柴油机SCR催化器NOx转化效率影响因素的数值分析

赵 浩，何 伟

(昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500)

将理论计算与流体仿真相结合，能够对复杂流场和化学反应进行求解与分析[4]。文献[5]建立了SCR催化器的三维模型，对催化器内部流场进行分析，优化结构并提高了NOx的催化效率。文献[6]通过实验和数值模拟的方法研究了在SCR系统中尿素热分解和NOx催化转化过程。数值模拟情况下NOx的转化率略高于实验结果，但数值模拟与实验结果基本吻合。文献[7～8]研究了不同工况和氨氮比对NOx转换效率的影响。文献[9]建立了SCR反应动力学模型，模拟了混合器对浓度场和壁膜的影响，证明混合器能够提高气体浓度均匀性和催化效率。文献[10]研究了不同温度条件下，氨气流量对混合气体均匀性和氮氧化物转化率的影响。文献[11]分析了尿素水溶液的喷雾特性对生成NH3均匀性和体积分数的影响。文献[12]研究了不同工况对流速均匀性的影响，以及氨氮比、NO2和NOx之比对NOx转化效率和副产物N2O的影响。文献[13～14]研究了SCR催化器增加混合器后，对湍流特性以及尿素热分解生成NH3的影响。混合器的使用提高了湍流强度和NH3在管道中的均匀性，也提高了尿素的分解率和NOx的转化率。文献[15～16]研究分析了排气温度、尿素喷射压力和尿素喷射温度对还原剂均匀性和催化反应速率的影响。

综上所述，尾气温度、尿素入射口的位置和入射角、氨氮比以及混合器结构会对SCR催化器性能造成一定的影响。SCR催化器的性能在较大程度上取决于尿素分解率，而分解率与环境温度等有关，因此混合器温度对其性能的影响不容忽视。由于化学反应和流场的复杂多变性，NH3主要由尿素热分解生成，将尿素取代NH3直接作为边界条件，更加符合实际情况。尿素注入流量太小会导致NOx处理不充分，而尿素注入流量太大又会导致资源浪费和环境污染。本文的研究目的在于探索合适的混合器温度以及尿素注入量，以提高脱氮效率、NH3生成率和均匀性系数，从而进一步提高SCR催化器的性能。

1 流场的数学模型

1.1 流体控制方程

SCR催化器内部流体的流动属于湍流流动，满足质量守恒定律与动量守恒动律。根据控制体内流体质量的时间变化率与通过控制面的流体质量净通量之和等于零，建立连续方程式

(1)

式中，ρ为混合气体密度；t为时间；ui为气体xi方向的速度矢量，i=1，2，3。

根据流体系统动量的时间变化率等于作用在系统上的外力矢量和，建立动量方程式

(2)

1932年3月，蒋介石第二次下野后重新上台，在中央确立蒋汪合作的格局，蒋介石专职负责剿共军事，在形式上不直接掌控中央党务、政务。但这一时期，蒋介石逐渐由军事领袖转变为政治领袖，在紧紧抓住军权的同时，开始关注政权建设。⑭

1.2 封闭控制方程

由于动量方程中雷诺应力未知，导致控制方程不封闭而无法求解，故采取标准湍流模型来封闭控制方程。湍动能方程和湍能耗散率方程分别为式(3)和式(4)，根据计算式求出湍动能和湍能耗散率[17]

(3)

(4)

式中，σk和σε分别为湍动能k和湍能耗散率ε对应的Prandtl数，分别取1和1.22；μt为湍动粘度；Cε1、Cε2、Ck为常数，分别取1.44、1.92和-0.33[18]。

湍动粘度、湍动能和湍能耗散率关系式为

(5)

式中，Cμ为常数，取0.09。

雷诺应力与平均速度梯度的关系式为

(6)

