劉文坤， 張翠平， 王鵬， 田俊龍， 張莉娟

(太原理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院, 山西 太原 030024)

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緊湊型DOC-混合器-SCR后處理系統(tǒng)數(shù)值模擬

劉文坤， 張翠平， 王鵬， 田俊龍， 張莉娟

(太原理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院, 山西 太原 030024)

為提高SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率，提出緊湊型DOC-混合器-SCR后處理系統(tǒng)，建立了3種不同結(jié)構(gòu)的后處理模型。采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的方法，建立了柴油機(jī)SCR-NOx催化器三維數(shù)值模型，該模型包含尿素水溶液噴射、液滴蒸發(fā)和熱解、NOx催化還原化學(xué)反應(yīng)整個(gè)尾氣后處理過程，得到了緊湊型后處理系統(tǒng)的湍流動(dòng)能場(chǎng)、速度流場(chǎng)、濃度場(chǎng)的分布規(guī)律，并與傳統(tǒng)型后處理系統(tǒng)模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果對(duì)柴油機(jī)后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

選擇性催化還原； 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)； 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)； 數(shù)值模擬

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已經(jīng)無法滿足降低氮氧化物(NOx)排放要求，需要結(jié)合柴油機(jī)后處理技術(shù)來降低NOx排放。采用尿素(Urea)水溶液選擇性催化還原(Selected Catalytic Reduction，SCR)后處理技術(shù)來降低柴油機(jī)的NOx排放在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，Urea-SCR 技術(shù)也將是我國(guó)重型柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)第Ⅳ階段標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)路線[1]。

為了實(shí)現(xiàn)高的SCR系統(tǒng)效率，需要采用氧化催化(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)技術(shù)將部分NO轉(zhuǎn)換成NO2，為快速SCR反應(yīng)作準(zhǔn)備。在DOC下游尿素噴射器將尿素水溶液噴入廢氣中，在進(jìn)入SCR前，通過混合器作用加速蒸發(fā)并與廢氣混合。傳統(tǒng)的做法是將DOC模塊、尿素噴射器、混合器、SCR設(shè)計(jì)成獨(dú)立的單元，這樣后處理系統(tǒng)變得大而重，不利于在狹小的車身中布置安裝。本研究討論一種緊湊型后處理系統(tǒng)，將DOC模塊和SCR模塊耦合在一個(gè)緊密的單元里，減小體積又能滿足性能要求。

1 渦旋混合原理

渦旋氣流能夠有效提高尿素蒸發(fā)和混合的效率[2-3]，渦旋可使氣體產(chǎn)生大量的湍流能量。大體積的渦旋是一個(gè)單獨(dú)的大渦流，是大尺度湍流的一個(gè)類型。在渦旋氣流中，氣體的切向速度在中心點(diǎn)最低，到邊緣逐步上升。渦旋混合的例子見圖1，環(huán)形的DOC結(jié)構(gòu)位于出口管中間，在DOC出口面上布置混合器(直徑和DOC相當(dāng))。氣體經(jīng)混合器作用，掉轉(zhuǎn)180°，形成渦旋氣流，進(jìn)入DOC內(nèi)管。在氣體流動(dòng)轉(zhuǎn)向處，尿素噴射器將尿素噴入排氣中，尿素在渦旋氣流中蒸發(fā)和分解，然后流向SCR系統(tǒng)。

單個(gè)尿素微滴在渦旋氣流中的軌跡見圖2中1至5。尿素噴射壓力為0.5～1 MPa，因此每個(gè)單獨(dú)的微滴具有顯著的動(dòng)能(1)，這種較高的動(dòng)能使微滴相對(duì)于氣流獨(dú)立移動(dòng)(2)，有利于液滴表面的熱交換，使得液滴升溫速度快，一旦到達(dá)足夠溫度，液滴開始蒸發(fā)(3)，蒸氣會(huì)被周圍的氣流卷走而遠(yuǎn)離液滴表面(4)。一方面，由于蒸發(fā)和分解，液滴損失質(zhì)量；另一方面，液滴與氣流摩擦，液滴失去動(dòng)能(相對(duì)于氣體)。這兩個(gè)因素結(jié)合，導(dǎo)致液滴被氣流夾帶在一起(5)。

