排气温度影响柴油机SCR尿素沉积物生成模拟研究

覃倩倩，莫春兰，黄文君，段磊磊，余俊波

（广西大学机械工程学院，广西 南宁530004）

选择催化还原SCR技术是目前降低柴油机NOx排放最有效的后处理技术之一，然而低温下尿素水溶液热解和水解就会伴随着诸如缩二脲、三聚氰酸等副产物的生成，造成严重的尿素沉积物堵塞催化剂孔道风险。目前，大多研究者都是借助仿真模拟手段，建立液膜模型，来对尿素的结晶进行现象级分析。Fang.[1]指出液膜表面的蒸发会进一步的降低壁面温度，增加了形成三聚氰酸等沉积物风险。Smith等[2]基于液膜分析和全瞬态流固耦合CFD结果后处理对液膜的路径、最初的足迹等进行预测。但使用液膜模型必须要配合瞬态模拟，增加了仿真计算时间。且液膜模型仅仅是从物理现象上来评估SCR系统排气管、催化剂口等处出现尿素结晶的可能性，并没有模拟出缩二脲、三聚氰酸等尿素结石的形成过程，因而不能从微观层次探究完整的尿素沉积物生成规律。

本文为了从微观层次探究详细的尿素沉积物生成规律，新构建了一个详细的尿素分解化学反应动力学模型。利用STAR-CCM+软件，导入尿素热解水解的总包和详细反应机理，对尿素在喷射点到催化器入口前端间的排气管路中的分解过程进行稳态数值模拟，得到不同温度下催化器入口处的NH3摩尔分数以及沉积物生成规律，从而为研究柴油机SCR系统后续研究提供依据。

1　尿素分解模型的构建

理想状态下，尿素在SCR系统内的热分解主要分为两步，即尿素热解生成等体积的氨气和异氰酸；异氰酸水解生成氨气和二氧化碳。表1列出了尿素理想状态下的总包反应。

表1　总包反应动力学模型

实际运行中，SCR系统中尿素要分解成NH3和CO2要经历一系列复杂的变化，在温度低时，尿素不完全分解，低温下尿素水溶液热解和水解会伴随着诸如缩二脲、三聚氰酸等沉积物的生成。为了准确捕捉沉积物形成规律，根据Ebrahimian[3]提出的12步反应机理，LUNDSTROMA等[4]发现熔融状态的尿素和液态的尿素在热解中的表现，本文构建了一个详细的尿素分解化学反应动力学模型。新构建的尿素分解化学反应动力学模型包含缩二脲、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺的生成机理，涉及15种组分和11步反应见表2.

表2　尿素分解化学反应动力学模型

研究尿素反应路径，认为异氰酸（HNCO）是尿素分解副产物形成所需的最重要的反应物，无论是副产物缩二脲，还是三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺的形成，都离不开异氰酸的参与，缩二脲（C2H5N3O2）是尿素沉积物形成中最重要的中间产物，构成了其他副产物形成的基础，可沿反应路径形成三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺等一系列副产物。

2　模型选择

计算采用STAR-CCM+的3D-CAD Models建立几何模型。管路长度为1.5 m，直径为0.15 m.图1为网格模型。图2为模型内部结构，喷射角度选用79/deg，喷射的液体温度为20℃，喷射速度选用10.6 m/s，质量流量为0.000 3/kg·s-1.计算采用欧拉--拉格朗日两相流模型，拉格朗日相为32.5%的尿素水溶液，欧拉相选择多组分气相反应子模型。

图1　管路网格模型

图2　管路内部结构图

3　计算结果分析

图3表明，在混合器作用下150℃时尿素分布在整个管道中。低温条件下尿素的分解并不完全；高于200℃之后，混合器前端的尿素的高浓度区域逐渐降低，低浓度区域变大高温下尿素基本完全水解。

图3　管路轴向尿素质量分数分布云图

图4给出了NH3随着温度变化的分布情况，随着尿素分解越完全，NH3的均匀性逐渐增加。150℃时，尿素分解不完全，NH3的质量分数处于低浓度位置，随着温度的升高，尿素的分解越彻底，NH3的浓度增加越明显，到300℃之后，尿素分解完全，NH3浓度更均匀分布管道中，可见温度对尿素的热解水解程度起着关键作用。

图4 管路轴向NH3质量分数分布云图

图5为不同温度下，缩二脲（C2H5N3O2）、三聚氰酸（C3H3N3O3）和三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）的摩尔分数走势图。缩二脲走势图显示缩二脲在150℃增加，之后到175℃开始下降，到225℃时趋近零。因为在尿素不断分解的同时，有一部分的尿素与HNCO（异氰酸）反应生成缩二脲（C2H5N3O2）。当温度处在160~190℃之间，少量生成的缩二脲会和HNCO生成三聚氰酸。此时三聚氰酸开始明显增多，当温度达到缩二脲的熔点193℃时，缩二脲会分解生成三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）。三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）显示较大上升；200℃~250℃之间，三聚氰酸开始分解为HNCO.当在200℃~250℃之间，三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）开始分解，生成 HNCO、HNC、NH 三种气体。可见尿素的不完全分解，除了自身会有部分不完全分解的变成固体沉积物之外，还会生成的其他沉积物，造成严重的沉积物风险。

图5　沉积物生成量

4　结论

（1）尿素的详细分解路径表明，低温条件下（排气温度在150℃~200℃时），尿素发生不完全分解，有一部分尿素会沉积在管道中变成固体沉积物，还有一部分尿素会生成中间产物，缩二脲（C2H5N3O2）、三聚氰酸（C3H3N3O3）和三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）等，可见尿素的不完全分解，除了自身会有部分不完全分解的变成固体沉积物之外，还会生成的其他沉积物。

（2）尿素在大约160℃时，与HNCO（异氰酸）生成缩二脲（C2H5N3O2）。温度达到175℃ ~200℃，缩二脲开始分解，当温度处在160℃~190℃之间生成三聚氰酸（C3H3N3O3），大约在200℃ ~250℃之间，三聚氰酸开始分解为HNCO，当温度达到缩二脲的熔点193℃时，缩二脲会分解生成三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2），当在200℃ ~250℃之间，三聚氰酸一酰胺（C3H4N3O2）开始分解。