低排温条件下混合器本体温度对尿素雾化效果的影响

杜慧勇,尤子豪,李 可,李 民,杨自冬,任思铭

(1.河南科技大学 车辆与交通工程学院,河南 洛阳 471003;2.固安迪诺斯环保设备制造有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

尿素选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)技术可以在保持柴油机动力性和经济性的同时,有效地降低NOX的排放问题。随着排放法规的日趋严格,更高NOX转化效率的SCR系统成为发展的主流,而NH3的分布均匀性是影响NOX转化效率的最主要因素。在SCR系统中,混合器是提高NH3分布均匀性和尿素液滴蒸发分解效率的重要装置[1]。

混合器一方面通过产生涡流和湍流来促进NH3和尾气的混合,另一方面通过提高尿素液滴蒸发速率和促进液滴二次破碎来改善尿素溶液的雾化效果[2]。国内外在混合器对SCR系统的的影响方面做了大量的研究:文献[3]通过数值模拟的方法,模拟了混合器对温度场、浓度场和壁膜的影响。文献[4]运用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)对SCR系统内的反应进行仿真计算,发现混合器能够有效改善SCR内NH3分布均匀性及NOX转化效率。文献[5]通过建立SCR系统数学模型,发现当混合器安装于喷嘴下游100～200 mm处,能明显提高SCR系统对NOX的转化效率。文献[6]通过CFD的模拟分析,发现混合器叶片角度对SCR性能有重大影响。文献[7-8]提出了2种新型的混合器结构,结果表明2种新型的混合器结构都可以改善尿素的雾化效果和NH3的均匀性分布。文献[9]通过混合器类型和分解管长度的不同组合,来研究SCR系统上还原剂分布与NOX还原性能之间的关系。文献[10]通过实验数据验证添加混合器和导流器可以促进还原剂与尾气更好地混合。文献[11-12]对混合器的结构进行了优化,结果表明优化后的混合器可以减少液膜的形成,提高NH3的均匀性分布,并且降低尿素结晶的风险。文献[13]通过台架实验,得到混合器位置对流线有巨大影响。文献[14-15]在传统的混合器基础上设计了新型混合器,结果表明新型混合器可有效降低结晶风险,同时确保了还原剂的更高分布。文献[16]通过对比分析了不同的混合器与湍流强度对SCR内液膜和沉积物的影响。文献[17-18]运用模拟计算的方法,证明叶片式混合器在改善还原剂均匀性和减少压力损失方面优于挡板式混合器。文献[19]在计算模型验证的基础上,选取不同的进口挡板和导流板几何参数设计正交试验,得到不同结构参数对混合器内湍动特性和混合系统背压的影响。文献[20]采用涡流式混合器和附加混合室等混合单元,以提高船用尿素SCR 系统中低压降的流动混合性能。文献[21]发现把混合器放置在远离催化剂层的位置,可以增强NH3混合和流速的均匀性。

综上所述,国内外对于SCR系统中混合器的研究多集中在混合器的结构、混合器的位置、混合器的类型等因素对尿素雾化效果和NOX转化效率的影响,还有一些研究是对混合器进行优化设计,而在混合器本体温度对柴油机低排温条件下SCR系统中尿素雾化效果方面的相关研究相对较少。本文通过模拟仿真的方法研究在发动机低排温条件下时,不同温度的混合器对混合器上液膜分布情况、催化器前端NH3均匀性系数的影响,最终选择合适的混合器本体温度,提高低排温条件下尿素的雾化效果与NH3均匀性系数。

1 SCR系统的建模

1.1 SCR系统介绍

尿素水溶液的雾化效果是影响NOX转化效率的主要因素。尤其是在低排温(200 ℃)条件下,尿素水溶液喷射后会在壁面形成液膜,产生沉积物,从而影响发动机的性能。在排气管中加装混合器可以产生气流扰动,有效地促进尿素水溶液的雾化效果,提高NH3在SCR内分布的均匀度,从而提高SCR系统的转化效率。此外,合适的温度可优化尿素水溶液的雾化效果。因此,本文选取与实验相近的柴油机低排温条件进行模拟分析,在云内4102柴油机1 200 r·min-1,20%负荷条件下,设计并选取混合器,探究混合器本体温度对壁面液膜和NH3分布均匀性的影响,以获得SCR系统高效的工作效率。