2 后處理模型

2.1 幾何模型

本研究建立3種不同結(jié)構(gòu)的后處理模型，其結(jié)構(gòu)示意與網(wǎng)格模型見圖3。3個(gè)模型SCR催化反應(yīng)器直徑與長(zhǎng)度均為250 mm和350 mm，催化器載體采用方形孔道蜂窩狀結(jié)構(gòu)，孔密度62目/cm2，壁厚為0.13 mm，催化劑涂層厚度為0.015 mm。采用 ICEMCFD 軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將模型導(dǎo)入到CFD軟件AVL Fire中進(jìn)行模型仿真。

2.2 計(jì)算模型

尿素溶液的噴霧模型采用離散液滴處理方法(DDM)，考慮液滴的蒸發(fā)和氣流之間的傳熱傳質(zhì)過程及液滴的二次破碎過程[4-5];液滴的二次破碎過程采用 Huh-Gosman 模型模擬，結(jié)合拉格朗日方法和歐拉方法來求解液滴運(yùn)動(dòng)軌跡。液滴的蒸發(fā)和氣液相之間的傳熱過程采用SCR-thermolysis模型。在噴霧時(shí)，考慮液滴的碰壁與并聚，碰壁模型為Kuhnke wruck模型，通過壁面?zhèn)鳠崮Ｐ蛠砟M其傳熱和汽化過程。湍流運(yùn)動(dòng)過程采用k-ε-f湍流模型。SCR催化器內(nèi)部流動(dòng)特性采用多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬，采用有限體積法離散方程，用SMPLE算法進(jìn)行迭代求解。壓力損失用Forchherimer模型計(jì)算：

該項(xiàng)包括黏性損失和慣性損失，式中：α為黏性損失系數(shù)；μ為動(dòng)力學(xué)黏度；ω為速度；ζ為慣性損失系數(shù)；ρ為流體密度。

尿素從噴入到催化劑之前進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)可以用下面的反應(yīng)方程式來描述。

熱解反應(yīng)：

水解反應(yīng)：

SCR催化器中NOx催化還原反應(yīng)機(jī)理由以下反應(yīng)式描述[6]。

標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)：

(1)

快速反應(yīng)：

(2)

在柴油機(jī)排放的氮氧化物中物質(zhì)的量之比n(NO)∶n(NO2)≈9∶1[7]，而式(2)的反應(yīng)優(yōu)先級(jí)高于式(1)，快速反應(yīng)速率約為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)的17倍[8]，因此在SCR催化轉(zhuǎn)換器上游安裝DOC，將部分NO氧化成NO2，提高快速反應(yīng)的比例。

2.3 邊界條件

選取柴油機(jī)轉(zhuǎn)速2 250r/min，全負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行分析，尾氣質(zhì)量流量為855kg/h，NOx的體積排放為1 192×10-6。初始溫度為尾氣排放溫度400 ℃。噴射的尿素為32.5% 的飽和尿素水溶液，按氨氮比為1∶1模擬，尿素水溶液質(zhì)量流量為3.6 kg/h。

入口邊界條件采用給定質(zhì)量流量和溫度的方式，特征長(zhǎng)度為進(jìn)口直徑的10%，湍動(dòng)能設(shè)定為進(jìn)口平均速度平方的5%。出口為靜壓邊界條件，出口壓力為0.1 MPa。尿素水溶液噴射為間歇周期噴射，選擇噴射周期為0.8 s進(jìn)行仿真，0.1 s開始噴射，噴射持續(xù)0.3 s。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1) 均勻性指數(shù)

催化器載體入口處的各項(xiàng)參數(shù)的均勻程度直接影響催化劑的催化轉(zhuǎn)化效率。均勻性指數(shù)r為[9]

2)NOx轉(zhuǎn)化效率

催化反應(yīng)前后的 NOx濃度變化值與催化前NOx濃度值之比稱為NOx轉(zhuǎn)化率：

式中：C(NOx)in為原機(jī)NOx排放；C(NOx)out為SCR系統(tǒng)處理后NOx排放。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 索特平均直徑

