重型柴油機SCR轉化效率影響因素研究

劉文彬 劉屹 韋偉 王再興 余國成 王磊 宋志良

摘要：為了研究國六重型柴油機選擇性催化還原（SCR）系統NOx轉化效率影響因素，文章采用計算流體力學（CFD）和化學反應動力學相結合的方法，對SCR催化器系統進行了數值仿真和試驗驗證。結果表明：SCR催化器最佳反應溫度范圍在180～550℃，催化器轉化效率達到95%以上，不同氨氮比對NOx轉化效率有一定的影響，存在一個臨界氨氮比，達到該臨界值后NOx轉化效率趨于穩定而氨泄漏量增加;通過前置氧化型催化轉化器（DOC）可在排氣中增加NO2的質量分數，可以提高催化器轉化效率且使NOx轉化效率都能保持在較高水平，也可以除去大部分尾氣中的CO和HC，達到排放標準。

Abstract： In order to study the factors affecting the NOx conversion efficiency of the selective catalytic reduction （SCR） system of the National Six Heavy duty diesel engine， the numerical simulation and experimental verification of the SCR catalyst system were carried out by the combination of computational fluid dynamics （CFD） and chemical reaction kinetics. The results show that the optimum reaction temperature range of SCR catalyst is 180-550℃， and the catalytic converter conversion efficiency is over 95%. Different ammonia-nitrogen ratios have certain influence on NOx conversion efficiency. There is a critical ammonia-nitrogen ratio. After reaching this critical value， the NOx conversion efficiency tends to be stable and the ammonia leakage increases. By pre-oxidation type catalytic converter （DOC）， the mass fraction of NO2 can be appropriately increased in the exhaust gas， which can improve the conversion efficiency of the catalyst and keep the NOx conversion efficiency at a high level，It can also remove CO and HC from most of the exhaust gas to meet emission standards.

關鍵詞：柴油機;數值仿真;轉化效率;氨氮比

Key words： diesel engine;numerical simulation;conversion efficiency;ammonia-nitrogen ratio

0? 引言

柴油機因具有其獨特的優勢廣泛運用，然而柴油機尾氣中的NOx參與光化學煙霧和酸雨的形成而危害極大[1]。隨著排放法規的日益嚴格，僅僅依靠優化缸內燃燒過程已經不能滿足排放標準了，需要輔以后處理系統。

尿素選擇性催化還原技術（Urea selective catalytic reduction ，Urea-SCR）是當今世界公認降低NOx排放最有效的技術之一。SCR技術因其具有高效率、高選擇性、高經濟性及耐硫等優點將是未來國內柴油機排放升級的主要技術方向。近年來，很多學者對SCR催化器轉化效率影響因素做了大量的研究。文獻[2]將計算流體力學與化學反應動力學相結合，對催化轉化器內尿素噴霧和NOx還原等過程進行了研究，發現噴嘴位置、噴霧角度和管道設計都會影響液滴分布、碰壁及流動均勻性。文獻[3]人模擬研究了一個帶預氧化催化劑的Urea-SCR系統，建立了一個SCR催化器的單通道二維模型，并假設噴入模型中的尿素水溶液完全蒸發和分解且均勻地分布在通道前端，采用二維邊界層方程計算通道內的流動，模擬結果與試驗結果偏差較小。文獻[4]研究了組合式柴油顆粒過濾器系統對活性氮化合物排放的影響，改變了尿素進料因子，溫度和停留時間。

已有研究表明，尿素噴射壓力、空速、催化劑類型等對SCR的轉換效率有很大的影響。國六柴油機復合后處理系統針對重型柴油機而采用雙SCR串聯的箱式后處理。通過數值仿真的方式研究了排氣溫度、氨氮比、前置DOC對NOx轉化效率的影響為SCR催化器的設計和優化提供依據。

