低排溫條件下混合器本體溫度對尿素霧化效果的影響

杜慧勇,尤子豪,李 可,李 民,楊自冬,任思銘

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院,河南 洛陽 471003;2.固安迪諾斯環保設備制造有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

尿素選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術可以在保持柴油機動力性和經濟性的同時,有效地降低NOX的排放問題。隨著排放法規的日趨嚴格,更高NOX轉化效率的SCR系統成為發展的主流,而NH3的分布均勻性是影響NOX轉化效率的最主要因素。在SCR系統中,混合器是提高NH3分布均勻性和尿素液滴蒸發分解效率的重要裝置[1]。

混合器一方面通過產生渦流和湍流來促進NH3和尾氣的混合,另一方面通過提高尿素液滴蒸發速率和促進液滴二次破碎來改善尿素溶液的霧化效果[2]。國內外在混合器對SCR系統的的影響方面做了大量的研究:文獻[3]通過數值模擬的方法,模擬了混合器對溫度場、濃度場和壁膜的影響。文獻[4]運用計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)對SCR系統內的反應進行仿真計算,發現混合器能夠有效改善SCR內NH3分布均勻性及NOX轉化效率。文獻[5]通過建立SCR系統數學模型,發現當混合器安裝于噴嘴下游100～200 mm處,能明顯提高SCR系統對NOX的轉化效率。文獻[6]通過CFD的模擬分析,發現混合器葉片角度對SCR性能有重大影響。文獻[7-8]提出了2種新型的混合器結構,結果表明2種新型的混合器結構都可以改善尿素的霧化效果和NH3的均勻性分布。文獻[9]通過混合器類型和分解管長度的不同組合,來研究SCR系統上還原劑分布與NOX還原性能之間的關系。文獻[10]通過實驗數據驗證添加混合器和導流器可以促進還原劑與尾氣更好地混合。文獻[11-12]對混合器的結構進行了優化,結果表明優化后的混合器可以減少液膜的形成,提高NH3的均勻性分布,并且降低尿素結晶的風險。文獻[13]通過臺架實驗,得到混合器位置對流線有巨大影響。文獻[14-15]在傳統的混合器基礎上設計了新型混合器,結果表明新型混合器可有效降低結晶風險,同時確保了還原劑的更高分布。文獻[16]通過對比分析了不同的混合器與湍流強度對SCR內液膜和沉積物的影響。文獻[17-18]運用模擬計算的方法,證明葉片式混合器在改善還原劑均勻性和減少壓力損失方面優于擋板式混合器。文獻[19]在計算模型驗證的基礎上,選取不同的進口擋板和導流板幾何參數設計正交試驗,得到不同結構參數對混合器內湍動特性和混合系統背壓的影響。文獻[20]采用渦流式混合器和附加混合室等混合單元,以提高船用尿素SCR 系統中低壓降的流動混合性能。文獻[21]發現把混合器放置在遠離催化劑層的位置,可以增強NH3混合和流速的均勻性。

綜上所述,國內外對于SCR系統中混合器的研究多集中在混合器的結構、混合器的位置、混合器的類型等因素對尿素霧化效果和NOX轉化效率的影響,還有一些研究是對混合器進行優化設計,而在混合器本體溫度對柴油機低排溫條件下SCR系統中尿素霧化效果方面的相關研究相對較少。本文通過模擬仿真的方法研究在發動機低排溫條件下時,不同溫度的混合器對混合器上液膜分布情況、催化器前端NH3均勻性系數的影響,最終選擇合適的混合器本體溫度,提高低排溫條件下尿素的霧化效果與NH3均勻性系數。

1 SCR系統的建模

1.1 SCR系統介紹

尿素水溶液的霧化效果是影響NOX轉化效率的主要因素。尤其是在低排溫(200 ℃)條件下,尿素水溶液噴射后會在壁面形成液膜,產生沉積物,從而影響發動機的性能。在排氣管中加裝混合器可以產生氣流擾動,有效地促進尿素水溶液的霧化效果,提高NH3在SCR內分布的均勻度,從而提高SCR系統的轉化效率。此外,合適的溫度可優化尿素水溶液的霧化效果。因此,本文選取與實驗相近的柴油機低排溫條件進行模擬分析,在云內4102柴油機1 200 r·min-1,20%負荷條件下,設計并選取混合器,探究混合器本體溫度對壁面液膜和NH3分布均勻性的影響,以獲得SCR系統高效的工作效率。

