基于CFD的SCR系統結構仿真研究

李 璞

（韶關學院 物理與機電工程學院，廣東，韶關 512005）

隨著排放法規的日趨嚴格，柴油機排放，特別是氮氧化物（NOx）的排放成為關注的重點。選擇性催化還原（SCR）技術是柴油機控制NOx的主要技術手段之一，其還原劑有氨基和烴基[1]等，其中以尿素作為氨（NH3）的載體的SCR系統，因其性能和使用的便利性被應用到車用柴油機上。國外相關研究機構對尿素SCR系統做了大量的研究和開發工作, 并且推出了很多商業化的產品[2-10]，而國內對SCR的研究雖也做了大量的工作[1,11-12]，但對SCR催化器的開發設計基本停留在傳統的經驗設計基礎上。通過現代發動機CFD設計方法對所要開發的催化器進行性能模擬，可實現設計階段對催化器的優化，縮短設計時間，降低設計開發的成本，同時將數值模擬作為試驗手段的重要補充，為SCR催化器的各種設計參數的優化提供理論依據。

由于反應物氨（NH3）的擴散及吸附速率影響了整個催化反應的速率，且其在進入載體前的空間分布情況直接影響載體內的擴散、吸附速率，因此本文以CFD軟件為基礎建立尿素- SCR系統模型，并進行仿真計算，主要研究噴孔夾角及管道截面突變位置等裝置結構因素對尿素- SCR系統霧化效果的影響，為柴油機尿素-SCR裝置的設計提供了理論基礎。

1 尿素- SCR工作原理

SCR系統的主要工作原理是向排氣管中噴入一定量的還原劑，在催化劑的作用下，還原劑與排氣中的NOx發生氧化還原反應，生成無害的氣體排出，達到降低NOx排放的目的。尿素（Urea）作為氨氣（NH3）的載體, 因具有無毒、無味、穩定等優點成為車用柴油機SCR技術的首選還原劑。商業上稱符合DIN 700070標準的32.5%的尿素水溶液為“AdBlue”。選用AdBlue為還原劑的SCR系統稱為尿素- SCR后處理系統。

尿素- SCR系統的工作過程可以簡化為如下過程：32.5%的尿素水溶液噴入尾氣中后發生脫水反應和熱解反應。

(NH2)2CO×7H2O（水溶液）→(NH2)2CO（固態）+7H2O（氣態）. （1）

NH2-CO-NH2（固態）→NH3（氣態）+HCNO（氣態）.（2）

其中尿素熱解生成的HCNO（異氰酸）在催化劑表面還將發生水解反應。

NH3作為還原劑在催化劑的作用下與NOx發生催化反應，有兩個反應占主體。其中一個是標準SCR反應。

另一個為快速SCR反應。

其中，式（5）的反應速率比式（4）快10倍左右，其NH3和NOx比都是1∶1。在柴油機尾氣中NO2占總NOx的10%左右，當NH3充足，首先發生NO2與等摩爾的NO按照式（5）進行的反應，剩下的NO按照反應式（4）進行，因此為了提高系統的反應速率，通常在SCR反應器前增加一級氧化還原裝置（DOC）,將部分NO氧化成NO2，讓NO與NO2之間比例接近1∶1，讓反應更多地按照式（5）進行。

2 尿素- SCR系統模型建立

本文采用FIRE軟件進行SCR系統結構建模和仿真計算，FIRE是一個通用的CFD軟件，是基于有限容積法的一個商用軟件，由奧地利著名的柴油機咨詢公司AVL公司開發。FIRE是針對性較強的模擬發動機工作過程的覆蓋化學反應的CFD軟件包，其在網格生成方面采用非結構化網格，單元的形狀可以有六面體、四面體、三面體截面的棱柱體、金字塔形的錐體及6種形狀的其它多面體，還可以與目前通用的CAD/CAE軟件相聯接，如ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN等， 使 FIRE在 適應復雜計算區域的能力方面具有特別的優勢。

假設柴油機排氣中的各種污染物均勻分布，則還原劑NH3在進入載體前的空間分布情況直接影響NOx的轉化率，其分布得越均勻，NOx的轉化效果越好。因此SCR系統結構設計對于NH3分布均勻性有重要的影響，即尿素噴射位置、噴嘴的方向、噴孔數目、噴孔夾角、催化器擴張口形狀及載體前的容積等結構的設計。國內外的一些研究人員對噴嘴位置、噴孔數目及催化器擴張口的形狀做過相應的仿真研究[12-13]，本文主要研究噴孔夾角及管道截面突變位置等結構因素。

2.1 網格生成

圖1（a）為某尿素-SCR裝置三維模型，主要由前置尿素噴射、混合管道和SCR催化器組成，各部分之間用法蘭連接。圖1（b）為其簡化后的尺寸示意圖。其中，Lf為催化器前端尿素噴射霧化段；Lm為整個催化器段；Lc為催化劑載體，噴嘴安裝于載體前端的（a+k）距離處。所用催化劑為釩基，孔密度為62孔/cm2，容積為4.4 L。

