船機選擇性催化還原系統SCR排氣處理的數值計算

宋 鑫

(中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

環境保護是當今社會發展的重要話題，國際環保組織已向各國提出了越來越高的環保指標。船機氣體排放是海洋污染中的主要來源之一。船機排放的廢氣中主要包括NOX，CO2，CO，VOCs 及碳粒及煙塵等物質，在排出的氮氧化物NOX中主要為NO和NO2。氮氧化物是毒性很強的氣體，對人體有很大傷害，進入大氣中會促進酸雨和光化學煙霧的形成，引起土壤酸化，影響植物生長。

為了進一步控制船機NOX排放，國際海事IMO組織提出Tier III 排放標準，明確2016年以后要執行的船機排氣NOX指標要求。根據新要求，船機內凈化技術已很難滿足，因此排氣后處理技術越來越受到重視，在歐美日等國已興起排氣后處理技術的研究熱點，并逐步把相關技術產業化。選擇性催化還原技術(SCR)具有很高的經濟性和實用性，被認為是船舶廢氣排放處理技術中最具有推廣價值的技術之一［1］。國內對船機SCR 系統的研究開展較晚，因此相關理論知識的儲備非常迫切。本文以計算流體力學CFD 理論為基礎，針對船機排氣的特點得出數值仿真計算的基本方法，結合船舶管路布置情況，分析了SCR 系統排氣流場規律及湍動能分布等特點。

1 SCR 系統的工作基本原理

選擇性催化還原系統SCR，主要由電控系統(尿素電子控制單元、發動機電子控制單元)，SCR催化器、尿素噴射系統、傳感器等組成。通過電控系統對尿素噴射的精確控制，來實現NOX的有效轉化，同時控制NH3的泄漏量。目前系統的主要還原劑材料是尿素，尿素水溶液在蒸發作用下析出固態尿素顆粒［2］:

在一定溫度下尿素熱解生成氨氣和氰酸，氰酸水解生成氨氣和CO2:

在SCR 催化器中NOX的催化還原反應主要有:

標準反應:

快速反應:

2 模型計算方法分析

SCR 系統管道內部是復雜流體運動的過程，包含了尿素水溶液的噴射分解、催化反應、排氣運動等方面。為更準確對物理化學過程的全面、準確數值模擬，本文采用湍流數值模型對SCR 內部流場仿真計算。采用雷諾平均法對非穩態連續方程和Navier-Stokes 方程做時間平均，得到湍流時均流動的控制方程如下［3］:

連續性方程:

動量方程:

因此湍動能和耗散率的控制方程分別為［4］:

式中:Cμ為經驗常數;v 為運動粘度。模型常數取Cμ=0.08，Bε1=1.42，Bε2=0.83，Bε3=0.34，Bε4=1.94，σk=1。

SCR 系統的物理化學反應過程，存在質的交換且存在多種化學組分，每組分都遵循組分質量守恒定律。根據組分的質量守恒定律，寫出組分的質量守恒方程如下［5］:

式中:yk為化學組分k 的質量分數;Γyk為對應組分的質量擴散;Syk為單位時間內單位體積通過化學反應產生的組分質量(即生產率);產生速率Kgas為化學組分的總數。Γyk一般通過湍流施密特數計算得到，組分輸運方程中的源項Syk與組分的反應速率及計算網格體積的大小相關。

考慮到催化器特有的多孔介質模型，需在標準動量方程后附加動量方程源項來計算通道中的氣流速度，包括粘性損失項和慣性損失項2 個部分，如下所示:

多孔介質模型中，湍動能k 通過求解標準的輸運方程得到，湍動耗散率ε 采用如下公式進行計算:

其中Lpor為湍流長度尺度，用于表征多孔介質中的湍流特性。

為計算單位時間單位體積內物理量的守恒性質，采用如下固體能量守恒方程:

式中:Cp，s為催化劑表面的比熱容;U 為固體熱傳導項;kh為氣固兩相的傳熱系數;atran為催化劑的比表面積;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;Vs為固體的體積;As為固體的表面積。

3 仿真模型與計算結果對比

以常用船舶柴油機排氣管路分布為例，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

采用柴油機100%負荷作為仿真工況，操作壓力設為0 Pa，催化劑采用多孔介質模型，壁面為標準壁面函數模型。其他主要邊界條件為:進口速度6.75 m/s，氣體密度2.36 kg/m3，湍流強度3%，孔隙率0.78。

1)速度分布

圖2 為全管路的速度分布圖，圖3 為進催化器擴壓區的速度分布圖。從圖中可知，排氣經彎管時流速快速增大，主要是因為內壁壓力的減小，當壓力升高時，流速逐步降低。

圖2 管道流速圖Fig.2 Gas velocity in pipe

從圖3 可知，當進入催化器擴壓區域位置時，左右側產生2 個漩渦，這主要是因為氣體通過的催化器內壁及催化劑孔道導致氣體流經的截面積變化產生流動分離現象，在彎管的作用下右側的流速較高，導致形成較小的渦流。漩渦的產生更有利于尿素水溶液的分解和提高排氣與尿素的混合程度，促進氣流沿管路擴散能力，提高NOX轉化效率。

圖3 進口區流速圖Fig.3 Inlet gas velocity of catalyst model

為進一步分析管路中氣體流場的分布變化情況，取4 截面位置如圖4所示，其中截面4 為催化器進口出，取沿管道左側壁到右側壁方向，對各截面的速度分布數值進行對比分析，結果如圖5所示。

圖4 排氣管截面Fig.4 Slice area of exhaust pipe

由圖5 分析可知，氣體在截面1和截面2 中表現不均勻，兩邊流速呈明顯差異，因為彎管的作用，截面1 中氣體流場的流速高的部分向中間集中，兩端流速相對較低。在進入催化器截面時，高流速逐步向四周擴散，中間部分流速降低，原因主要是因為渦流的產生使氣體開始呈現出四周擴散的形態。

2)湍流動能分布

由圖6 可知，氣體進入彎管和催化器擴壓區域后，湍流動能明顯增強，原因是彎管使氣體流速變化增大，流速梯度的增大帶來流體之間內部的摩擦加大增強了湍流的動能，而對于催化器擴壓區，由于內壁及催化劑孔效應，氣體發生流動分離，產生漩渦，使漩渦外圍的湍流增強。進入催化劑后氣體擾動變小，湍流動能較低，體現出層流的特點。

圖5 排氣管流速對比圖Fig.5 Gas velocity comparison in exhaust pipe

圖6 排氣管湍流動能分布Fig.6 Turbulence energy distribution in exhaust pipe

4 結 語

本文針對船機SCR 系統，結合CFD 理論提出船機排氣運動的數值計算方法，得出船機SCR 系統排氣流場流速及湍動能等分布特點以及形成的原因，為船機SCR 系統的研究開發提供參考。

［1］KOEBEL M，ELSENER M，et al．Urea－SCR:a promising technique to reduce NOXemissions from automotive diesel engines［J］．Catalysis Today，2000，59:335－345．

［2］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．

［3］王福軍．計算流體動力學分析:CFD 軟件原理與應用［M］．北京:清華大學出版社，2004．

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

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