索特平均直徑(SMD)為液滴群總體積與總表面積之比。SMD愈小，汽化表面積愈大，汽化速度和混合速度愈大。在整個(gè)噴射周期內(nèi)，3種結(jié)構(gòu)后處理模型的SMD值分別為2.21E-05 m，1.86E-05 m ,2.05E-06 m。從圖4也可以看出，C型的SMD遠(yuǎn)小于A型和B型，相差一個(gè)量級(jí)，表明渦旋氣流對(duì)尿素的蒸發(fā)和混合有明顯作用。

3.2 擴(kuò)張管流場(chǎng)分析

對(duì)于正常非渦旋運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)張角要合適，過大的擴(kuò)張角會(huì)使氣流在擴(kuò)張管中脫離管壁，壁面出現(xiàn)分離流動(dòng)特性，而載體中心區(qū)域沒有擾動(dòng)，流體呈現(xiàn)環(huán)狀(見圖5中A型)。擴(kuò)張管壁面的分離是由于擴(kuò)張管入口處存在負(fù)壓，該負(fù)壓卷吸周圍的流體，并在催化器壁面處引起流體回流(見圖6a與圖6b)，流體回流形成漩渦使擴(kuò)張管壁與催化器入口接觸處湍流動(dòng)能明顯較大。流體回流一方面會(huì)造成氣流的局部壓力損失，另一方面也會(huì)影響噴入的尿素液滴及其熱解產(chǎn)物的流動(dòng)路徑，造成催化器載體前端氣體分布不均勻，降低催化器的轉(zhuǎn)化效率。而渦旋氣流運(yùn)動(dòng)由于氣流最高速度在管壁附近，擴(kuò)張管擴(kuò)張角較大也不會(huì)使氣流從管壁脫離，沒有流體回流現(xiàn)象，如圖5c所示，氣流從擴(kuò)張管管壁平穩(wěn)過渡到SCR系統(tǒng)。

3.3 液膜生成量

尿素溶液噴入排氣中，直徑較小的液滴會(huì)迅速蒸發(fā)，直徑大的液滴來不及蒸發(fā)熱解，會(huì)隨著排氣在管壁上沉積下來，容易形成液膜。此外，液滴噴射到管壁后，液滴蒸發(fā)吸熱，管壁本身向外傳熱，進(jìn)一步降低了壁面的溫度，當(dāng)壁面溫度降低到一定程度就造成液滴沉積。從圖5氣流在管內(nèi)的速度可以看出，C型結(jié)構(gòu)在管壁附近的氣流速度比在中心線附近的氣流速度大，這要?dú)w因于渦旋氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成了向心力，使得更高的氣流速度出現(xiàn)在管壁周圍，壁膜形成趨勢(shì)被抑制。從圖7可以看出，C型管壁上液膜生成量明顯較A型與B型少。

3.4 組分濃度分析

NH3濃度在催化劑載體入口的均勻程度對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率有顯著影響。一方面NH3局部過量會(huì)造成氨氣泄漏進(jìn)入空氣，污染環(huán)境；另一方面NH3不足會(huì)使局部NOx轉(zhuǎn)化效率低，影響整體轉(zhuǎn)化效率。圖8示出了3種結(jié)構(gòu)的NH3均勻性指數(shù)，可以看出A型和B型結(jié)構(gòu)NH3均勻性指數(shù)較低，分別只有0.69和0.76，出現(xiàn)這種狀況的原因是由于模擬采用四孔噴嘴，噴射方向與軸線夾角為45°，液滴分布呈柱狀，液滴撞壁現(xiàn)象比較嚴(yán)重。結(jié)合圖9和圖10中NH3和NO的空間濃度分布看出，NH3主要集中在內(nèi)壁周圍，中間與邊緣區(qū)域的濃度較低，使得該區(qū)域NO沒有完全轉(zhuǎn)化，大量未被還原的NO直接排出。而C型結(jié)構(gòu)NH3均勻性指數(shù)高達(dá)0.93，這是由于在混合器的作用下產(chǎn)生了渦旋氣流，使得擾動(dòng)加強(qiáng)，湍流動(dòng)能增加，促進(jìn)排氣與尿素液滴更充分地混合，尿素溶液的蒸發(fā)和熱解速率也更快，使得NH3均勻性明顯提高，相應(yīng)NOx的轉(zhuǎn)化也更加徹底。

