船用柴油机选择性催化还原混合器结构优化及验证

2022-04-13李江飞朱海艳牛雨飞乔宝英

内燃机工程 2022年2期

李江飞，朱海艳，牛雨飞，徐谦，乔宝英，张强

（1.无锡亿利环保科技有限公司，无锡 214000；2.北京大学工学院，北京 100871；3.河北亿利科技股份有限公司，邢台 054800；4.山东大学能源与动力工程学院，济南 250061）

0 概述

柴油机具有转矩大、热效率高、油耗低等优点，是船舶的主要动力设备［1-2］。随着船舶运输和渔业的繁荣发展，船用柴油机废气污染问题逐渐成为社会关注的热点问题，而NOx是船用柴油机最主要的排放污染物之一［3］。为了减少NOx造成的环境污染，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）对船舶尾气中NOx排放提出了3 个阶段的限制要求［4］，Tier Ⅲ要求NOx排放在Tier Ⅰ基础上降低80%，单纯依靠机内净化措施无法满足Tier Ⅲ法规。

选择性催化还原技术（selective catalytic reduction，SCR）是目前国际上公认的用于降低船用柴油机尾气中NOx排放的主要技术［5］，即在催化剂的作用下，通过尿素喷射系统向SCR 上游喷入尿素水溶液，把尾气中的NOx还原成N2和H2O［6-11］。目前，针对船用柴油机SCR 系统的研究尚较少。船用柴油机的排气量大且管道直径大，若混合器结构设计不合理，会造成NOx转化效率低、尿素结晶、背压大等问题［12-17］，NOx转化效率低则无法满足排放标准，混合器背压大则会影响船舶的动力性及经济性。

本文中针对船用柴油机SCR 系统，设计6 种不同的混合器结构，采用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）方法对不同混合器方案进行了仿真分析和对比，选择最优方案，对其进行台架排放试验以验证该设计是否满足Tier Ⅲ排放标准。本研究可为船用柴油机SCR 的混合器结构设计提供参考。

1 结构方案

SCR 初始方案如图1所示。由于船用柴油机的排气流量较大，SCR 结构方案采用并联对称的双通道结构，每个通道设置上下2 个对称的尿素喷嘴座，即SCR 中共计安装4 个尿素喷嘴。通道的管道直径为300 mm，由于管道直径较大，需要在管道中设置文丘里管，文丘里管上安装有压差管，通过压差计算尾气流量。尾气从入口进入SCR 系统，从两个通道分别进入文丘里管，然后进入混合器，尿素喷嘴座上可以安装尿素喷嘴，尿素从喷嘴座进入混合器，尾气与尿素蒸发出的氨气（NH3）在混合器中充分混合，最后进入SCR 载体中发生反应。

图1 SCR 初始方案

设计了两种混合器的布置方式，如图2所示。布置方式1 中，文丘里管布置在叶片板1 和尿素喷嘴的上游，3 个叶片板的结构形状相同，叶片板1 和叶片板2 的布置方向相同，叶片板3 的方向在前两块叶片板基础上旋转90°，尾气先进入文丘里管，然后尾气在叶片板1 的扰流作用下与尿素混合，在叶片板2 和叶片板3 的扰流作用下继续混合，最后进入SCR 载体。布置方式2 中，文丘里管布置在尿素喷嘴和叶片板的下游，3 个叶片板的结构形状相同，叶片板1 和叶片板2 的布置方向相同，叶片板3 的方向在前两块叶片板基础上旋转90°，尾气和尿素经过叶片板1 后在其扰流作用下进入文丘里管，并在文丘里管中混合，然后在叶片板2 和叶片板3 的扰流作用下继续混合，最后进入SCR 载体。