固定部分的參數值見表1。

表1 尿素SCR裝置固定部分尺寸

根據圖1及表1所示的尺寸，建立SCR裝置計算網格I（其中k為20 mm；Lm為300 mm），如圖2所示，共99 200個計算網格。

2.2 邊界條件

根據某4缸2.6 L柴油機排放測試結果設置邊界條件，采用額定轉速（2 400 r/min），100%負荷（146 N·m）的工況點（工況1）測試結果。入口邊界條件采用給定質量流量和溫度方式，質量流量為202.18 kg/h，溫度設為600 K；紊流參數中，紊動能設定為5%進口平均流速的平方，紊流特征長度為排氣管水力直徑的10%。入口氣體組分根據工況1實際排氣測量值簡化后設置，各組分所占比例見表2，其中N2為平衡氣；出口設置為靜壓邊界條件，壓力為100 kPa，催化劑按多孔質設置。尿素水溶液的噴射采用噴射模型，進入排氣后發生的水解和熱解過程按照式（1）和式（2）進行。

表2 排氣中各種氣體組分質量分數（工況1）

2.3 評價指標

采用催化劑載體前端截面的NH3摩爾分數的標準偏差S表征NH3的分布均勻程度，S越小表示NH3在該截面上的分布越均勻，定義為

3 尿素-SCR工作過程模擬仿真結果

3.1 噴孔夾角的影響

柴油機為了提高噴射的霧化效果，往往采用有一定夾角的多噴孔噴油器。因此，通過改變尿素水溶液噴嘴的孔數和噴孔夾角提高NH3的空間分布均勻性。圖3為噴嘴示意圖（?1/2表示噴孔夾角）。根據文獻[12]和[13]的研究結論可知，尿素噴嘴布置在催化劑前端5d以上距離及增加噴孔數目均有利于NH3的空間分布從而提高NOx的轉化率。采用孔數為4的噴嘴，噴嘴平面法線+ξ與管道軸向平行且與氣流方向成180°，噴嘴位于管道軸線處，距離載體前端面距離（a+k）=5d。

噴孔夾角對NH3分布均勻性的仿真結果如圖4所示。由圖4可知，噴孔夾角由0°增加到90°，載體前端截面上NH3摩爾分數的標準偏差越來越小，即NH3分布得越來越均勻。其原因是當噴嘴的孔數大于1以后，帶有一定夾角的液體噴射更有利于液滴在空間的分散。在實際運用中，SCR裝置在車上布置的空間有限，再加上成本因素，載體前端的混合器管道直徑d不能過大，在較窄的管道內垂直于氣流方向噴射尿素會使大量尿素噴射到管壁上，不利于尿素與氣流的混合，因此多噴孔的噴射夾角在45°左右為最優。

3.2 管道截面突變的影響

文獻[14]研究表明，尿素噴嘴布置在催化劑前端5d以上距離有利于NH3的空間分布。而在噴嘴距離載體前端距離一定的情況下，通過管道截面積的變化可以引起氣流的變化并影響尿素與氣流的混合空間。

表3 尿素SCR裝置可變部分尺寸

本研究中采用入口擴張管錐角和出口收縮錐角為90°的催化器結構，通過改變k參數來改變載體前容積大小。其中固定比例尺寸按表1設置，其余尺寸見表3，共生成II、III、IV、V 4種計算網格。邊界條件與上文所述一致，噴嘴采用4噴孔45°噴射夾角形式。

載體前容積對NH3分布均勻性仿真結果如圖5所示。由圖5可知，k由0.5D增大到1.5D，即管道截面的突變處向噴嘴與載體前端面的中間位置逐漸靠近時（載體前容積逐漸增大），NH3濃度的標準偏差逐漸減?。划攌繼續增大到2D，即管道的截面突變處向噴嘴一方偏移時（載體容積繼續增大），NH3的濃度標準偏差反而略有增加。

SCR裝置中不同k參數下NH3濃度分布如圖6所示。由圖6可知，當截面突變時，氣流在突變處產生渦流促進尿素與氣流的混合。當管道突變處向噴嘴方向移動，即增大載體前容積，可以增加載體前端面的渦流活動時間和空間，促進尿素與氣流的混合，使載體前端NH3濃度的標準偏差逐漸減??；而管道突變處過于接近噴嘴時，在噴射管道內的尿素擴散還不充分，在載體前端的NH3的濃度標準偏差反而略有增加。因此管道突變處位于噴嘴與載體前端面的中間位置，尿素與氣流混合效果更好。

4 結論

本文基于CFD軟件，建立了尿素-SCR系統模型，并進行了仿真計算，研究尿素噴嘴的噴孔夾角及管道截面突變位置等結構參數對尿素霧化效果的影響，主要結論如下。

（1）增大噴孔夾角有利于促進NH3與排氣氣流的混合。當噴射區管道直徑足夠大時可以采用徑向噴射方式；當噴射區域管道直徑較小，為了防止尿素噴射到管壁上，噴射夾角在45°左右為最優。

（2）采用錐角為90°的入口擴張管為噴射管道與載體殼體之間的突變過渡，并且在空間允許的前提下，噴射管道與載體殼體之間的突變處位于噴嘴與載體前端面中間位置有利于尿素與氣流的混合。

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