柴油機SCR催化器NOx轉(zhuǎn)化效率影響因素的數(shù)值分析

趙 浩，何 偉

(昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

將理論計算與流體仿真相結(jié)合，能夠?qū)?fù)雜流場和化學(xué)反應(yīng)進行求解與分析[4]。文獻[5]建立了SCR催化器的三維模型，對催化器內(nèi)部流場進行分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)并提高了NOx的催化效率。文獻[6]通過實驗和數(shù)值模擬的方法研究了在SCR系統(tǒng)中尿素?zé)岱纸夂蚇Ox催化轉(zhuǎn)化過程。數(shù)值模擬情況下NOx的轉(zhuǎn)化率略高于實驗結(jié)果，但數(shù)值模擬與實驗結(jié)果基本吻合。文獻[7～8]研究了不同工況和氨氮比對NOx轉(zhuǎn)換效率的影響。文獻[9]建立了SCR反應(yīng)動力學(xué)模型，模擬了混合器對濃度場和壁膜的影響，證明混合器能夠提高氣體濃度均勻性和催化效率。文獻[10]研究了不同溫度條件下，氨氣流量對混合氣體均勻性和氮氧化物轉(zhuǎn)化率的影響。文獻[11]分析了尿素水溶液的噴霧特性對生成NH3均勻性和體積分數(shù)的影響。文獻[12]研究了不同工況對流速均勻性的影響，以及氨氮比、NO2和NOx之比對NOx轉(zhuǎn)化效率和副產(chǎn)物N2O的影響。文獻[13～14]研究了SCR催化器增加混合器后，對湍流特性以及尿素?zé)岱纸馍蒒H3的影響。混合器的使用提高了湍流強度和NH3在管道中的均勻性，也提高了尿素的分解率和NOx的轉(zhuǎn)化率。文獻[15～16]研究分析了排氣溫度、尿素噴射壓力和尿素噴射溫度對還原劑均勻性和催化反應(yīng)速率的影響。

綜上所述，尾氣溫度、尿素入射口的位置和入射角、氨氮比以及混合器結(jié)構(gòu)會對SCR催化器性能造成一定的影響。SCR催化器的性能在較大程度上取決于尿素分解率，而分解率與環(huán)境溫度等有關(guān)，因此混合器溫度對其性能的影響不容忽視。由于化學(xué)反應(yīng)和流場的復(fù)雜多變性，NH3主要由尿素?zé)岱纸馍?，將尿素取代NH3直接作為邊界條件，更加符合實際情況。尿素注入流量太小會導(dǎo)致NOx處理不充分，而尿素注入流量太大又會導(dǎo)致資源浪費和環(huán)境污染。本文的研究目的在于探索合適的混合器溫度以及尿素注入量，以提高脫氮效率、NH3生成率和均勻性系數(shù)，從而進一步提高SCR催化器的性能。

1 流場的數(shù)學(xué)模型

1.1 流體控制方程

SCR催化器內(nèi)部流體的流動屬于湍流流動，滿足質(zhì)量守恒定律與動量守恒動律。根據(jù)控制體內(nèi)流體質(zhì)量的時間變化率與通過控制面的流體質(zhì)量凈通量之和等于零，建立連續(xù)方程式

(1)

式中，ρ為混合氣體密度；t為時間；ui為氣體xi方向的速度矢量，i=1，2，3。

根據(jù)流體系統(tǒng)動量的時間變化率等于作用在系統(tǒng)上的外力矢量和，建立動量方程式

(2)

1932年3月，蔣介石第二次下野后重新上臺，在中央確立蔣汪合作的格局，蔣介石專職負責(zé)剿共軍事，在形式上不直接掌控中央黨務(wù)、政務(wù)。但這一時期，蔣介石逐漸由軍事領(lǐng)袖轉(zhuǎn)變?yōu)檎晤I(lǐng)袖，在緊緊抓住軍權(quán)的同時，開始關(guān)注政權(quán)建設(shè)。?

1.2 封閉控制方程

由于動量方程中雷諾應(yīng)力未知，導(dǎo)致控制方程不封閉而無法求解，故采取標準湍流模型來封閉控制方程。湍動能方程和湍能耗散率方程分別為式(3)和式(4)，根據(jù)計算式求出湍動能和湍能耗散率[17]

(3)

(4)

式中，σk和σε分別為湍動能k和湍能耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)，分別取1和1.22；μt為湍動粘度；Cε1、Cε2、Ck為常數(shù)，分別取1.44、1.92和-0.33[18]。

湍動粘度、湍動能和湍能耗散率關(guān)系式為

(5)

式中，Cμ為常數(shù)，取0.09。

雷諾應(yīng)力與平均速度梯度的關(guān)系式為

(6)