图2 SCR 混合器布置方式

设计了3 种叶片板形状，如图3所示。叶片板形状1 中，在叶片板上设置均匀布置的方形栅格，并在方形栅格上设置上下交错的叶片板，尾气进入方形栅格后在叶片板导流作用下发生扰流；叶片板形状2 中，在叶片板中间设置均匀布置的方形孔，并在方形孔上设置左右交错的叶片板，尾气进入方形孔后在叶片板导流作用下发生扰流；叶片板形状3 中，在叶片板中间设置均匀布置的方形孔，并在方形孔上设置旋转的叶片板，尾气进入方形孔后在叶片板导流作用下发生旋流。

图3 叶片板形状

按照不同的布置方式和叶片板形状进行排列组合，共设计6 种混合器结构，不同混合器方案如表1所示。

表1 SCR 混合器方案表

2 CFD 分析

2.1 CFD 物理模型

CFD 物理模型中采用尿素直接蒸发方法，即不对热解和水解两个阶段进行明确建模，而是模拟从尿素液体到气态氨气的相变过程，分解过程中吸收的热量看作是升华过程吸热。不考虑载体表面化学反应，气体选择为黏性可压缩气体，计算过程为稳态定常流，流动模型选用Realizablek-ε湍流模型，载体处为多孔介质模型，其压力损失按照Darcy［18-20］定律计算，喷雾采用Lagrangian 多相流模型。液滴碰撞选择Bai-Gosman Wall Impingment 模型［21］，液滴破碎选择Reitz-Diwakar Breakup 模型，同时选择液滴蒸发模型。

2.2 均匀性指数

SCR 载体前端面的流速均匀性、NH3均匀性是评估性能的重要指标，流速分布不均会造成催化剂局部老化，降低使用寿命；NH3分布不均则会降低载体的NOx转化效率。一般用均匀性指数［22-23］评价其均匀性程度，流速均匀性指数Uflow的计算公式见式（1）。

式中，j为截面上单元网格总数量；vi为截面上第i个单元网格的气体流速；vm为截面上气体平均流速；Ai为截面上第i个单元网格的面积；A为截面上网格总面积。

NH3均匀性指数UNH3的计算公式见式（2）。

式中，φi为截面上第i个单元网格上的NH3的质量分数；φm为截面上NH3质量分数。

2.3 CFD 边界条件

SCR 系统为对称结构，为降低计算量，故建立一半模型。采用多面体方式划分CFD 网格，网格基本尺寸为10 mm。为保证计算精度，喷嘴和叶片板的区域网格尺寸细化为1.5 mm。边界层设置为8 层，第1 层网格高度设置为0.037 mm，边界层总厚度为2.1 mm。载体采用拉伸的方式划分网格，靠近载体端面的区域网格密集，远离载体端面的区域网格稀疏。最终SCR 系统中共计580 万个单元网格。SCR 方案3 的CFD 网格示意图如图4所示。选取标定工况进行CFD 仿真，排气流量为3 588 kg/h，排气温度为423 ℃，尿素喷射量为2 380 mg/s。CFD 目标要求SCR 系统背压小于5 kPa 且NH3均匀性指数大于0.90。

图4 SCR 混合器分案3 的CFD 网格示意图

2.4 网格无关性和模型验证

不同网格尺寸下方案3 的CFD 仿真结果如表2所示。从表中可以看出，随着网格尺寸的减小，网格数量急剧增加，而UNH3的变化幅度不大于1%，Uflow和背压不变，说明本模型基本消除了网格大小对结果的影响。

表2 不同网格尺寸下方案3 的CFD 仿真结果

方案3 的试验测试背压为4.5 kPa，CFD 计算背压为4.8 kPa，误差较小，说明CFD 计算的背压合理有效。

3 试验方案

3.1 台架布置

试验发动机台架如图5所示。试验用测功机为西门子电力FC200（600 kW）测功机，尾气分析仪为日本HORIBA MEXA—7500DEGR 气体分析仪，排气流量通过燃油质量流量与空气质量流量相加计算得到，排气温度通过温度传感器测试得到，尿素喷射量通过标定软件INCA 调整。试验发动机参数如表3所示。

