SCR系统混合器与喷雾参数的数值模拟研究

摘 要：为了进一步提高SCR系统的脱硝性能，首先，利用UG软件建立SCR系统的三维模拟模型，将其导入计算流体动力学（computational fluid dynamics， CFD）软件中进行数值模拟仿真分析；然后，通过将仿真结果与试验数据进行比较，验证模拟模型的准确性和可靠性；最后，通过改变混合器的数量及其前后位置，以及调整喷射结构参数，研究这些因素对氨气均匀性的影响，进而分析了他们对SCR系统性能的影响。研究结果表明：喷射位置应设置在距离催化反应器进口处5D～7D（D表示管道直径）的地方；喷射孔的最佳数量为8个；喷射锥角为40°最为合适。此外，研究还发现，混合器的数量及其位置的变化能够显著提高尿素喷射雾化的效果，但同时也会增加SCR系统中的压力损失。因此，在提高喷射雾化效果的同时，必须考虑到压力损失的影响。本文的研究结果可以为SCR系统的尿素喷射参数优化提供理论参考和借鉴。

关键词：SCR系统；压力损失；均匀性；流体仿真

中图分类号：TK423.84 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.04.001

0 引言

随着科学技术的飞速发展，机械工业领域也得到迅速发展[1]。然而，工业化发展速度过快，发动机被广泛使用，使得能源的消耗不断上升，环境遭受严重污染，严重影响人们的身体健康[2]。节能减排势在必行，这也是未来发动机市场向低能耗、低排放、高效率的方向发展的趋势[3]。燃料在发动机内燃烧后的污染物气体主要包括氮氧化物（NOx）、碳氧化物、PM颗粒物[4]。此外，尾气污染物中还含有少量硫氧化物、硫氢化物等[5]。NOx和PM颗粒物是污染物气体中的主要成分，它们给人类健康、生活环境和生态系统带来巨大的危害[6]，如破坏臭氧层、全球变暖、酸雨等[7]。因此，降低NOx和PM颗粒物含量对控制柴油机尾气污染物的排放具有重大意义。

目前，污染物的排放问题受到广泛关注[8]，各国政府以及环保部门都出台了相应的排放法律法规[9]。中国也将全面落实国家的排放法规标准，力争达到低排放、低能耗的标准[10]。《机动车污染物防治年报》指出柴油车排放出的污染物占很大一部分，其中NOx排放含量最高。因此，降低NOx排放将是科研人员的一大挑战，也是污染物减排工程任务的重要内容之一。选择性催化还原（selective catalytic reduction， SCR）技术因其经济性好、对柴油发动机性能影响较小、NOx转化率高、对硫不敏感等优点，被认为是一种有效的排放控制技术[11]。

国内外针对SCR系统的技术研究相对比较成熟。为了更快、更有效、更经济地进行研究，大部分人采用仿真的方法，许多SCR技术的仿真研究主要集中在改变SCR系统的内部结构和催化剂的催化效率方面。此外，还有些研究人员专注于研究SCR系统混合器的结构、尿素液滴的蒸发速率、以及热分解等反应机理，以提高脱硝效率。Zhang等[12]分析和验证了传统和新设计的混合器结构在低温下的混合均匀性和结晶性能，主要通过改变混合器的结构形状，检测其对下游管道的速度均匀性、NH3均匀性分布、壁面温度等性能指标的影响，间接地研究SCR系统的脱硝效率。Tan等[13]在SCR系统中建立2个混合器模型，分析其与单个混合器相比对氨气均匀性影响的效果。Birkhold等[14]研究了不同进入气体的温度对尿素液滴的蒸发速率和热分解速率的影响，间接地研究进气温度对SCR系统性能的影响。Strom等[15]研究了不同湍流流速对发动机尾气中液滴运动和分布的影响，结果表明，湍动能越大对SCR系统中下游氨气的均匀性越好，使得混合气体与氨气混合地更加均匀。