式中，δij為Kroneker數(shù)。

2 SCR催化器建模與仿真

2.1 建立模型

以某SCR催化器為研究對象，該催化器具體參數(shù)如下：總長度為 640 mm，進氣口(出氣口)直徑為100 mm，擴展管直徑為120 mm，利用ICEM-CFD軟件建立三維模型并劃分網(wǎng)格，如圖1所示。圖2為SCR催化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，在催化器中添加旋流混合器，使尿素水溶液能盡可能充分霧化、蒸發(fā)分解、水解。

圖1 SCR催化器網(wǎng)格劃分Figure 1. SCR catalyst grid division

圖2 SCR催化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2. Diagram of SCR catalytic converter internal structure

2.2 化學(xué)反應(yīng)

尿素噴入SCR系統(tǒng)后主要經(jīng)歷的過程[19]為：

(1)尿素分子熔化為氣態(tài)分子，隨尾氣排入大氣中；

(2)尿素?zé)岱纸鉃榘睔夂彤惽杷幔婕暗降幕瘜W(xué)反應(yīng)為

(NH2)2CO→NH3+HNCO

(7)

(3)異氰酸水解為氨氣和二氧化碳，涉及到的化學(xué)反應(yīng)為

HNCO+H2O→NH3+CO2

(8)

(4)氨氣與尾氣中的氮氧化物以及空氣中的氧氣反應(yīng)生成氮氣和水，主要化學(xué)反應(yīng)如式(9)和式(10)所示。

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(9)

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

(10)

2.3 邊界條件

根據(jù)柴油的主要成分C16H34以及空氣中含氧量約20%，由式(11)和式(12)可得，1 kg柴油需要15.7 kg空氣參與反應(yīng)。某柴油發(fā)動機百公里油耗為10 L，百公里用時70 min。將進氣口設(shè)置為質(zhì)量流量進口，根據(jù)式(13)可得質(zhì)量流速度為0.034 kg·s-1。由于催化器出口與大氣相通，將出氣口設(shè)置為壓力出口，壓力出口邊界條件為標準大氣壓。尿素水溶液噴射速度為20 m·s-1，進氣口各成分質(zhì)量分數(shù)如表1所示[19]。

2C16H34+49O2→32CO2+34H2O

(11)

(12)

式(12)中，m1和m2分別為柴油與空氣的質(zhì)量；N1和N2分別為空氣與柴油的相對分子質(zhì)量， 其數(shù)值分別為29和226。

(13)

式(13)中，Qm為尾氣的質(zhì)量流速度，單位為kg·s-1；V為發(fā)動機每秒油耗，單位為L·s-1；ρ1為柴油密度，取0.85 kg·L-1。

表1 進氣口各成分質(zhì)量分數(shù)

尾氣與NH3在SCR催化器的流動為湍流流動，在 Fluent 軟件中用湍流強度和水力直徑表示它的強度。湍流強度I的計算表達式為

(14)

式中，Re為雷諾數(shù)，表達式如式(15)所示。水力直徑d的表達式為式(16)。

(15)

(16)

式中，v為混合氣體的平均速度；A為過流面積；L為過流周長。

2.4 評價指標

評價SCR催化器的重要指標為NH3分布均勻性系數(shù)和速度均勻性系數(shù)。NH3分布越均勻，各單元流體速度越均勻，混合氣體進入反應(yīng)腔后反應(yīng)就越充分。NH3分布均勻性系數(shù)與速度均勻性系數(shù)表達式分別為式(17)和式(18)。

(17)

(18)

式中，γ和φ(0≤γ，φ≤1)分別表示NH3分布均勻性系數(shù)和速度均勻性系數(shù)；n表示取值點的個數(shù)；ωi和λi分別表示i取值點處NH3摩爾分數(shù)和速度；ωm和λm表示所取截面上的NH3平均摩爾分數(shù)和平均速度；Ai為i所在單元格的面積；A為所有單元格的總面積。

NOx的轉(zhuǎn)化效率是衡量SCR催化器性能的重要指標[20]，NOx轉(zhuǎn)化效率為

(19)

式中，cin為NOx在催化器入口處質(zhì)量分數(shù)；cout為NOx在催化器出口處質(zhì)量分數(shù)。

3 結(jié)果分析

保持其他參數(shù)不變，在Fluent中分別設(shè)置旋流混合器溫度為300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃和500 ℃，比較分析尿素?zé)岱纸馍蒒H3的濃度。圖3為旋流混合器不同溫度下反應(yīng)腔截面1處NH3濃度對比云圖。從圖3可以看出，旋流混合器溫度為400 ℃時，分解效率最高，生成NH3濃度最大。旋流混合器的溫度會影響尿素生成NH3的效率，從而進一步影響SCR催化器的脫氮效率。

