浅谈SCR反应器模型计算与分析

谢胜富

（中国海警局第三局，广东 广州 510220）

1 SCR反应器模型计算

1.1 COMSOL Multiphysics软件简介

本文在模型的建立和特性分析时，都是用COMSOL Multiphysics这款软件来实现的；这是一款由瑞典的COMSOL公司开发的高级大型数值仿真软件，在声学、化学反应、生物科学、流体动力学、电磁学、燃料电池、地球科学、热传导、结构力学、传动现象、波的传播微系统、多孔介质、微波工程、光学、光子学、量子力学、射频、半导体等数值仿真方面得到广泛应用。本文主要利用COMSOL Multiphysics软件在化学反应、流体动力学、传热学等方面的功能。通过化学方程式、物理公式和流体场的建立，在确定一些边界条件下，设定一些参数来建立模型，并进行计算分析。

1.2 SCR模型内温度分布

利用COMSOL Multiphysics软件的模拟计算功能，在已建好的三维模型基础上，取氨氮比为1.3，进口温度为523K，出口温度为350K，流速为0.3m/s，NO摩尔浓度为0.0411mol/m3、NH3摩尔浓度为0.05343mol/m3时，可以计算得到反应器模型内温度分布情况，接下来将对温度分布情况进行分析。

如图1，是在以上参数下，通过软件计算绘制出来的模型内温度分布的等高图，从整个图来看温度在SCR反应器通道内分布呈内凹型，接近中心处温度较高，在反应器出口处温度较低，整个温度降低大约在49K左右。

图1 温度分布等高图

为了更直观地了解温度分布情况，截取反应器纵截面上的温度分布情况如图2，从图上可以看出，在反应器入口处的温度并不是最高的，在反应器内部存在一个高温区，在最高温度区域后，直到出口温度都成下降趋势，之所以会有这种现象出现，是因为在反应器内部气体反应是放热反应，同时气体在流道内也对外传热，刚开始反应剧烈，产生反应热大于对外传热，温度就不断上升，反应热与传递热相等时温度达到最高，形成高温区域。随着反应速率减慢，产生反应热减少，小于对外传热时，温度就不断降低。

图2 反应器纵截面温度分布图

图3是在相同条件下截取的模型横截面上的温度分布情况图。从不同截面上看，分析得到的结论和上面所述相同，都是温度先升高然后降低。对同一个横截面来说，中心温度较高，边缘温度较低；造成这种现象是因为边缘散热多，温度下降快。当然温度分布也受到化学反应速率大小的影响。

图3 反应器横截面温度分布图

2 SCR反应器模型分析

2.1 NH3转换率分析

在对以上反应器内温度分布情况分析以后，接下来将对反应器内氨气反应速率情况进行分析，如图4是在以上参数下得到的SCR反应器流道内氨气转换率的等高图，图5流道内氨气转换率的截面图，从图4可以看出，氨转换率从反应器的入口到出口逐渐增加，而等高面在入口处几乎接近平面，从入口端开始越接近出口端的转换率越高，并且每一个等高面成内凹型。再从图5转换率截面图来看，也可以得到同样结论，中心处转换率远高于边缘部分。

图4 NH3转换率等高图

图5 NH3转换率截面图

为了更好地反映氨转换率的分布情况，截取反应器纵截面上氨的转换率分布图和出口转换率分布图，如图6和图7，从图6不难看出，在反应器入口处氨转换率非常低而在出口时几乎反应完全，没有泄漏。再看图7，在反应器出口，即使在反应器边缘部分氨基本全部反应完全，可见氨的转换率都是1，可以推断出副反应中氨气基本已经反应完，氧气在出口有剩余，随尾气排出。故可以说明氨氮比选择适中。

图6 纵截面NH3转换率分布图

图7 出口氨气转换率截面图

2.2 NO转换率分析

在已有的模型和参数下，利用软件对反应器脱硝效果进行分析，如图8和图9分别是SCR反应器内NO转换率的等高图和横截面图，由图可以看出在整个反应器中一氧化氮的转换率等高面和氨的相似，仍然成内凹型，同一截面上NO转换率中间较高，靠近边缘部分逐渐降低。当然从图8可以看出，在出口转换率最高，均在90%及以上。

图8 NO转换率等高图

图9 NO转换率横截面分布图

如图10是同一纵截面上NO转换情况，从图上可以看出NO转换率从入口开始逐渐增大，到达出口已经达到最大；从图11的出口截面上一氧化氮转换率分布图来看，中间部分转换率最高，边缘部分转换率虽然比较低，但是通过软件查看边缘最低处转换率已经达到88.42%，中心处到达99.12%，显然一氧化氮转换率已经达到要求。

图10 NO转换率纵截面分布图

图11 NO转换率出口分布图

2.3 反应选择性分析

在已有的模型和参数下，利用软件对反应器脱硝效果进行分析，如图8和图9分别是SCR反应器内NO转换率的等高图和横截面图，由图可以看出在整个反应器中一氧化氮的转换率等高面和氨的相似，仍然成内凹型，同一截面上NO转换率中间较高，靠近边缘部分逐渐降低。当然从图12可以看出在出口转换率最高，均在90%及以上。

图12 NO转换率等高图

如图13是同一纵截面上NO转换情况，从图上可以看出NO转换率从入口开始逐渐增大，到达出口已经达到最大；从图14的出口截面上一氧化氮转换率分布图来看，中间部分转换率最高，边缘部分转换率虽然比较低，但是通过软件查看边缘最低处转换率已经达到88.42%，中心处到达99.12%，显然一氧化氮转换率已经达到要求。

图13 NO转换率横截面分布图

图14 NO转换率纵截面分布图

图15 NO转换率出口分布图

3 结语

本文在环境污染逐渐严重的背景下，以如何减少柴油机废气排放为主线，综合分析并阐述柴油机节能减排技术的研究现状；并且探讨分析SCR技术的应用背景、基本原理、技术特点、应用范围以及运用于柴油机尾气净化时的效果和影响因素。然后利用COMSOL Multiphysics软件对SCR反应器建模与仿真，并在一定参数下，对SCR反应器模型内温度场、氨气和氮氧化物转换率、主副反应速率和选择性变化情况分析。