1.2 SCR系统的几何模型

本文采用直管,建立非气助式SCR模型,如图1所示。排气管管径为D=97 mm,喷射点距离催化剂前端距离为402 mm,所用喷嘴为单孔喷嘴,尿素水溶液喷射角度为30°,催化反应器管径为200 mm,长度为270 mm。

图1 SCR系统示意图

1.3 网格无关性验证

网格的数量会影响计算结果的精确性和可行性。一般情况下,网格数量越多,其计算结果会更准确。但是,网格数量太多,不仅会导致计算缓慢,还会占据大量计算的内存,增加计算机的计算成本。所以,需要对网格进行无关性验证,来同时兼顾计算的精确性和成本。在SCR系统中,NH3的均匀性对NOX转化效率具有重要影响。本文以催化器入口截面处NH3的均匀性为研究对象,对SCR系统的网格进行无关性验证。

图2是尿素水溶液在入射角30°和喷射压力0.9 MPa条件下,不同网格数量对应入口截面处NH3的分布均匀性。从图2中可以看出:随着网格数量越来越多,计算的结果也越来越精确,但当网格数量大于80万时,NH3的均匀性系数变化较小。所以,考虑到计算结果的精确性与计算机成本、计算时间等因素,本文最终选择网格数量为80万进行模拟计算。SCR系统网格划分如图3所示,网格最小尺寸为1 mm,网格最大尺寸为5 mm,网格总数量约为80万。同时,对SCR模型模拟计算时,加入了湍流模型,多孔介质模型,组分输运模型,液滴的破碎、汇聚、蒸发等模型。

图2 网格无关性验证图

1.4 SCR系统的边界条件

本文以云内4102柴油机为样机,为模拟计算提供可靠参数,柴油机主要参数如表1所示,柴油机尾气成分如表2所示。

表1 柴油机参数

表2 柴油机尾气成分

表3 边界条件

2 SCR系统中混合器的选择

2.1 混合器的设计

在SCR系统中,混合器是排气管中的重要装置,在SCR中安装混合器可以促进尿素的雾化效果,提高NH3分布均匀性。但安装混合器也会导致排气背压的升高,从而进一步影响发动机的工作性能,所以优化混合器结构的同时,还要考虑压强的变化。考虑到加热结构的布置、制作工艺的难易程度以及成本等因素,本文设计了如下2种混合器。

(Ⅰ)叶片式混合器

叶片混合器主要由3个扭转的叶片与1个空心圆柱构成,扭转的叶片可以使尾气形成旋流,更好地促进了尾气与尿素喷雾的混合,提高SCR的转化效率。同时,空心的小圆柱还可以降低背压,使其保持较好的经济性与动力性。叶片混合器的结构布置如图4所示。对SCR系统进行网格划分,对尿素水溶液喷射入口与混合器进行局部加密,如图5所示。

图4 叶片混合器的结构布置图

(Ⅱ)格栅式混合器

格栅式混合器的主要结构是叶片不同方向的排列,通过翅片不同方向形成较大的气流扰动,促进尿素水溶液的雾化和NH3分布的均匀性。格栅混合器的结构布置如图6所示,其加密方式与叶片式混合器一样。格栅混合器的网格划分如图7所示。

图6 格栅混合器的结构布置图

2.2 对排气背压分析

在后处理SCR系统中,排气管内压力损失是影响发动机性能的重要因素之一。压力损失直接影响发动机的性能与经济性。当排气管内压力损失过大时,会导致发动机排气背压的升高,进一步导致发动机性能的下降,同时压力损失的增加还会增加残余废气量,降低充气系数,进而影响燃料燃烧的充分性,影响发动机的经济性。

图8为两种类型混合器的压力云图。图8中,上方是叶片式混合器,压力损失为3.2 kPa,下方是格栅式混合器,压力损失为2.8 kPa,在排气管中叶片混合器的压力损失比格栅式混合器大0.4 kPa。这种现象主要是因为当气流经过叶片混合器的中心圆柱时,流通截面积急剧减小,导致气流速度增加,所以叶片式混合器的压力损失比格栅式混合器的大。

