柴油機(jī)尾氣后處理混合器對NH3分布均勻性影響的研究

劉偉 田松

摘要：本文針對柴油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容展開分析，結(jié)合尾氣后處理混合器對NH3分布均勻性影響實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容包括建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)計(jì)、確定NH3均勻性評價(jià)指標(biāo)、仿真實(shí)驗(yàn)過程分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理等，通過研究控制尿素噴入計(jì)量、加強(qiáng)催化器燃油檢查、擬定應(yīng)急處理措施、做好日常養(yǎng)護(hù)工作等注意事項(xiàng)，其目的在于采集柴油機(jī)尾氣后處理混合器工作數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作活動(dòng)的有序開展奠定基礎(chǔ)。

Abstract： This article analyzes the related content of diesel engine exhaust gas aftertreatment system， combined with the experiment on the influence of exhaust gas aftertreatment mixer on the uniformity of NH3 distribution. The content includes the establishment of structural calculation model， model parameter design， determination of NH3 uniformity evaluation index， and simulation experiment process Analysis and analysis of experimental results， etc.， through research on controlling urea injection metering， strengthening catalyst fuel inspection， formulating emergency treatment measures， and doing daily maintenance work. The purpose is to collect diesel engine exhaust gas after-treatment mixer work data for follow-up The orderly development of work activities lays the foundation.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);計(jì)算模型;尾氣后處理混合器;仿真實(shí)驗(yàn)

Key words： diesel engine;calculation model;exhaust gas aftertreatment mixer;simulation experiment

中圖分類號(hào)：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0013-02

0? 引言

柴油機(jī)作為機(jī)動(dòng)車運(yùn)行過程中的重要工具，加強(qiáng)尾氣處理工作也是設(shè)備工作期間需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。從目前的應(yīng)用情況來看，應(yīng)用較多的后處理技術(shù)主要會(huì)將32.5%尿素水溶液來作為工作時(shí)的還原劑，隨后借助催化還原反應(yīng)來達(dá)到清除污染物的目的。在系統(tǒng)工作期間，前端NH3和NOX混合分布的均勻性也會(huì)對系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率帶來較大干擾，做好均勻分布影響數(shù)據(jù)的整理工作，能夠積累可靠的應(yīng)用數(shù)據(jù)，找到系統(tǒng)工作時(shí)的平衡參數(shù)，這對于系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定提升也有著積極地促進(jìn)作用。

1? 柴油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容概述

選擇性催化還原技術(shù)（SCR）的工作原理以32.5%的尿素水溶液為還原劑根據(jù)柴油機(jī)的運(yùn)行工況通過計(jì)量泵向SCR前端噴射尿素水溶液，尿素水溶液經(jīng)過霧化、蒸發(fā)、熱解、水解最終生成NH3，進(jìn)入SCR在催化劑的作用下經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)最終把尾氣中NOX污染物反應(yīng)生成無毒無害的N2和H2O分子，具體反應(yīng)過程如圖1所示。

SCR 催化器內(nèi)的主要反應(yīng)化學(xué)式如下：①4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O;②2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O;③4NH3+5O2→4NO+6H2O;④4NH3+4NO+3O2→4N2O+6H2O。其中①式稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)是柴油機(jī)尾氣NO還原成N2最主要的反應(yīng)過程;②式稱為快速SCR反應(yīng)其優(yōu)先級(jí)要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)，尾氣中NO2主要通過此反應(yīng)進(jìn)行還原。③、④屬于SCR催化器內(nèi)的副反應(yīng)，主要發(fā)生在高溫環(huán)境中，嚴(yán)重制約了NOX的轉(zhuǎn)化效率。

2? 尾氣后處理混合器對NH3分布均勻性影響分析

2.1 建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型? 在對系統(tǒng)影響性進(jìn)行綜合分析時(shí)，首要任務(wù)便是建立可靠的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，以便其他參數(shù)的順利計(jì)算。在模型建立過程中，會(huì)借助Solidworks軟件來輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建模，如圖2所示，利用軟件建立了比較典型的SCR 結(jié)構(gòu)模型，據(jù)圖可以看出，由于空間上的限制導(dǎo)致入口水平煙道上具有單側(cè)擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，同時(shí)，為引導(dǎo)煙氣在煙道與裝置內(nèi)的均勻流動(dòng)，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了多處導(dǎo)流板與均流格柵，這不利于噴氨格柵各支管與S-2上區(qū)域間對應(yīng)關(guān)系的確定。針對煙道橫向與縱向方向上煙氣不均現(xiàn)象都需要進(jìn)行噴氨量分布調(diào)整的情況，噴氨格柵結(jié)構(gòu)一共有 24 根噴氨支管，分為 4 排6 列，即把入口煙道分成了24 個(gè)可以獨(dú)立控制噴氨量的區(qū)域，以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)需求。