图5 试验发动机台架图

表3 试验发动机参数表

3.2 排放试验

按照《船用柴油机排气排放污染物测量方法》（GB/T 15097—2008）进行发动机台架污染物排放试验，其中E3 循环为常用的标定船用柴油机推进工况，故选择E3 工况测试NOx排放值。E3 工况参数如表4所示。IMO 对NOx排放限值的具体要求如表5所示，其中n为发动机标定转速，单位为r/min。由表5可得该发动机的NOx排放限值为2.08 g/（kW·h）。

表4 船用柴油机E3 工况参数

表5 IMO 标准NOx 排放限值

尿素喷射系统的喷射压力为0.5 MPa，喷束的喷雾锥角为45°，液滴索特平均直径（Sauter mean diameter，SMD）为56.8 μm，喷射初速度为11 m/s。

4 CFD 结果分析

4.1 均匀性和背压分析

6 种方案的SCR 载体流速分布、NH3分布如图6、图7所示，其均匀性指数和背压如表6所示。从表中可以看出，6 种方案的流速均匀性均在0.98 或以上，说明其载体内的流速分布较均匀。对比图7可知：叶片板形状3 的NH3均匀性指数最优，其次为叶片板形状2，叶片板形状1 最差，这是由于叶片板形状3 可以引导尾气形成旋流，旋流时将尾气和尿素充分混合；文丘里管布置在尿素喷嘴下游后叶片板形状1 的NH3均匀性指数显著提高，叶片板形状2 的NH3均匀性指数降低，叶片板形状3 的NH3均匀性指数略有提高；叶片板形状2 的背压最大，其次为叶片板形状3，叶片板形状1 的背压最小，文丘里管的布置顺序对SCR 系统的背压无影响。

图6 6 种方案的载体流速分布CFD 仿真结果

图7 6 种方案的NH3 分布CFD 仿真结果

从表6中可以看出，方案3、方案5 和方案6 均同时满足SCR 系统背压小于5 kPa 和NH3均匀性指数大于0.90 的要求，故需要继续在这3 个方案中筛选出结晶风险最小的方案。

表6 6 种方案的均匀性指数和背压CFD 仿真结果

4.2 尿素碰壁和流速分析

方案3、方案5 和方案6 的混合器尿素轨迹和碰壁结果如图8和图9所示，混合器尿素碰壁量结果如表7所示。可以看出方案3 的尿素液滴碰壁主要在叶片板2 表面，且碰壁位置较分散，碰壁量为199.1 mg/s，叶片板3 和壳体的碰壁量较小，尿素轨迹较均匀分散地充满腔体，尿素液滴在叶片板的扰流作用下与尾气发生混合，尿素液滴在流动过程中液滴直径逐渐减小最终蒸发形成NH3进入SCR 载体；方案5 的尿素液滴主要碰撞在壳体的表面，碰壁量为358.2 mg/s，叶片板2 的碰壁量为145.8 mg/s，叶片板3 的碰壁量较小，尿素轨迹形成上下两股旋流，尿素液滴在旋转的过程中与尾气混合并蒸发进入SCR 载体；方案6 的尿素液滴主要碰撞在壳体和叶片板1 的表面，碰壁量分别为197.6 mg/s 和199.4 mg/s，尿素轨迹较集中。

表7 方案3、方案5 和方案6 的尿素碰壁分布

图8 方案3、方案5 和方案6 的尿素轨迹

图9 方案3、方案5 和方案6 的尿素碰壁分布

方案3、方案5 和方案6 的流速分布如图10所示。从图中可以看出方案3 的叶片板2 的尿素碰壁区域流速较高，流速范围在50 m/s～60 m/s 之间，尾气可以对碰壁区域进行加热，有利于尿素蒸发，减小尿素结晶风险；方案5 和方案6 的碰壁区域主要集中在壳体表面上，而壳体表面流速较低，且壳体向周围环境散热，因此壳体区域温度较低，温度较低的尿素液滴碰撞壳体后进一步降低壳体温度，导致较高的尿素结晶风险。