1.2 SCR系統的幾何模型

本文采用直管,建立非氣助式SCR模型,如圖1所示。排氣管管徑為D=97 mm,噴射點距離催化劑前端距離為402 mm,所用噴嘴為單孔噴嘴,尿素水溶液噴射角度為30°,催化反應器管徑為200 mm,長度為270 mm。

圖1 SCR系統示意圖

1.3 網格無關性驗證

網格的數量會影響計算結果的精確性和可行性。一般情況下,網格數量越多,其計算結果會更準確。但是,網格數量太多,不僅會導致計算緩慢,還會占據大量計算的內存,增加計算機的計算成本。所以,需要對網格進行無關性驗證,來同時兼顧計算的精確性和成本。在SCR系統中,NH3的均勻性對NOX轉化效率具有重要影響。本文以催化器入口截面處NH3的均勻性為研究對象,對SCR系統的網格進行無關性驗證。

圖2是尿素水溶液在入射角30°和噴射壓力0.9 MPa條件下,不同網格數量對應入口截面處NH3的分布均勻性。從圖2中可以看出:隨著網格數量越來越多,計算的結果也越來越精確,但當網格數量大于80萬時,NH3的均勻性系數變化較小。所以,考慮到計算結果的精確性與計算機成本、計算時間等因素,本文最終選擇網格數量為80萬進行模擬計算。SCR系統網格劃分如圖3所示,網格最小尺寸為1 mm,網格最大尺寸為5 mm,網格總數量約為80萬。同時,對SCR模型模擬計算時,加入了湍流模型,多孔介質模型,組分輸運模型,液滴的破碎、匯聚、蒸發等模型。

圖2 網格無關性驗證圖

1.4 SCR系統的邊界條件

本文以云內4102柴油機為樣機,為模擬計算提供可靠參數,柴油機主要參數如表1所示,柴油機尾氣成分如表2所示。

表1 柴油機參數

表2 柴油機尾氣成分

表3 邊界條件

2 SCR系統中混合器的選擇

2.1 混合器的設計

在SCR系統中,混合器是排氣管中的重要裝置,在SCR中安裝混合器可以促進尿素的霧化效果,提高NH3分布均勻性。但安裝混合器也會導致排氣背壓的升高,從而進一步影響發動機的工作性能,所以優化混合器結構的同時,還要考慮壓強的變化?？紤]到加熱結構的布置、制作工藝的難易程度以及成本等因素,本文設計了如下2種混合器。

(Ⅰ)葉片式混合器

葉片混合器主要由3個扭轉的葉片與1個空心圓柱構成,扭轉的葉片可以使尾氣形成旋流,更好地促進了尾氣與尿素噴霧的混合,提高SCR的轉化效率。同時,空心的小圓柱還可以降低背壓,使其保持較好的經濟性與動力性。葉片混合器的結構布置如圖4所示。對SCR系統進行網格劃分,對尿素水溶液噴射入口與混合器進行局部加密,如圖5所示。

圖4 葉片混合器的結構布置圖

(Ⅱ)格柵式混合器

格柵式混合器的主要結構是葉片不同方向的排列,通過翅片不同方向形成較大的氣流擾動,促進尿素水溶液的霧化和NH3分布的均勻性。格柵混合器的結構布置如圖6所示,其加密方式與葉片式混合器一樣。格柵混合器的網格劃分如圖7所示。

圖6 格柵混合器的結構布置圖

2.2 對排氣背壓分析

在后處理SCR系統中,排氣管內壓力損失是影響發動機性能的重要因素之一。壓力損失直接影響發動機的性能與經濟性。當排氣管內壓力損失過大時,會導致發動機排氣背壓的升高,進一步導致發動機性能的下降,同時壓力損失的增加還會增加殘余廢氣量,降低充氣系數,進而影響燃料燃燒的充分性,影響發動機的經濟性。

圖8為兩種類型混合器的壓力云圖。圖8中,上方是葉片式混合器,壓力損失為3.2 kPa,下方是格柵式混合器,壓力損失為2.8 kPa,在排氣管中葉片混合器的壓力損失比格柵式混合器大0.4 kPa。這種現象主要是因為當氣流經過葉片混合器的中心圓柱時,流通截面積急劇減小,導致氣流速度增加,所以葉片式混合器的壓力損失比格柵式混合器的大。