综上所述，目前大都在研究SCR系统的催化反应器和混合器的结构以及催化剂，很少考虑SCR系统前段尿素喷雾参数以及混合器的数量及位置分布对SCR系统中反应性能的影响。喷雾形状和液滴粒径分布对尿素水溶液的喷雾蒸发和分解以及喷雾撞击壁面有很大影响。在相同条件下，液滴尺寸越小，喷雾蒸发分解速度越快。为了评价尿素喷射系统喷射后氨气雾化的质量，需要比较喷射孔与SCR反应器前段的距离、喷射锥角、喷嘴数量和混合器的数量与位置的分布等。影响尿素喷雾雾化质量的因素包括喷射点和进入催化反应器间的距离、喷射位置和喷嘴方向、孔数和孔径以及混合器的数量与位置的分布等。本文通过模拟仿真，验证模拟模型的可靠性，进而通过该模型研究SCR系统中喷雾参数和混合器对氨气的喷射雾化效果的影响。

1 SCR催化器数值模型及验证

SCR系统中发生的反应复杂，反应过程包括尿素溶液的蒸发、热解、雾化、氨气与尾气混合后发生的催化反应等。尿素喷射雾化的效果会影响氨气与NOx的充分接触，从而影响SCR系统的脱硝性能。本文仅考虑SCR系统中尿素喷射雾化效果，不考虑催化反应段。计算流体动力学（computational fluid dynamics， CFD）仿真过程涉及SCR系统数学模型，包括多孔介质、能量方程、组分输运模型等[13]。

1.1 SCR结构系统的组成

SCR结构系统组成如图1所示。SCR系统的主体由SCR反应器、尿素喷射模块等组成。排放出的尾气流经SCR反应器前段的过程中，氨气与入口处进入的尾气进行充分的混合，随之尾气的气流进入催化反应器中，然后在催化剂的作用下发生催化反应，与催化剂接触时间越长，反应越充分。反应时间与尾气气流的速度有很大关系。流速越慢，尿素液滴蒸发热解的越充分，氨气与尾气混合的越均匀。

1.2 尿素喷雾模型

本文采用离散相位模型来描述尿素通过喷嘴注入管道的喷雾过程，用泰勒类比分解模型计算喷射液滴的分解。该模型基于弹性力学理论来计算液滴的破碎。其中韦伯数是无量纲数的力（F）将液滴惯性等同作用于液滴上的力，如式（1）所示[16]，

[duddt=FD（u-ud）+g（ρd-ρ）ρd+F，] （1）

式中：ud是液滴的速度；u是流体的速度；g是重力；ρ和ρd分别是流体和液滴的密度；FD是阻力，如下式描述，

[FD=18μρdd2dCDRe24，] （2）

[Re=ρddρd-ρμ，] （3）

式中：μ是流体的动态黏度；dd是液滴直径；CD是阻力系数；Re是相对雷诺数。

SCR内部的催化反应分别受催化剂、尾气的温度和浓度等限制。本文重点研究尿素喷射雾化对氨气的均匀性的影响，因此，选择尿素作为喷雾水溶液，主要考虑尿素的蒸发、热解、水解，SCR尿素喷射雾化发生的反应如下所示，

尿素蒸发反应：

（NH2）2CO[△]（NH2）2CO[↓]+H2O[↑]; （4）

尿素热解反应：

（NH2）2CO[△]NH3[↑]+HNCO[↑]; （5）

尿素水解反应：

HNCO+H2O[△]NH3[↑]+CO2[↑]. （6）

1.3 多孔介质模型

在工程应用上，SCR系统中的催化反应器段一般采用蜂窝状的催化体系结构。本文建立的SCR系统模型，在模拟仿真的过程中，催化反应段采用多孔介质模型代替蜂窝催化体系结构。多孔介质模型中的动量源项如式（7）所示，分别由黏性阻力损失项和惯性阻力损失项组成[17]：

[Si=j=13Dijμνj+j=13Cij12ρνjνj，] （7）

式中：[Si]是i向（x、y或z）动量源项；[Dij]、[Cij]分别是规定矩阵[D]、[C]中的元素；[νj]是速度；j为速度方向分量的个数。

在通过多孔介质的层流中，压力损失（[Δp]）与速度的关系如下，

[Δp=-μβν，] （8）

式中：[β]是渗透性指数。

1.4 喷雾质量评价方法

流场中流速的不均匀在载体中心会产生较高的速度波动和温度的变化，如果催化剂载体径向温度变化过大，会产生较大的热应力。氨的不均匀性会使区域内部出现氨气过量或不足，严重影响SCR系统的性能。为了研究混合器结构以及喷雾参数对SCR系统中的流动特性和氨气分布的影响，本文选用氨气的均匀性来评价喷雾质量的好坏，氨气均匀性系数定义为