图8 叶片式混合器与格栅式混合器压力对比

2.3 对流线的分析

排气管中流线的分布是评价湍流效果的重要指标,图9是2种混合器X-Y截面的流线分布图。从图9中可以看出:气流经过混合器后都产生了明显的气流扰动。当气流经过叶片混合器(左)时,气流的速度有明显提升,这样可以加速尿素液滴的破碎程度,促进液滴的雾化效果。同时,通过气流经过2种混合器流线的对比发现:格栅式混合器(右)对气流产生的扰动更加剧烈,湍流效果也更为显著,由于其上下倾斜的几何结构,使得流线在中心区域上下波动,降低了液滴接触壁面的可能性,进一步降低了排气管中尿素结晶的可能性。

(a) 叶片式混合器的流线图 (b) 格栅式混合器的流线图

2.4 两种混合器壁面液膜对比

图10为2种混合器上液膜分布,从图10中可以看出:在叶片式混合器上液膜主要集中分布在叶片弯曲处。这是由于叶片的曲面结构导致尿素水溶液附着在叶片弯曲处,弯曲的地方不容易雾化,因此在叶片弯曲处形成了少量液膜。而格栅式混合器的液膜主要分布在混合器的中下方叶片与支架上,这是由于尿素水溶液在气流作用下导致部分液滴不容易通过格栅式混合器的中下方,在重力作用下液滴在格栅式混合器中下方聚集,形成液膜。但从2种混合器的对比可以看出:格栅式混合器上液膜的区域和厚度明显比叶片式混合器小,格栅式混合器上液膜的区域和厚度得到改善。在排温较低的情况下,格栅式混合器与叶片式混合器相比,有明显的优势,这会大大降低排气管内尿素结晶的风险。

(a) 叶片式混合器液膜分布图 (b) 格栅式混合器液膜分布图

综上所述,通过对比2种混合器的压降、流线分布与2种混合器上液膜分布情况,可以看出格栅式混合器具有明显优势。所以,本文后续研究的混合器本体温度对SCR系统的影响都是以格栅式混合器为例。

3 结果分析

3.1 混合器本体温度对液膜的影响

尿素水溶液进入排气管内会经历液滴破碎、蒸发、热解等一系列的物理化学反应。而由于排气管内结构、温度等诸多因素的影响,导致小部分尿素水溶液雾化效果差,未能完全分解,积累在排气管及混合器上形成液膜,最终导致了尿素结晶的产生。而尿素结晶的形成会导致NH3生成量的减少,降低了NOX转化效率。

图11是不同温度的格栅式混合器液膜分布图。从图11中可以看出:在常温条件下的混合器液膜集中分在中下方的支架上或翅片上,这是因为此时混合器本体温度较低,尿素水溶液不能很好地蒸发,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。当混合器本体温度上升到100 ℃时,混合器上液膜的区域相较之前明显减少,这是因为混合器本体温度的升高,促进了混合器上尿素水溶液的蒸发,进而减少了附着在混合器上的尿素液滴。当混合器本体温度为150 ℃时,混合器上的液膜区域基本消失。当混合器温度为200 ℃时,混合器上已无明显的液膜区域。综上所述,混合器本体温度对混合器上液膜的形成有重要影响,随着混合器本体温度的升高,混合器上液膜区域逐渐减少直至没有明显液膜区域。

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

3.2 混合器本体温度对氨分布的影响

在SCR系统中,催化器前端NH3分布均匀性是影响SCR性能的重要因素之一。NH3在排气管内分布均匀性越好,才能与尾气接触更充分,增加NOX的转化效率。NH3分布均匀性又与尿素水溶液的雾化效果密切相关,而加装混合器不但可以促进尿素水溶液的雾化效果,还可以增加尿素水溶液与尾气的充分接触,进而提高催化器前端NH3分布均匀性。