圖8 葉片式混合器與格柵式混合器壓力對比

2.3 對流線的分析

排氣管中流線的分布是評價湍流效果的重要指標,圖9是2種混合器X-Y截面的流線分布圖。從圖9中可以看出:氣流經過混合器后都產生了明顯的氣流擾動。當氣流經過葉片混合器(左)時,氣流的速度有明顯提升,這樣可以加速尿素液滴的破碎程度,促進液滴的霧化效果。同時,通過氣流經過2種混合器流線的對比發現:格柵式混合器(右)對氣流產生的擾動更加劇烈,湍流效果也更為顯著,由于其上下傾斜的幾何結構,使得流線在中心區域上下波動,降低了液滴接觸壁面的可能性,進一步降低了排氣管中尿素結晶的可能性。

(a) 葉片式混合器的流線圖 (b) 格柵式混合器的流線圖

2.4 兩種混合器壁面液膜對比

圖10為2種混合器上液膜分布,從圖10中可以看出:在葉片式混合器上液膜主要集中分布在葉片彎曲處。這是由于葉片的曲面結構導致尿素水溶液附著在葉片彎曲處,彎曲的地方不容易霧化,因此在葉片彎曲處形成了少量液膜。而格柵式混合器的液膜主要分布在混合器的中下方葉片與支架上,這是由于尿素水溶液在氣流作用下導致部分液滴不容易通過格柵式混合器的中下方,在重力作用下液滴在格柵式混合器中下方聚集,形成液膜。但從2種混合器的對比可以看出:格柵式混合器上液膜的區域和厚度明顯比葉片式混合器小,格柵式混合器上液膜的區域和厚度得到改善。在排溫較低的情況下,格柵式混合器與葉片式混合器相比,有明顯的優勢,這會大大降低排氣管內尿素結晶的風險。

(a) 葉片式混合器液膜分布圖 (b) 格柵式混合器液膜分布圖

綜上所述,通過對比2種混合器的壓降、流線分布與2種混合器上液膜分布情況,可以看出格柵式混合器具有明顯優勢。所以,本文后續研究的混合器本體溫度對SCR系統的影響都是以格柵式混合器為例。

3 結果分析

3.1 混合器本體溫度對液膜的影響

尿素水溶液進入排氣管內會經歷液滴破碎、蒸發、熱解等一系列的物理化學反應。而由于排氣管內結構、溫度等諸多因素的影響,導致小部分尿素水溶液霧化效果差,未能完全分解,積累在排氣管及混合器上形成液膜,最終導致了尿素結晶的產生。而尿素結晶的形成會導致NH3生成量的減少,降低了NOX轉化效率。

圖11是不同溫度的格柵式混合器液膜分布圖。從圖11中可以看出:在常溫條件下的混合器液膜集中分在中下方的支架上或翅片上,這是因為此時混合器本體溫度較低,尿素水溶液不能很好地蒸發,在重力的作用下尿素水溶液在混合器中下方聚集并形成液膜。當混合器本體溫度上升到100 ℃時,混合器上液膜的區域相較之前明顯減少,這是因為混合器本體溫度的升高,促進了混合器上尿素水溶液的蒸發,進而減少了附著在混合器上的尿素液滴。當混合器本體溫度為150 ℃時,混合器上的液膜區域基本消失。當混合器溫度為200 ℃時,混合器上已無明顯的液膜區域。綜上所述,混合器本體溫度對混合器上液膜的形成有重要影響,隨著混合器本體溫度的升高,混合器上液膜區域逐漸減少直至沒有明顯液膜區域。

(a) 常溫(20 ℃) (b) 100 ℃ (c) 150 ℃ (d) 200 ℃

3.2 混合器本體溫度對氨分布的影響

在SCR系統中,催化器前端NH3分布均勻性是影響SCR性能的重要因素之一。NH3在排氣管內分布均勻性越好,才能與尾氣接觸更充分,增加NOX的轉化效率。NH3分布均勻性又與尿素水溶液的霧化效果密切相關,而加裝混合器不但可以促進尿素水溶液的霧化效果,還可以增加尿素水溶液與尾氣的充分接觸,進而提高催化器前端NH3分布均勻性。