1? 系統介紹

SCR系統結構示意如圖1所示，SCR系統的主要部件有SCR催化箱、電控單元、尿素罐、計量泵總成、尿素噴嘴及溫度傳感器、NOx傳感器、相關線束及管路。其基本原理為：將一定量的濃度為32.5%尿素水溶液噴射到排氣管中，尿素水溶液在高溫下分解為氨氣和二氧化碳，氨氣在催化劑的作用下，與NOx發生還原反應，將NOx還原成氮氣和水，從而降低柴油機的NOx排放[5]。

2? SCR催化器CFD建模

2.1 幾何建模

研究對象為某重型柴油機的SCR系統，具體尺寸見表1所列，生成的網格模型如圖2所示，共有1000540個計算網格、邊界層網格層數為3層、邊界層厚度為1mm、邊界層增長率為1.5、多孔介質區域網格生成方式為Directed Mesh。

SCR催化器載體采用方形孔道蜂窩狀結構，若模擬整個載體內的化學反應過程，計算量過大。因為催化器內每個孔道的結構相同，內的流場分布和化學反應等相似，可以通過建立單孔道上的數學模型來模擬整個催化器的工作過程[6]，假設尿素能夠完全霧化與尾氣進行充分混合。通過對單孔道的數學建模及催化器表面化學反應建模能夠找到影響SCR轉化效率的主要因素。

2.2 數學模型

單孔道內氣相動量守恒方程可以表示為：

式中：ρg表示氣相密度;ug表示氣體運動粘度;a表示孔道寬度;K表示為范寧摩擦系數。

氣相能量守恒方程可以表示為：

其中，ρg為氣體密度;wj，g 為氣相中組分j的質量分數;hj為組分j的焓值;λg為氣相的導熱系數;Tg為氣相溫度，Ts為固相溫度;α為氣相與固相之間對流換熱系數;ri為化學反應i的摩爾反應速率;ΔHi為化學反應i產生的焓值;ug為氣體運動黏度。

單孔道內氣相組分平衡方程表示為：

其中，MGj為氣相j的摩爾質量;vi，j為組分j在化學反應i中的化學計量系數;ug為氣相在軸向方向上的速度。

氣相連續性方程可以表示為：

其中，ρg為氣相密度;t為時間;vg為通道內氣體速度;x為軸向空間坐標。

2.3 催化器表面化學反應建模

在催化器載體內，尿素噴射計量閥噴射尿素熱解成NH3與尾氣中的NOx反應，生成無害氣體。其反應機理主要為：

上述反應式中，式（5）～式（7）表示的是NH3選擇性地還原NOx的SCR反應，被稱為主反應。因為在發動機尾氣中NO 占總氮氧化物含量的90%左右，因此式（5）又被稱為標準反應[7]。而式（6）是3個反應中反應速率最快的，因此被稱為快反應。式（7）的反應速率最慢，因此被稱為慢反應，式（8）是可能在催化器載體內發生的副反應[8]。在SCR催化器中普遍接受的動力學流體流動計算方式為Eley-Rideal[9]，化學反應的反應速率方程也主要采用Eley-Rideal[10]。

3? 試驗驗證

為了驗證數學模型的準確性，需要進行對比試驗。模型參數的設定采用臺架試驗的測量數據作為計算的初始和邊界條件[11]。試驗安排在一臺排量為12.4L的增壓中冷，電控高壓共軌缸內直噴柴油機上進行。試驗采用了AVL SCHNEIDER電力測功機，AVL 735l CST油耗儀等設備以及溫度、氮氧傳感器，試驗用的設備及其技術參數見表2所列。

為了驗證所建模型的正確性，進行了相關的發動機臺架試驗。試驗中過量噴射尿素，以氨泄漏10ppm時的測量值來計算轉化效率，并且每個工況點控制空速在40000h-1左右，按照不同溫度梯度去做得到數據。排氣溫度上升的過程中，排氣中NOx的濃度變化的試驗和計算結果對比如圖3所示，計算模型仿真得到的排氣中NOx濃度變化趨勢與試驗結果基本一致。由此表明，建立的計算模型能較為準確。

