一種帶有多孔隔板設(shè)計的SCR混合器研究

王 杰，張 強

(佛吉亞排氣控制技術(shù)開發(fā)(上海)有限公司，上海 201107)

0 引言

隨著國內(nèi)排放法規(guī)[1]越來越嚴格，SCR(Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原器)已經(jīng)成為汽車、工程機械、船舶等柴油機動力系統(tǒng)的標配關(guān)鍵零部件之一[2]。而SCR混合器對排氣及噴射尿素的混合均勻性至關(guān)重要[3]，它不但影響SCR的反應(yīng)效率及氮氧化物排放的多少，而且對尿素結(jié)晶問題的改善也相當關(guān)鍵[4]，是國內(nèi)外行業(yè)研究的關(guān)鍵點之一[5]。

本文介紹了一種SCR混合器的優(yōu)化設(shè)計方法。首先對SCR混合器增加多孔隔板，并對孔板位置和尺寸進行設(shè)計；然后對優(yōu)化設(shè)計與原設(shè)計的CFD(Computational Fluid Dynamics, 計算流體動力學)流場進行對比分析;最后通過實驗驗證說明優(yōu)化設(shè)計方法的可行性。

1 優(yōu)化方法介紹

1.1 氨氣分布均勻性的定義

為應(yīng)對日益嚴苛的排放法規(guī)要求，主流的后處理系統(tǒng)方案采用DOC(Diesel Oxidation Catalyst, 氧化型催化器)+DPF(Diesel Particulate Filter, 柴油顆粒捕集器)+SCR的結(jié)構(gòu)，尿素熱解水解產(chǎn)生的氨氣在催化劑的作用下同廢氣中的氮氧化物(NOx)進行化學反應(yīng)，生成無害物氮氣(N2)和水(H2O)，化學反應(yīng)如下:

CO(NH2O)2+熱量→HCNO+NH3.

HCNO+H2O→NH3+CO2.

NOx+NH3→H2O+N2.

為滿足國六排放法規(guī)中嚴苛的降氮氧化物的要求，需要有很高的氮氧化物轉(zhuǎn)化效率。在進入SCR載體前氨氣與廢氣混合均勻性指數(shù)稱為氨分布均勻性指數(shù)，氨分布均勻性指數(shù)(Uniformity Index,本文簡稱UI)的計算公式如下：

(1)

目前柴油發(fā)動機后處理要求的氨分布均勻性指數(shù)不低于0.95。催化劑涂層已均勻地涂抹在載體的表面，若想達到較高的氮氧化物轉(zhuǎn)化效率，需要到達選擇性催化還原載體面的氨氣、氮氧化物廢氣混合氣體具有很高的均勻性分布指數(shù)。若氨氣均勻性指數(shù)較低，會造成局部的氨氣過剩以及氨氣量不足，會降低催化劑對氮氧化物的轉(zhuǎn)化能力，同時氨氣過剩的區(qū)域可能會造成較大的氨氣泄漏，污染空氣。

氨分布均勻性指數(shù)目標為選擇性催化還原器(SCR)前端氨分布均勻性指數(shù)(NH3UI)≥0.95。

1.2 實驗方法及樣件

原設(shè)計采用隔板上半部分圓弧面左右開孔的結(jié)構(gòu)，左、右孔位相對于中心線對稱，同時靠近底部開有多個孔位。優(yōu)化設(shè)計關(guān)閉了部分右上圓弧面上的開孔，并且增加了左下圓弧面上孔的數(shù)量，同時調(diào)整了開孔的面積，如圖1所示。

圖1 多孔板的優(yōu)化方案

實驗中采用13 mm內(nèi)徑不銹鋼采樣管，在SCR后端選取100個點，通過專用位移設(shè)備移動傳感器測頭，每個點保持5 min，當發(fā)動機出氣流量和溫度、氣體分析儀測量的氨氣數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，然后移動到下一個點，直到所有的點位全部測量完成。氣體分析儀移動探頭測量法示意圖如圖2所示。