3.5 NOx轉(zhuǎn)化率

圖11、圖12分別示出 NO與 NO2隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)化率分布?？梢?，C型結(jié)構(gòu)的NO轉(zhuǎn)化率在88%左右，NO2轉(zhuǎn)化率可達(dá)到99%。 A型和B型結(jié)構(gòu)的 NO轉(zhuǎn)化率均在56%左右，而A型的NO2轉(zhuǎn)化率為96.7%，比B型的NO2轉(zhuǎn)化率低1%。在整個(gè)噴射周期內(nèi)，A型和B型的NOx轉(zhuǎn)化率分別為73.64%和74.08%，而C型的NOx轉(zhuǎn)化率要比A型的高近18%。NOx轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了組分濃度分析的結(jié)論。

4 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

圖13示出SCR催化器空速為35 000 h-1，排氣溫度為260 ℃時(shí)，不同氨氮比下3個(gè)模型的NOx轉(zhuǎn)化率。試驗(yàn)時(shí)，模型B與C的結(jié)構(gòu)布置與前面描述的一致，而模型A的結(jié)構(gòu)布置將尿素噴射點(diǎn)從前面描述的管內(nèi)中心處移至接近管壁的一側(cè)。剛開始氨氮比低，隨著氨氮比逐漸增大，尿素水溶液噴射增多，NOx轉(zhuǎn)化率也不斷增大；當(dāng)氨氮比增大到一定值時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化率基本不隨氨氮比增大而提高，這是因?yàn)樵摐囟认履蛩責(zé)峤?、水解反?yīng)充分，噴射過多的尿素只會(huì)造成 NH3的泄漏。如圖13所示，在上述試驗(yàn)條件下模型A，B，C對(duì)應(yīng)的最高NOx轉(zhuǎn)化率分別為45%，72%，84%。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的分布趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了本研究模型的合理性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了緊湊型DOC-混合器-SCR后處理系統(tǒng)，系統(tǒng)中的渦旋氣流能使尿素噴射區(qū)有較高湍流動(dòng)能，尿素的蒸發(fā)和混合速率明顯提高；仿真結(jié)果表明，NOx轉(zhuǎn)化率相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局有大幅度的提升。高效率的蒸發(fā)和混合系統(tǒng)可以使DOC與SCR之間的距離進(jìn)一步的縮小，使整個(gè)后處理系統(tǒng)在長(zhǎng)度與體積上都可以減少，不但便于安裝布置，而熱損失也會(huì)相應(yīng)減少，可以實(shí)現(xiàn)更好的冷啟動(dòng)性能。安裝混合器對(duì)系統(tǒng)的壓力損失影響不大。本研究提出的SCR后處理結(jié)構(gòu)布局相對(duì)傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)布局有較大改變，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證新布局是可行的，相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局更具有優(yōu)勢(shì)，可以為柴油機(jī)后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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[編輯: 李建新]

Numerical Simulation on Compact DOC-Mixer-SCR Aftertreatment System

LIU Wenkun, ZHANG Cuiping, WANG Peng, TIAN Junlong, ZHANG Lijuan

(School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China)

In order to improve the conversion efficiency of SCR system, a compact DOC-mixer-SCR aftertreatment system was put forward and three kinds of aftertreatment models were built. With the aid of computational fluid dynamic (CFD) coupled with chemical reaction dynamics, a 3D model of SCR-NOxcatalytic converter was established. With the model, the whole aftertreatment process including the injection of urea aqueous solution, the evaporation and thermal decomposition of droplet and NOxcatalytic reaction was simulated and the distribution law of turbulent kinetic energy field, velocity field and concentration field was acquired. In addition, the simulated results were compared with those of traditional aftertreatment system. The research results provide the reference for the design of aftertreatment system.

selective catalytic reduction(SCR); computational fluid dynamic(CFD); chemical reaction kinetics; numerical simulation

2015-04-13;

2015-10-12

2014年度山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(MJ2014-14)

劉文坤(1990—)，男，碩士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的分析研究；liuwenkun619@163.com。

張翠平，女，教授，碩士生導(dǎo)師；zhangcp64@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.010

TK411.5

B

1001-2222(2015)05-0057-06