[γ=1-12ai=1abi-bb，] （9）

式中：[a]为截面的网格数；[bi]为截面网格上的速度；[b]是整个截面上的平均速度；[i]是整个截面上参数的平均分布。

尾气流经混合器、进入催化剂通道后，进行催化反应，在这一段过程中必须避免整个SCR系统的压力损失过大，影响发动机的功率。从这个角度来看，混合器的设计应该在一定范围内加强流场的扰动，减少混合器带来的压力损失（[Δp]），[Δp]可以描述如下，

[Δp=pin-pout，] （10）

式中：[pin]表示入口段内的平均压力；[pout]表示出口段内的平均压力。

1.5 物理模型的建立

SCR系统的三维物理模型如图2所示。SCR系统由5部分组成：入口段、扩展段、催化反应段、收缩段和出口段。催化剂载体区域设置为多孔介质，其表面涂覆有催化剂。当气体流过催化剂载体时，发生催化还原反应。SCR系统模型的尺寸参数如表1所示。

1.6 验证模型

为了分析本研究所采用的数值模型的可行性，本文采用模拟仿真结果与试验结果来对比验证模型的可靠性。假设初始温度稳定且均匀，SCR系统壁面采用的材料定义为铝，催化反应器出口的边界条件为压力出口，与大气压力相同，入口进气参数如表2所示。

通过数值模拟仿真结果分析，引入Kim等[18]对尿素分解速率的试验数据进行对比，并通过调整模型中的参数，使得模拟的结果与试验结果误差在允许的范围内。在不同入口尾气温度下，试验中氨与模拟氨的转化效率对比如图3所示。模拟过程中时间步长设置为0.01 s，每个时间步长的迭代次数为500次。混合器在模型中被指定为没有厚度的平板，不考虑混合器壁上的传热。从图3中可以看出，氨的转化效率随液滴停留时间的增加而增加，计算结果与试验结果吻合较好，本文使用的数值模型可靠性好。

2 结果和讨论

为了研究尿素喷雾参数和混合器结构对氨气的均匀性的影响，本文研究了喷嘴与催化反应器之间的距离、喷嘴的数量、喷射锥角、以及混合器数量及位置对尿素喷雾的影响，从而间接地判断它们对SCR系统脱硝效率的影响。

2.1 喷嘴与催化反应器前段间的距离对尿素喷雾的影响

尿素的蒸发和热解需要一定的时间，从喷射孔口到催化反应器入口段的距离被认为是液滴的停留时间。该停留时间直接影响喷射出的尿素溶液在这过程中发生的蒸发和热解，进而影响氨气的均匀性分布。尿素停留时间越长，尿素水溶液喷雾出的氨气与尾气的混合时间越长，更有利于尿素的蒸发和热解反应。停留时间主要由喷嘴到反应器之间的距离决定。本文用L代表这段的总长度，D代表入口、出口段管道直径。分别对3D、5D和7D的距离进行了仿真分析。图4展示出喷射出的尿素热解后的氨气分布云图。

从图中可以看出喷雾距离越长，液滴停留时间越长，液滴的雾化和效果越好，蒸发热解速率越高。但是，当距离增加到一定程度时，效果就缩小。从图4可以看出，当距离L为3D时，从云图中间部分的分布可知，产生的氨气量较少，很多尿素还没来得及蒸发热解，就逃离了SCR反应器，这也说明喷嘴到SCR催化反应器入口的距离也需要加强；当距离L为5D时，氨气产生的量明显增加；当距离L为7D时，氨气的产生量还在增加，但与5D相比变化不是很大，与3D相比变化很大。7D是最佳喷射距离，但为了能够节约SCR系统占据的空间位置，可选择喷射距离为5D。合适的喷射距离能够改善尿素颗粒的分布均匀性和尿素溶液的蒸发、热解以及缩小SCR系统空间位置分布。因此，结合工程及空间布局，L的长度设置在5D～7D范围内较合理。