圖2 氣體分析儀移動探頭測量法示意圖

1.3 優(yōu)化分析方法

分析模型主要包含進氣端錐、DOC、DPF、混合器、SCR、出氣端錐，如圖3所示，發(fā)動機排放的廢氣從DOC前端進入,從SCR后端流出，氨氣噴射位置放置于DPF與SCR之間。

圖3 系統(tǒng)分析模型

為驗證完整的排放性能，需要評估至少包含高、中、低流量區(qū)間，發(fā)動機工況點(Engine Operation Point，本文簡稱EOP)選擇如表1所示。

表1 發(fā)動機工況點選擇

2 計算結(jié)果分析

2.1 原設(shè)計方案仿真結(jié)果

原設(shè)計方案SCR截面氨分布均勻性數(shù)值如表2所示，高、中、低流量工況點氨分布均勻性指數(shù)均不能滿足≥0.95的目標要求，低流量工況點氨分布均勻性指標低于目標值8%。

表2 原方案SCR截面氨分布均勻性數(shù)值

原方案選擇催化還原截面氨氣分布如圖4所示。從圖4可以看出：右上部分氨氣量集中，左下角處氨氣量分布較少。

圖4 原方案選擇催化還原截面氨氣分布

原方案中孔板采用了上部開孔對稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)分析結(jié)果顯示，氨氣的分布均勻性指數(shù)較差，若要達到均勻性目標值，選取的截面中各個位置的氨氣量要接近平均值，在同一截面氨氣的量要盡量均勻。

2.2 設(shè)計優(yōu)化

相應(yīng)地調(diào)整對應(yīng)的孔板開孔位置以及開孔面積，關(guān)閉氨氣集中區(qū)域?qū)?yīng)的部分孔位，同時增加氨氣較少部分氣流。優(yōu)化多孔板設(shè)計后，其他結(jié)構(gòu)邊界保持不變，重新進行氨分布均勻性指數(shù)分析，優(yōu)化后選擇性催化還原截面氨氣分布如圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案選擇性催化還原(SCR)截面氨氣分布

相比于優(yōu)化前的分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后選擇性催化還原劑載體右上角的氨氣量明顯減少，左下角部分氨氣量提升，并且大部分截面的氨氣量分布接近中值，氨分布均勻性指數(shù)明顯改善。優(yōu)化方案SCR截面氨分布均勻性數(shù)值如表3所示，高流量、中等流量、低流量點的氨氣分布均勻性指數(shù)均得到改善，氨分布均勻性指數(shù)高于0.95。

表3 優(yōu)化方案SCR截面氨分布均勻性數(shù)值

3 實驗驗證

為進一步驗證CFD分析數(shù)據(jù)的準確性，進行氨分布均勻性實驗，實驗采用發(fā)動機臺架，使用與仿真分析相同的工況點，通過氣體分析儀測量選擇性催化還原劑載體后端的氨氣濃度分布，通過氨分布均勻性指數(shù)計算公式(1)進行計算。原始設(shè)計方案的分析結(jié)果與實驗結(jié)果最大偏差為2.3%，優(yōu)化設(shè)計方案的分析結(jié)果與實驗結(jié)果偏差約為1%，如表4所示。

表4 氨分布均勻性指數(shù)實驗與仿真分析結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文通過對SCR混合器進行改型，增加混合器多孔隔板，并對隔板上孔的位置大小及形狀進行了優(yōu)化，改善了氨氣與發(fā)動機廢氣混合效果及SCR的反應(yīng)效率，其基本結(jié)論如下：

(1) 本研究中仿真分析與實驗結(jié)果中氨分布均勻性指數(shù)最大偏差為2.3%，偏差值較小，說明CFD分析結(jié)論是可信的。

(2) 通過孔板的開孔位置、數(shù)量、形狀等特征的調(diào)節(jié)，可以快速有效地提高氨氣均勻性分布指數(shù)。其中左下角開孔面積增大、右上角孔位減少可以有效提高氨分布均勻性指數(shù)。

(3) 高流量、中等流量、低流量點的氨氣分布均勻性指數(shù)均得到大幅度的改善，且都能滿足目標設(shè)定的要求,因此新設(shè)計能夠滿足實際應(yīng)用需求。