并且在SCR 系統(tǒng)網(wǎng)格模型應(yīng)用中，也會(huì)對其應(yīng)用區(qū)域進(jìn)行劃分，如劃分成尿素?zé)峤鈪^(qū)域、尾氣混合區(qū)域、催化反應(yīng)區(qū)域等，根據(jù)區(qū)域來采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，以滿足具體地應(yīng)用需求。

2.2 進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)計(jì)? 在對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，也需要按要求來完成模型參數(shù)設(shè)計(jì)工作。在具體的設(shè)計(jì)工作中，會(huì)在裝置內(nèi)做好湍流內(nèi)容的求解，并且在對其進(jìn)行采用時(shí)，也需要借助控制方程、湍流模型來輔助參數(shù)設(shè)計(jì)活動(dòng)的推進(jìn)。為了方便理解湍流活動(dòng)，可以將其看做是平流活動(dòng)與脈動(dòng)流動(dòng)的疊加結(jié)果。并且在模型參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，考慮到煙道內(nèi)煙氣與NH3混合所存在的應(yīng)用特性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)融入組分模型，而催化劑也會(huì)使用多孔介質(zhì)，這樣可以有效提升接觸面積，加快物質(zhì)之間的反應(yīng)速度。

2.3 確定NH3均勻性評價(jià)指標(biāo)? 在對NH3均勻性評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行梳理時(shí)，可以參考的應(yīng)用模型為NH3均勻離散模型，從而獲取到可靠的評價(jià)指標(biāo)，提升分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。借助該模型進(jìn)行指標(biāo)取用時(shí)，會(huì)在催化器前端的截面處沿著徑向的方向來篩選出n 個(gè)NH3的濃度監(jiān)測點(diǎn)，為了提升數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要適當(dāng)提高n取值，以滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)要求。隨后基于催化器前端截面NH3濃度的具體離散程度展開分析，隨后也會(huì)對NH3與尾氣混合過程的參數(shù)展開量化處理，得到便于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)信息。在對截面濃度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以使用到標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式，將涉及到的數(shù)據(jù)代入到公式當(dāng)中，以提高分析結(jié)果的實(shí)用價(jià)值和可靠性。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理? 根據(jù)已經(jīng)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以了解到，NH3在系統(tǒng)內(nèi)的分布情況、分布狀態(tài)和噴氨支管的相關(guān)參數(shù)之間存在較為明顯的差異性。在不同溫度的變化情況下，噴氨支管噴氨的濃度會(huì)以高濃度向著其他周圍進(jìn)行擴(kuò)散，造成此類情況出現(xiàn)主要原因在于管道內(nèi)部擴(kuò)散作用，使得混合氣體會(huì)沿著既定途徑展開分析。而且噴氨支管和出口監(jiān)測截面上所規(guī)劃的應(yīng)用區(qū)域相互間保持著良好的應(yīng)對關(guān)系，不過在該位置NH3濃度分布，從中心整體有了向上偏移的趨勢，并且在不同位置處出現(xiàn)了較大程度的偏移。導(dǎo)致上述情況的主要原因在于，在系統(tǒng)截面位置處，煙氣的平均速度分布特征處于不均衡分布狀態(tài)，所有氣體的流通速度保持在14～18m/s。在后續(xù)煙氣流通過程中，此類情況也得到了良好的應(yīng)用處理，分布狀態(tài)也會(huì)逐漸趨向于均勻。