2.2 喷嘴数量的影响

尿素的喷射角度影响喷淋效果、壁面撞击和颗粒壁相互作用、飞溅和回弹等方面。尿素蒸发后，尿素颗粒可能会粘附或扩散到壁面上[19]。为了探究喷嘴数量对喷雾雾化的影响，在不考虑混合器影响的情况下，模拟10种不同喷嘴孔数的情况，喷射方向与尾气进入的方向一致。注射压力和注射量保持不变。理论上，在一定的注射压力条件下，喷嘴孔的数量越多，喷嘴处的质量流量就越大[20]。图5所示为氨气均匀性系数在不同喷嘴数量下的变化图。

理论上喷嘴喷淋范围越广，氨气的分布均匀性越好，但考虑到喷嘴孔数量过多，喷嘴喷射出的尿素会产生相对的干扰，多组喷射出的液滴交叉到一起，会有液滴凝结现象，进而影响尿素蒸发速率。由图5可知，随着孔数的增加，氨气的均匀性逐渐变好，然而，孔数从8继续再增加后，氨气均匀性系数逐渐下降，结果表明，喷嘴孔的数量设置为8时，氨气均匀性系数是最好的。

2.3 喷射锥角的影响

本文设置了9种案例来研究喷射锥角对尿素喷射雾化的影响，喷射锥角分别设置为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°。喷射过程中喷射位置设置在SCR系统进气口段的上壁面。由图6可知，当喷射锥角由10°增大到40°时，氨气的均匀性系数逐渐增大，在喷射锥角为40°时达到最大值（0.942），因为随着喷射锥角度数的增加，尿素溶液在管道中更加分散，有利于尿素分解为氨气；随着喷射锥角的持续增加，氨气的均匀性系数逐渐下降，喷射锥角为60°时，氨气的均匀性系数最小（0.852），原因为随着喷射锥角的增大，使得尿素溶液接触到壁面，降低了尿素的分解速率；当喷射锥角进一步增大时，氨气的均匀性系数呈现小幅度增加趋势，原因是喷射锥角增大，增加了尿素在管道中的停留时间，对尿素分解为氨气起到了促进作用。

2.4 混合器的数量及位置分布参数的研究分析

安装混合器可以提高尿素SCR系统的性能，促进尿素溶液的蒸发和分解雾化，从而提高NOx的转化效率。氨气的不均匀性严重时会直接堵塞排气管，影响发动机的性能。Park等[21]研究发现混合器叶片可以提高混合器的性能，并且证明叶片的结构可以提高流动均匀性。使用混合器势必会增加压力损失，压力损失会直接影响发动机的性能，较大的压力损失会使尾气回流增加，加大发动机功率的损失。所以在研究添加混合器时必须考虑压力损失。本节将继续研究混合器的数量及位置分布参数对尿素喷射雾化的影响。

2.4.1 混合器模型参数以及位置的设置

混合器由8个倾斜叶片组成，每个叶片的倾斜角为45°，形状为矩形（长31 mm、宽10 mm）[22]。对于带有一个混合器的系统，混合器位于尾气入口下游240 mm处。对于带有2个混合器的系统，第1个混合器位于尾气进口下游80 mm处，第2个混合器位于尾气进口下游240 mm处，如图7所示。

2.4.2 模拟案例的设置

喷嘴放置在SCR系统进口段部分管道的中心区域，在SCR系统中本文设置了4个案例，分别采用0个混合器、1个混合器（改变混合器在喷嘴的前后位置）、2个混合器来研究混合器对尿素喷射雾化的影响。设置的案例如表3所示。

2.4.3 数值模拟案例的仿真分析

由图8可知，有混合器的案例的氨气质量浓度优于无混合器案例的氨气质量浓度。安装合适的混合器有助于改善SCR系统中氨气的均匀分布以及尿素的分解，提高高温尾气和氨气充分混合，促使双混合器案例中的氨气质量浓度分布比使用单个混合器案例中氨气的分布更均匀。从分析结果可知，使用混合器可以促进喷雾颗粒的破碎以及尿素的分解。

