高此SCR系統(tǒng)的轉化效率。

3.2.2?相同負荷不同效率的排放情況

第二類試驗時，發(fā)動機運行25%恒定負荷，適當改變尿素噴射量，以改變SCR系統(tǒng)中NOX的轉化效率，測試不同NOX轉化效率的排放情況，同一負荷不同轉化效率的排放量如表5所示。由表5可以看出，試驗結果均低于表1中的排放濃度限值240?mg/m3和排放速率限值2.85?kg/h，對比不同轉化效率的排放量，可以發(fā)現(xiàn)轉化效率對排放物濃度影響極大，但轉化效率提高的同時意味著尿素噴射量的增加，會增加SCR系統(tǒng)內(nèi)的結晶風險和NH3泄漏風險。綜合分析此臺架的原排數(shù)值和試驗結果，證明將噴射點居中可以達到預期的系統(tǒng)性能。

4?結束語

本文主要研究了不同噴射位置對SCR系統(tǒng)性能的影響。對比噴射點偏移模型和噴射點居中模型的仿真結果，發(fā)現(xiàn)將尿素噴射點置于管路中心時，尿素的分解情況更好，尿素與廢氣的混合均勻性更高，NH3分布均勻性比噴射點偏移時提高20%。臺架試驗結果再次驗證，尿素噴射點置于管路中心時，可以保證尿素與廢氣的混合均勻性最佳，此時尿素快速分解產(chǎn)生NH3，保證柴油機廢氣經(jīng)過催化劑時NOX充分轉化為N2，使系統(tǒng)具有較高的NOX轉化效率。優(yōu)化后的SCR反應器NOX轉化效率最高可達95%，試驗結果顯示，當NOX的轉化效率為75%時，柴油機試車臺架排放已達標。因此，實際應用時調(diào)節(jié)尿素噴射量，使用85%的NOX轉化效率，可在保證柴油機試車臺架排放達標的同時，具有一定的可靠性，此SCR反應器可以在柴油機企業(yè)進行推廣應用。

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Simulation?and?Experimental?Study?on?the?Effect?of?Urea?Injection?Position?on?SCR?System

WANG?Wenxiao1，?ZHU?Zhifu2，?GUI?Jianhua3，?WANG?Sheng3，?WANG?Jirong1

（1.?School?of?Electromechanic?Engineering，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China;

2.?College?of?Physics，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China;

3.?Shandong?Konjun?Environmental?Protection?Technology?Co.，?Ltd.?Weifang?261000，?China）

Abstract：??In?order?to?meet?GB?16297?emission?regulation?and?reduce?NOX?emission?of?diesel?engine，?the?urea?injection?position?in?selective?catalyst?reduction?（SCR）?system?of?test?bench?was?studied.?Computational?fluid?dynamics?（CFD）?software?was?used?to?simulate?the?effects?of?two?urea?injection?positions?on?urea?mixture?trajectory?and?NH3?distribution?uniformity，?and?the?bench?performance?experiment?was?carried?out?with?the?best?injection?points.?The?results?show?that?when?the?injection?point?is?located?on?the?central?line?of?the?intake?pipe，?the?urea?mixture?flow?trajectory?is?the?best?and?the?NH3?distribution?uniformity?is?the?best.?Then?the?bench?performance?test?was?carried?out?using?the?optimum?injection?point.?The?test?results?show?that?the?NOX?conversion?efficiency?of?SCR?system?can?reach?95%，?which?meets?the?requirements?of?GB?16297?emission?regulation.?The?design?provides?the?injection?point?layout?scheme?to?ensure?the?NOX?conversion?efficiency?of?SCR?system.

Key?words：??selective?catalytic?reduction;?CFD?simulation;?NH3?distribution?uniformity;?NOX?conversion?efficiency