式中，δij为Kroneker数。

2 SCR催化器建模与仿真

2.1 建立模型

以某SCR催化器为研究对象，该催化器具体参数如下：总长度为 640 mm，进气口(出气口)直径为100 mm，扩展管直径为120 mm，利用ICEM-CFD软件建立三维模型并划分网格，如图1所示。图2为SCR催化器内部结构示意图，在催化器中添加旋流混合器，使尿素水溶液能尽可能充分雾化、蒸发分解、水解。

图1 SCR催化器网格划分Figure 1. SCR catalyst grid division

图2 SCR催化器内部结构示意图Figure 2. Diagram of SCR catalytic converter internal structure

2.2 化学反应

尿素喷入SCR系统后主要经历的过程[19]为：

(1)尿素分子熔化为气态分子，随尾气排入大气中；

(2)尿素热分解为氨气和异氰酸，涉及到的化学反应为

(NH2)2CO→NH3+HNCO

(7)

(3)异氰酸水解为氨气和二氧化碳，涉及到的化学反应为

HNCO+H2O→NH3+CO2

(8)

(4)氨气与尾气中的氮氧化物以及空气中的氧气反应生成氮气和水，主要化学反应如式(9)和式(10)所示。

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(9)

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

(10)

2.3 边界条件

根据柴油的主要成分C16H34以及空气中含氧量约20%，由式(11)和式(12)可得，1 kg柴油需要15.7 kg空气参与反应。某柴油发动机百公里油耗为10 L，百公里用时70 min。将进气口设置为质量流量进口，根据式(13)可得质量流速度为0.034 kg·s-1。由于催化器出口与大气相通，将出气口设置为压力出口，压力出口边界条件为标准大气压。尿素水溶液喷射速度为20 m·s-1，进气口各成分质量分数如表1所示[19]。

2C16H34+49O2→32CO2+34H2O

(11)

(12)

式(12)中，m1和m2分别为柴油与空气的质量；N1和N2分别为空气与柴油的相对分子质量， 其数值分别为29和226。

(13)

式(13)中，Qm为尾气的质量流速度，单位为kg·s-1；V为发动机每秒油耗，单位为L·s-1；ρ1为柴油密度，取0.85 kg·L-1。

表1 进气口各成分质量分数

尾气与NH3在SCR催化器的流动为湍流流动，在 Fluent 软件中用湍流强度和水力直径表示它的强度。湍流强度I的计算表达式为

(14)

式中，Re为雷诺数，表达式如式(15)所示。水力直径d的表达式为式(16)。

(15)

(16)

式中，v为混合气体的平均速度；A为过流面积；L为过流周长。

2.4 评价指标

评价SCR催化器的重要指标为NH3分布均匀性系数和速度均匀性系数。NH3分布越均匀，各单元流体速度越均匀，混合气体进入反应腔后反应就越充分。NH3分布均匀性系数与速度均匀性系数表达式分别为式(17)和式(18)。

(17)

(18)

式中，γ和φ(0≤γ，φ≤1)分别表示NH3分布均匀性系数和速度均匀性系数；n表示取值点的个数；ωi和λi分别表示i取值点处NH3摩尔分数和速度；ωm和λm表示所取截面上的NH3平均摩尔分数和平均速度；Ai为i所在单元格的面积；A为所有单元格的总面积。

NOx的转化效率是衡量SCR催化器性能的重要指标[20]，NOx转化效率为

(19)

式中，cin为NOx在催化器入口处质量分数；cout为NOx在催化器出口处质量分数。

3 结果分析

保持其他参数不变，在Fluent中分别设置旋流混合器温度为300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃和500 ℃，比较分析尿素热分解生成NH3的浓度。图3为旋流混合器不同温度下反应腔截面1处NH3浓度对比云图。从图3可以看出，旋流混合器温度为400 ℃时，分解效率最高，生成NH3浓度最大。旋流混合器的温度会影响尿素生成NH3的效率，从而进一步影响SCR催化器的脱氮效率。

