基于多因素角度分析噴射結構對船機SCR的影響

宋 鑫

( 中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

大氣環保是當今全球最關注的熱點話題之一，我國也逐步出臺法律法規明確大氣環境的保護措施。對于海洋環境而言，船機排放的廢氣是主要污染源之一，其中包含NOX，CO，VOCs，碳粒及煙塵等有害物質。對于氮氧化物而言，主要成分是NO和NO2。NO 是無色氣體，本身毒性不大，但在大氣中會緩慢氧化成NO2。NO2是一種棕色的刺激性氣體，對肺和心肌有很強的毒害作用。大氣中的NOX成霧狀，形成大城市的“大霧問題”。NO2在被雨水沖洗下也增加土壤的酸度。

為實現船機氮氧化物NOX的控制，國際組織明確了2016年后推行TierIII的排放標準，而且美國等發達國家已把相關標準列入國家法規，并開始嚴格執行。選擇性催化還原系統SCR 作為船機氮氧化物后處理技術的熱門技術被廣泛關注。在傳統的SCR系統設計中，為實現還原劑噴射控制需要不斷進行排氣管路、排氣點、噴嘴等結構尺寸的修改，工作量較大。在結合數值仿真計算手段時，也較多集中在單一因素的干擾對系統影響的分析上，缺乏綜合系統的研究和比較。因此，如何在縮短設計周期與控制成本的前提下開展SCR 系統的設計是值得思考的問題。本文從多因素角度出發，采用計算流體力學(CFD)和正交設計手段，以船機SCR 系統降低NOX的效率為目標，針對船機SCR 系統的噴射環節，分析了排氣流場的運動特性，綜合評估了噴射環節中影響系統性能的主要因素。

1 SCR 系統基本原理

SCR 系統組成主要包含尿素電子控制單元、發動機信號采集單元、催化器、尿素噴射泵及傳感器等部件?？刂葡到y通過分析傳感器的輸入信號，結合噴射泵的輸出量及系統實際降低NOX的能力來決定噴射泵的供應量，完成還原劑的噴射控制過程。

SCR 系統的NOX的催化還原反應基本原理是［1］:

標準反應:

快速反應:

2 計算流體力學分析

一般而言，船機SCR 系統可以看成是三維的流體運動，在還原劑噴射環節中主要包含尿素水溶液的噴射、排氣運動、還原劑霧化和氣體混合等過程。本文采用雷諾平均法對非穩態連續方程和Navier-Stokes 方程作時間平均，得到SCR 系統的流動控制方程［2－3］:

式中:雷諾應力采用標準k－ ε 模型計算，該模型把湍流粘度μt與湍動能k和湍動耗散率ε 相聯系。其中Cμ，Bε1，Bε2，Bε3和Bε4均為經驗常數，v 為運動粘度。

SCR 系統的反應是物理化學過程，質的交換包含多種化學組分，反應過程的組分都符合組分質量守恒定律。因為催化劑主要是由多孔介質組成，應考慮加入動量項來計算單位體積內物理量的守恒性質，所以可采用如下固體能量守恒方程［4］:

式中:Cp，s為催化劑的比熱容;U 為熱傳導項;kh為氣固兩相的傳熱系數;ΔT 為氣體與固體的溫度差;Sr為化學反應產生的源項;V 為催化劑的體積。

3 正交計算原理

考慮到還原劑噴射方面影響系統NOX轉化效率的因素較多，采用正交設計法是最理想的選擇。正交設計［5］的計算點均衡分散，每個計算點都有很強的特征，能較全面地反映每個計算的大致情況。它主要從開始選定的計算因素的全部水平組合中，挑選出部分有代表性的水平組合進行計算。計算得到的方案，即使不是全面計算中最優方案，也是相對最佳方案。

計算數據分析時與每個因素的目標值比較，得出各因素的主次關系，使數據具有更綜合的可比性。通過正交計算，數據的分析計算更加方便，可大大提高分析計算的效率，縮短整體設計的周期。對于影響SCR 系統效率而言，通過正交設計良好的代表性和數據綜合性可使系統的各因素盡可能綜合的考慮，最重要的是能夠掌握因素的主次，能夠快速有效的找出優化點。

一般而言，正交算法主要包括明確設計目標、正交表的確立、確定設計計算方法和正交計算及結果綜合等方面。

4 仿真模型

為掌握還原劑噴射的主要因素與系統性能的關系，以提高船機SCR 系統的NOX轉化效率為目標，這里選取噴嘴位置、噴嘴孔數、噴霧錐角、液滴直徑來分析噴射環節與系統的正交關系。