目前,一般使用催化器前端NH3的均匀性系数来评价NH3分布的均匀性,催化器入口截面上的NH3分布多采用均匀性系数γ进行评价,γ值越接近1,则NH3分布均匀性越好。均匀性系数定义为:

图12是常温下(20 ℃)有无安装混合器催化器前端NH3分布均匀性的对比。不安装混合器NH3分布均匀性系数为0.213,安装格栅式混合器后NH3分布均匀性系数为0.419。从图12中可以明显看出:在安装格栅式混合器后催化器前端NH3的分布均匀性明显上升。这是因为格栅式混合器上下翅片的结构方式,对气流产生了一定的扰动效果,有效促进了尾气与尿素水溶液的接触,改善了尿素水溶液的雾化效果。所以,加装混合器可以提高催化器前端NH3的分布均匀性。

(a) 无混合器 (b) 有混合器

图13是在不同温度的混合器下催化器前端NH3分布图。从图13中可以看出:混合器本体温度为100 ℃时,NH3的浓度相较于常温(20 ℃)明显上升,NH3分布均匀性也随之增加,因为在低温(200 ℃)排气下,随着混合器本体温度的升高,接触到混合器的尿素水溶液的雾化效果得到了提升。当混合器本体温度上升到150 ℃时,在催化器截面处的NH3浓度相较于100 ℃又有了明显提高,NH3的分布均匀性效果在增加。但截面下方局部区域NH3的浓度较高,这是由于重力作用下在混合器上残留的尿素水溶液汇聚在混合器下方,随着混合器本体温度的升高,聚集在混合器下方的尿素水溶液开始分解,最终造成局部NH3的浓度升高。当混合器本体温度达到200 ℃,NH3的浓度和分布均匀性显著升高,这是由于混合器本体温度的升高,使尿素水溶液的雾化效果提升,且较高的混合器温度也加快了尿素水溶液的蒸发。格栅式混合器上下分列的叶片结构会使尿素水溶液在竖直方向的扰动更为剧烈,因此,尿素水溶液充分雾化后会使催化器前端上下区域NH3分布更均匀。

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

同时还得到不同温度的混合器下催化器前端的NH3分布均匀性系数,随着混合器本体温度的升高,催化器前端NH3的均匀性系数也随之增加。当混合器本体温度为常温(20 ℃)时,NH3的均匀性系数为0.419。当混合器本体温度为100 ℃时,NH3的均匀性系数为0.622,相比常温下均匀性系数增加了20.3%,这说明了混合器本体温度的升高可以改善尿素水溶液的雾化效果。当混合器本体温度提高到150 ℃时,NH3的均匀性系数为0.794,相比100 ℃时均匀性系数上升了17.2%。随着混合器本体温度达到200 ℃,NH3的均匀性系数为0.891,相比之前又增加了9.7%,随着混合器本体温度的升高,混合器的均匀性系数增幅虽有所下降,但整体还是呈现上升趋势,且随着混合器本体温度的不断升高,NH3的均匀性系数越来越接近1。这说明混合器本体温度的升高可以极大改善尿素水溶液的雾化效果,从而使NH3的分布更加均匀。

4 结论

(1)总流通面积一定的情况下,格栅式混合器比叶片混合器降压小。而同样的条件下,格栅式混合器湍流效果更加显著,且液膜区域和厚度也比叶片式混合器小。

(2)随着混合器本体温度的不断升高,格栅式混合器的液膜区域明显减少。当混合器本体温度为50 ℃时,液膜区域集中分布在格栅式混合器的中下部叶片和支架上;当混合器本体温度达到200 ℃后,混合器中下方已无明显液膜区域。

(3)常温下不安装混合器时NH3均匀性系数为0.213,当安装格栅式混合器后NH3均匀性系数上升到0.419。当混合器本体温度为100 ℃时,NH3均匀性系数为0.622,当混合器本体温度为150 ℃时,NH3均匀性系数为0.794;当混合器本体温度为200 ℃时,NH3均匀性系数为0.891。因此,安装混合器可以有效改善催化器前端NH3的分布均匀性,且混合器本体温度的升高也可以改善尿素水溶液的雾化效果,从而提高NH3分布均匀性。