另外，在支管區(qū)域內(nèi)，NH3濃度的擴(kuò)散狀態(tài)也表現(xiàn)出了各向異性，導(dǎo)致此問題出現(xiàn)的主要原因在于，系統(tǒng)已有煙道和位于頂部的催化劑區(qū)域之間存在著90°拐角，這樣也造成該區(qū)域內(nèi)的壓強(qiáng)相對較低，使得該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)湍流混合的情況。而且靠近壁面的噴氨支管，其所在區(qū)域的分布也具備了比較典型的應(yīng)用特征，即NH3濃度高的中心區(qū)域與壁面之間的距離相對較小，這也是因?yàn)樵搮^(qū)域進(jìn)行煙氣混合時(shí)，區(qū)域內(nèi)煙氣會(huì)向周圍進(jìn)行擴(kuò)散，而壁面所帶來的阻擋作用，可以將此效應(yīng)進(jìn)行消除，從而造成了上述情況。

3? 柴油機(jī)尾氣后處理混合器應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)

3.1 控制尿素噴入計(jì)量? 通過控制尿素噴入計(jì)量，能夠在確保系統(tǒng)穩(wěn)定反應(yīng)的基礎(chǔ)上減少資源浪費(fèi)，以加快相關(guān)反應(yīng)活動(dòng)的順利進(jìn)行。從實(shí)踐情況來看，在具體管控環(huán)節(jié)中，主要采用精細(xì)化管控方式來對其進(jìn)行處理，即將尿素噴入過程細(xì)分為若干環(huán)節(jié)，如液體注入、噴嘴角度設(shè)置等，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)來確定最為合適的應(yīng)用參數(shù)，從而提升匹配參數(shù)的合規(guī)性，滿足后續(xù)的應(yīng)用要求。同時(shí)在系統(tǒng)工作期間也需要做好參數(shù)監(jiān)控工作，利用傳感器對于相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，整理成比對曲線，根據(jù)反饋結(jié)果來調(diào)整設(shè)備參數(shù)，以確保系統(tǒng)工作處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 加強(qiáng)催化器燃油檢查? 通過加強(qiáng)催化器燃油檢查，可以維持催化器穩(wěn)定的工作狀態(tài)，滿足尾氣處理的相關(guān)要求。在具體實(shí)踐中，第一，明確規(guī)范的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合以往的應(yīng)用數(shù)據(jù)，對于催化器燃油管控標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，隨后對其進(jìn)行整理，以表格的形式來提升規(guī)范內(nèi)容的直觀性，以便后續(xù)相關(guān)工作的順利進(jìn)行。第二，做好燃油使用時(shí)的細(xì)節(jié)檢查，對于發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行及時(shí)處理，同時(shí)做好記錄工作，定期對于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，據(jù)此來作為檢查體系完善時(shí)的參考數(shù)據(jù)，逐步提高檢查體系的使用價(jià)值。

3.3 擬定應(yīng)急處理措施? 通過擬定應(yīng)急處理措施，能夠?qū)⑼话l(fā)問題負(fù)面影響控制在合理范圍內(nèi)，延長柴油機(jī)的使用壽命。在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，受到工作環(huán)境、工作負(fù)荷等因素影響，有時(shí)會(huì)突發(fā)一些故障問題，這些問題的出現(xiàn)也將直接影響到系統(tǒng)工作狀態(tài)，降低尾氣處理效率，帶來較為嚴(yán)重的環(huán)境污染?；诖?，在突發(fā)此類故障時(shí)，也需要根據(jù)報(bào)警系統(tǒng)提示對其進(jìn)行及時(shí)檢修，采用替換后檢修的方法來快速解決問題，隨后再對故障部位進(jìn)行處理，從而提升應(yīng)急處理結(jié)果的可靠性。

4? 結(jié)束語

綜上所述，控制尿素噴入計(jì)量，能夠在確保系統(tǒng)穩(wěn)定反應(yīng)的基礎(chǔ)上減少資源浪費(fèi)，加強(qiáng)催化器燃油檢查，可以維持催化器穩(wěn)定的工作狀態(tài)，擬定應(yīng)急處理措施，能夠?qū)⑼话l(fā)問題負(fù)面影響控制在合理范圍內(nèi)，做好日常養(yǎng)護(hù)工作，有利于系統(tǒng)工作狀態(tài)可靠性的提升。基于系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)，搭配合理地優(yōu)化措施，對于提升柴油器后處理系統(tǒng)工作效率，減少環(huán)境污染有著積極地意義。

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