图3 旋流混合器不同温度时NH3分布(a)300 ℃(b)350 ℃(c)400 ℃(d)450 ℃(e)500 ℃Figure 3.NH3 distribution at different temperatures in a cyclone mixer(a)300 ℃ (b)350 ℃ (c)400 ℃ (d)450 ℃ (e)500 ℃

图4为旋流混合器不同温度下反应腔入口截面1处NH3加权摩尔浓度、分布均匀性系数和速度均匀性系数。由图4可知，从300～400 ℃生成的NH3浓度逐渐增大，这是由于温度越高，分子热运动越剧烈，化学反应越充分。而从400～500 ℃生成的NH3浓度反而略微减小，这是由于较多的尿素分子熔化为气态分子，分子间距变大，分子热运动变快，许多尿素分子来不及进行热分解化学反应，就随汽车尾气直接排入大气。在旋流混合器温度为400 ℃时，截面1处NH3分布均匀性系数最大，旋流混合器温度的变化对NH3速度均匀性系数影响较小。

图4 NH3加权摩尔浓度和均匀性系数Figure 4. The weighted molality and homogeneity coefficient of NH3

图5和图6分别为保持其他参数不变，旋流混合器在不同温度(300 ℃、400 ℃和500 ℃)时SCR催化器内部和出口位置的NO质量分数云图。在SCR催化器内部，400 ℃时NO的质量分数分布明显比300 ℃和500 ℃时均匀，说明在此温度下尾气与NH3的混合效果较好。由于靠近SCR催化器壁面的气体对外界散热较大，温度在主流区较高，而在边缘区较低，导致出口位置处NO的质量分数呈中心主流区低而边缘高的特点。在400 ℃时出口位置处NO的分布较均匀，说明在此温度下NO与NH3的反应较充分，转化效率更高。图7为NOx转化效率的变化曲线和出口位置处NOx的加权质量分数。综上，旋流混合器温度为400 ℃时，不仅尿素热分解生成NH3的浓度较大且分布均匀，而且NOx的转化效率较其他温度有显著提高。

(a)

(a)

图7 NOx出口位置处质量分数和转化效率Figure 7. Mass fraction and conversion efficiency at the outlet of NOx

图8为保持其他参数不变，以不同尿素溶液注入流量(0.25 g·s-1、0.50 g·s-1、0.75 g·s-1、1.25 g·s-1)时NOx转化效率的变化曲线。由图可知，在本文所选的SCR催化器中，随着尿素溶液注入流量的增加，NOx转化效率不断提升，但注入流量在超过0.75 g·s-1后，NOx转化效率增长减慢。因此，尿素溶液注入流量太小，会导致生成NH3较少，NOx转化效率太低；注入流量太大，不仅对提升NOx转化效率不明显，还会造成资源浪费和环境污染。

图8 不同尿素溶液注入流量时NOx的转化率Figure 8. Conversion rates of NOx at different urea solution injection rates

4 结束语

本文通过模拟SCR催化器内部催化还原反应，对比分析了旋流混合器的温度以及尿素注入流量对NOx转化效率的影响，得出以下结论：(1)旋流混合器温度为400 ℃时能够有效提高反应腔入口前横截面上NH3浓度及分布均匀性，NH3速度均匀性系数受旋流混合器温度变化影响较小；(2)在SCR催化器出口截面的NO质量分数分布呈现中心低边缘高的规律，旋流混合器的温度会影响NH3的分布和催化器内部化学反应速率，进而影响NOx的转化率；(3)随着尿素注入流量不断增加，低于0.75 g·s-1前，NOx转化效率增长较快；超过0.75 g·s-1后，NOx转化效率增长减慢。通过上述数值模拟结果分析可知，选择合适的尿素注入流量以及合适的比热容材料制造旋流混合器，将其温度控制在400 ℃附近，对提升SCR催化器的性能至关重要。