目前,一般使用催化器前端NH3的均勻性系數來評價NH3分布的均勻性,催化器入口截面上的NH3分布多采用均勻性系數γ進行評價,γ值越接近1,則NH3分布均勻性越好。均勻性系數定義為:

圖12是常溫下(20 ℃)有無安裝混合器催化器前端NH3分布均勻性的對比。不安裝混合器NH3分布均勻性系數為0.213,安裝格柵式混合器后NH3分布均勻性系數為0.419。從圖12中可以明顯看出:在安裝格柵式混合器后催化器前端NH3的分布均勻性明顯上升。這是因為格柵式混合器上下翅片的結構方式,對氣流產生了一定的擾動效果,有效促進了尾氣與尿素水溶液的接觸,改善了尿素水溶液的霧化效果。所以,加裝混合器可以提高催化器前端NH3的分布均勻性。

(a) 無混合器 (b) 有混合器

圖13是在不同溫度的混合器下催化器前端NH3分布圖。從圖13中可以看出:混合器本體溫度為100 ℃時,NH3的濃度相較于常溫(20 ℃)明顯上升,NH3分布均勻性也隨之增加,因為在低溫(200 ℃)排氣下,隨著混合器本體溫度的升高,接觸到混合器的尿素水溶液的霧化效果得到了提升。當混合器本體溫度上升到150 ℃時,在催化器截面處的NH3濃度相較于100 ℃又有了明顯提高,NH3的分布均勻性效果在增加。但截面下方局部區域NH3的濃度較高,這是由于重力作用下在混合器上殘留的尿素水溶液匯聚在混合器下方,隨著混合器本體溫度的升高,聚集在混合器下方的尿素水溶液開始分解,最終造成局部NH3的濃度升高。當混合器本體溫度達到200 ℃,NH3的濃度和分布均勻性顯著升高,這是由于混合器本體溫度的升高,使尿素水溶液的霧化效果提升,且較高的混合器溫度也加快了尿素水溶液的蒸發。格柵式混合器上下分列的葉片結構會使尿素水溶液在豎直方向的擾動更為劇烈,因此,尿素水溶液充分霧化后會使催化器前端上下區域NH3分布更均勻。

(a) 20 ℃ (b) 100 ℃ (c) 150 ℃ (d) 200 ℃

同時還得到不同溫度的混合器下催化器前端的NH3分布均勻性系數,隨著混合器本體溫度的升高,催化器前端NH3的均勻性系數也隨之增加。當混合器本體溫度為常溫(20 ℃)時,NH3的均勻性系數為0.419。當混合器本體溫度為100 ℃時,NH3的均勻性系數為0.622,相比常溫下均勻性系數增加了20.3%,這說明了混合器本體溫度的升高可以改善尿素水溶液的霧化效果。當混合器本體溫度提高到150 ℃時,NH3的均勻性系數為0.794,相比100 ℃時均勻性系數上升了17.2%。隨著混合器本體溫度達到200 ℃,NH3的均勻性系數為0.891,相比之前又增加了9.7%,隨著混合器本體溫度的升高,混合器的均勻性系數增幅雖有所下降,但整體還是呈現上升趨勢,且隨著混合器本體溫度的不斷升高,NH3的均勻性系數越來越接近1。這說明混合器本體溫度的升高可以極大改善尿素水溶液的霧化效果,從而使NH3的分布更加均勻。

4 結論

(1)總流通面積一定的情況下,格柵式混合器比葉片混合器降壓小。而同樣的條件下,格柵式混合器湍流效果更加顯著,且液膜區域和厚度也比葉片式混合器小。

(2)隨著混合器本體溫度的不斷升高,格柵式混合器的液膜區域明顯減少。當混合器本體溫度為50 ℃時,液膜區域集中分布在格柵式混合器的中下部葉片和支架上;當混合器本體溫度達到200 ℃后,混合器中下方已無明顯液膜區域。

(3)常溫下不安裝混合器時NH3均勻性系數為0.213,當安裝格柵式混合器后NH3均勻性系數上升到0.419。當混合器本體溫度為100 ℃時,NH3均勻性系數為0.622,當混合器本體溫度為150 ℃時,NH3均勻性系數為0.794;當混合器本體溫度為200 ℃時,NH3均勻性系數為0.891。因此,安裝混合器可以有效改善催化器前端NH3的分布均勻性,且混合器本體溫度的升高也可以改善尿素水溶液的霧化效果,從而提高NH3分布均勻性。