图9显示混合器的使用会有一定的压力损失，增加了整个流场的涡流强度，入口压力也相应增加。双混合器的入口压力变为115 Pa，平均入口压力增加53 Pa。单个混合器的入口压力为83 Pa，平均入口压力增加20 Pa。因此，在使用混合器时必须考虑压力损失的影响。混合器的使用可防止大液滴聚集在管道中以及壁面区域，增加了管道中湍流的强度，从而导致更高的液滴蒸发率。将混合器布置在进口前段的多个位置上，得到的仿真实验结果如图10所示，发现混合器的使用增加了整个流场的速度，混合器使用在前段流场的速度变化大于后段流场速度变化，这是由于入口效应造成的[23]。总体而言，混合器的应用提供了更高的混合性能和更高的液滴蒸发率，液滴在系统中停留时间的增加，提高了湍流强度。

3 总结

随着能源危机和环境问题的发展，有效减少NOx的排放，提高SCR系统的性能，是目前SCR系统优化的重点。为了提高尿素的分解，减少氨的泄漏，使氨气与尾气混合更充分，设计了一种更好的SCR系统，研究了影响氨气均匀性的一些参数，得出如下结论：

1）从喷嘴到催化反应器入口的距离L越大，尿素水溶液的蒸发和热解越彻底，残余液滴的质量越小，氨气和尾气的混合越均匀。考虑实际的空间位置分布，最佳喷射距离可以设置在距离催化反应器进口处5D～7D的地方。

2）仿真结果分析表明，随着孔数的增加，氨气的均匀性逐渐增加，当孔数从8个继续增加时，氨气均匀性系数逐渐下降，使用8个孔时，氨气的均匀性最好。

3）当喷嘴的锥角为40°时，氨气的均匀性最好，此时氨气的均匀性可达0.942。

4）安装合适的混合器有助于改善氨气的均匀分布，提高尿素SCR系统的性能，促进高温尾气与氨气的充分接触，提高NOx的转化率。但混合器的使用还需要考虑压力损失，压力损失过大将直接影响发动机的性能。

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Numerical simulation of mixer and spray parameters in SCR system

XU Hongxiang1， XU Deheng*1， XIAO Shuiqing1， XU Song2， LIANG Haiming3

（1. School of Artificial Intelligence， Jiangxi University of Science and Technology， Nanchang 330098， China;

2. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China; 3. School of Automotive Engineering， Guangxi Vocational and Technical College of Transportation， Nanning 450100， China）

Abstract： In order to further improve the de-NOx performance of the SCR system， this paper first establishes a three-dimensional simulation model of the SCR system using UG software， and then imports it into computational fluid dynamics（CFD）for numerical simulation analysis. Secondly， we verify the accuracy and reliability of the simulation model by comparing the simulation results with the experimental simulation results. Finally， by changing the number of mixers， the position changes before and after the mixers， and the injection structure parameters， the impact of these parameters on the uniformity of ammonia gas is studied， in order to determine the impact analysis on the performance of the SCR system. The research results show that the injection position should be set at a distance of 5～7 times the pipe diameter from the inlet of the catalytic reactor， the optimal number of injection holes is 8， and the optimal injection cone angle is 40°. In addition， the research has found that the number and position of mixers can improve the effectiveness of urea spray atomization， but have a significant effect on pressure drop in the SCR system. When improving the effectiveness of spray atomization， the effect of pressure drop needs to be considered. The research can effectively promote the optimization of urea injection parameters in future SCR systems and provide theoretical references.

Keywords： SCR system; pressure drop; uniformity; fluid simulation

（责任编辑：于艳霞）

收稿日期：2024-03-30；修回日期：2024-04-22

基金项目：江西科技学院校级自然科学项目（232ZRYB03）；广西交通运输行业重点科技项目（JZY2020KZD04）资助

第一作者：许红祥，硕士，助教，研究方向：柴油机尾气后处理、新能源与节能减排技术，E-mail：1419809016@qq.com

*通信作者：许德衡，硕士，助教，研究方向：汽车空气动力学、节能减排新技术，E-mail：dhengxu@outlook.com