圖3 旋流混合器不同溫度時NH3分布(a)300 ℃(b)350 ℃(c)400 ℃(d)450 ℃(e)500 ℃Figure 3.NH3 distribution at different temperatures in a cyclone mixer(a)300 ℃ (b)350 ℃ (c)400 ℃ (d)450 ℃ (e)500 ℃

圖4為旋流混合器不同溫度下反應(yīng)腔入口截面1處NH3加權(quán)摩爾濃度、分布均勻性系數(shù)和速度均勻性系數(shù)。由圖4可知，從300～400 ℃生成的NH3濃度逐漸增大，這是由于溫度越高，分子熱運動越劇烈，化學(xué)反應(yīng)越充分。而從400～500 ℃生成的NH3濃度反而略微減小，這是由于較多的尿素分子熔化為氣態(tài)分子，分子間距變大，分子熱運動變快，許多尿素分子來不及進行熱分解化學(xué)反應(yīng)，就隨汽車尾氣直接排入大氣。在旋流混合器溫度為400 ℃時，截面1處NH3分布均勻性系數(shù)最大，旋流混合器溫度的變化對NH3速度均勻性系數(shù)影響較小。

圖4 NH3加權(quán)摩爾濃度和均勻性系數(shù)Figure 4. The weighted molality and homogeneity coefficient of NH3

圖5和圖6分別為保持其他參數(shù)不變，旋流混合器在不同溫度(300 ℃、400 ℃和500 ℃)時SCR催化器內(nèi)部和出口位置的NO質(zhì)量分數(shù)云圖。在SCR催化器內(nèi)部，400 ℃時NO的質(zhì)量分數(shù)分布明顯比300 ℃和500 ℃時均勻，說明在此溫度下尾氣與NH3的混合效果較好。由于靠近SCR催化器壁面的氣體對外界散熱較大，溫度在主流區(qū)較高，而在邊緣區(qū)較低，導(dǎo)致出口位置處NO的質(zhì)量分數(shù)呈中心主流區(qū)低而邊緣高的特點。在400 ℃時出口位置處NO的分布較均勻，說明在此溫度下NO與NH3的反應(yīng)較充分，轉(zhuǎn)化效率更高。圖7為NOx轉(zhuǎn)化效率的變化曲線和出口位置處NOx的加權(quán)質(zhì)量分數(shù)。綜上，旋流混合器溫度為400 ℃時，不僅尿素?zé)岱纸馍蒒H3的濃度較大且分布均勻，而且NOx的轉(zhuǎn)化效率較其他溫度有顯著提高。

(a)

(a)

圖7 NOx出口位置處質(zhì)量分數(shù)和轉(zhuǎn)化效率Figure 7. Mass fraction and conversion efficiency at the outlet of NOx

圖8為保持其他參數(shù)不變，以不同尿素溶液注入流量(0.25 g·s-1、0.50 g·s-1、0.75 g·s-1、1.25 g·s-1)時NOx轉(zhuǎn)化效率的變化曲線。由圖可知，在本文所選的SCR催化器中，隨著尿素溶液注入流量的增加，NOx轉(zhuǎn)化效率不斷提升，但注入流量在超過0.75 g·s-1后，NOx轉(zhuǎn)化效率增長減慢。因此，尿素溶液注入流量太小，會導(dǎo)致生成NH3較少，NOx轉(zhuǎn)化效率太低；注入流量太大，不僅對提升NOx轉(zhuǎn)化效率不明顯，還會造成資源浪費和環(huán)境污染。

圖8 不同尿素溶液注入流量時NOx的轉(zhuǎn)化率Figure 8. Conversion rates of NOx at different urea solution injection rates

4 結(jié)束語

本文通過模擬SCR催化器內(nèi)部催化還原反應(yīng)，對比分析了旋流混合器的溫度以及尿素注入流量對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響，得出以下結(jié)論：(1)旋流混合器溫度為400 ℃時能夠有效提高反應(yīng)腔入口前橫截面上NH3濃度及分布均勻性，NH3速度均勻性系數(shù)受旋流混合器溫度變化影響較??；(2)在SCR催化器出口截面的NO質(zhì)量分數(shù)分布呈現(xiàn)中心低邊緣高的規(guī)律，旋流混合器的溫度會影響NH3的分布和催化器內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率，進而影響NOx的轉(zhuǎn)化率；(3)隨著尿素注入流量不斷增加，低于0.75 g·s-1前，NOx轉(zhuǎn)化效率增長較快；超過0.75 g·s-1后，NOx轉(zhuǎn)化效率增長減慢。通過上述數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，選擇合適的尿素注入流量以及合適的比熱容材料制造旋流混合器，將其溫度控制在400 ℃附近，對提升SCR催化器的性能至關(guān)重要。