以常見船機管路模型為例，選用管路布置及催化器簡化模型如圖1所示。

圖1 管路布置及催化器模型Fig.1 Exhaust pipe and catalyst model

因噴嘴位置、噴嘴孔數、噴霧錐角、液滴直徑都為水平因素，設計因素水平如表1所示。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level

由表1 可知，考慮了4個因素并選用4 水平做正交數值模擬計算，因此，可采用正交表L16(44)來設計。設計正交計算表如表2所示。

表2 正交計算表Tab.2 Orthogonal calculation

其中A，B，C，D 表示正交因素。

計算工況選取柴油機100%負荷，操作壓力設為0 Pa，其他主要邊界條件為:氣體密度為2.36 kg/m3，湍流強度設為2.8%，孔隙率為0.75。

以NOX轉化效率為計算目標，系統效率至少大于83%，采用計算流體力學(CFD)仿真方法進行數值仿真分析。

圖2 流體動能分布Fig.2 Flow energy distribution

為考核計算的合理性，取正交計算1 工況為例，分析湍流動能的分布特點，從管路流動可看出，氣體在進入彎管和催化器入口區域后，湍流動能增強，因為流速變化增大提高了流體之間內部的摩擦，從而提高了流動動能，而在催化劑中氣體擾動減小，動能也隨之減小，從計算效果看符合預期。

基于表2 正交計算的工況設計，結合計算流體力學仿真計算，得到不同工況下的NOX轉化率，具體計算結果如表3所示。

表3 計算表Tab.3 Calculation results

5 計算分析

為分析正交計算的結果，常采用極差分析法，其優點是直觀、簡單。針對表3，利用極差分析可得出表4。

表4 極差分析結果Tab.4 Range analysis

針對每個因素計算平均值k1，k2，k3，比較每個因素下，不同水平的均值變化如圖3所示。可知A 因素的變化較其他因素的影響更大。圖4 列出不同因素下，極差數值的變化，同樣可看出因素A的極差值也遠大于其他因素。結合極差值、均值及轉化效率值的綜合分析，可得出影響NOX轉化率的主次因素是ABDC，較優水平為A1，B2，C3，D1。

圖3 水平均值圖Fig.3 Level mean value

從上述分析可清楚知道，因素A 噴嘴位置的選取對船機SCR 系統的NOX轉化率目標實現起著關鍵作用，其他因素的主次關系略有不同，但作用相對因素A的影響較小。

圖4 極差值Fig.4 Range value

考慮到極差分析不能估計計算誤差，不能排除誤差的干擾，無法確定結果的可信度。為了彌補這個缺點，進一步利用方差分析法對各因素的顯著水平給出一個定量分析。方差分析基本方法是將試驗結果總偏差平方和分解為各因素的偏差平方和與誤差平方和，構成統計量，對各因素是否對試驗指標具有顯著影響而進行F 檢驗，做出顯著性判斷。利用方差分析得到4個因素對NOX轉化率的影響，取a=0.05，Fa 臨界值為3.490，方差分析結果如表5所示。

表5 方差分析結果Tab.5 Variance analysis result

從表5 可知，因素A 為顯著影響，其次因素B，因素C 影響最小，此分析結果和極差分析結果相同，驗證了計算結果的可信度。

6 結 語

本文從多因素角度出發，比較了船機SCR 系統不同噴射結構對NOX轉化效率的影響，得出噴嘴位置是影響效率的主要因素。采用正交計算方法，結合計算流體力學(CFD)算法，提出了船機SCR 系統設計的新思路。

［1］NOEL W C，DEAN C C，et，al.Formation and reactions of isocyanic acid during the catalytic reduction of nitrogen oxides［J］.Topics in Catalysis，2000，10:13－20.

［2］TUNCER C，JIAN P S，FASSIKAFYEKE，et.al.工程計算流體力學［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［3］HERMAN W，HARALD B，FRANK T，et，al.Optimization of catalytic converter gas flow distribution by CFD prediction［C］//SAE Paper 930780.

［4］S.V.帕坦卡.傳熱與流體的數值計算［M］.北京:科學出版社，1992.

［5］馬希文.正交設計的數學理論［M］.北京:人民教育出版社，1981.