4? 實驗結果及分析

4.1 溫度對NOx的轉化效率影響

排氣溫度對NOx轉化效率的影響是一個非常重要的因素，排氣溫度的提高有利于尿素的蒸發和熱解，但是排氣溫度過高，會導致催化劑高溫老化，催化劑對氨的吸附能力降低和NH3的氧化，從而降低NOx轉化效率。排氣溫度過低則會導致尿素不完全的分解，導致在壁面上產生結晶?？账僭?0000h-1時NOx轉化效率隨溫度的變化規律如圖4所示?？梢钥闯龅陀?80℃的時候，NOx轉化效率較低。這主要是因為溫度較低時，尿素水溶液霧化質量差，不能較充分與NOx反應以及在低溫情況下SCR催化劑活性非常低。隨著溫度的升高，轉化效率也隨著升高，在180～550℃轉化效率達到95%以上，在最佳反應溫度范圍內SCR中的反應以快反應為主導[12]。而當溫度超550℃后，SCR的轉化效率會降低，主要因為是發生了NH3的氧化反應，即NH3與氧氣進行反應生成了氮氣和水，另一方面發生了NH3與NO2之間的慢反應。

4.2 氨氮比對NOx轉化效率的影響

排氣溫度是SCR系統中的重要影響參數，排氣溫度的提高有利于尿素的蒸發和熱解，但是排氣溫度過高，會導致催化劑高溫老化，催化劑對氨的吸附能力降低和NH3的氧化，從而降低NOx轉化效率[13]。改變排氣溫度的數值同時保持空速在40000h-1左右，研究在不同氨氮比條件下柴油機在特定工況下的NOx最大轉化效率，將氨泄漏量控制在10×10-6范圍內。排氣溫度分別為180℃、200℃、380℃、550℃、565℃時對SCR系統的影響。計算的結果中的不同排氣溫度隨著氨氮比的變化與實驗結果基本一致如圖5所示。排氣溫度180℃到550℃時，NOx轉化效率基本上與氨氮比成正比，超過此溫度反應區間，NOx轉化效率隨著氨氮比的增加趨于穩定，如繼續增加氨的噴射量，會導致催化劑下游氨泄漏量增加，造成污染。

4.3 前置DOC對NOx轉化效率的影響

已有研究表明，發動機尾氣中NO2/NOx比例是影響SCR轉化效率的重要因素，適當提高發動機尾氣中NO2的質量分數可提高SCR催化器的轉化效率，而發動機排氣中NO2/NOx的比例一般小于10%[14]。為提高進入催化反應器時NO2所占比例，通常前置DOC。該裝置可將NO氧化形成NO2。前置DOC對NOx轉化效率的影響如圖6所示，在低溫180～300℃范圍內，DOC前置相比無DOC而言，轉化效率顯著提高;然而，在溫度300～500℃范圍時，有無前置DOC對系統轉化效率影響較小。這主要是排氣溫度升高，催化劑活性增加，加強了選擇性催化還原反應中的標準反應，催化劑的活性占據了主導作用，NO2比例所帶來的影響相對弱化。所以，前置DOC能提高排氣低溫時的轉化效率。加裝DOC還可以大幅度去除尾氣中的CO和HC，達到排放標準。前置DOC對CO和HC轉化效率如圖7所示。

5? 結論

①溫度較低時NOx轉化效率較低，隨著溫度升高NOx轉化效率也隨之升高，到達180℃時NOx轉化效率能夠達到95%以上，溫度超過500℃時NOx轉化效率會有所降低。

②在最佳反應溫度范圍內隨著氨氮比的提高，NOx轉化效率也提高，溫度過高或過低存在一個臨界值，到達該臨界值后NOx轉化效率隨著氨氮比增加而趨于穩定，氨泄漏量增加。

③前置DOC可在排氣中增加NOx中的NO2所占的比例，可以提高NOx轉化效率，也可以除去大部分尾氣中的CO和HC，達到排放標準。

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