船用柴油機Urea-SCR系統噴霧特性試驗研究

馬哲樹，劉吉財，劉少俊，陳蘇蓉，侯小宇

(江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮江212003)

船用柴油機Urea-SCR系統噴霧特性試驗研究

馬哲樹，劉吉財，劉少俊，陳蘇蓉，侯小宇

(江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮江212003)

針對某型柴油機滿足IMO Tier III標準的要求，設計了兩種(內混式和外混式)雙流體噴嘴，并自行搭建了噴嘴霧化性能的試驗臺.對內混式和外混式兩種噴嘴在不同的氣體壓力、液體流量、噴孔數量下的霧化特性進行了大量的試驗研究.結果表明:隨著氣體壓力的增大，霧化均勻性變差，當氣體壓力在0.3～0.4 MPa時，霧化均勻性最好;隨著被霧化液體流量的增加，霧化的分布更加均勻;當噴孔數目為4個時，噴霧分布均勻性最好.綜合兩種雙流體噴嘴的霧化特性，外混式雙流體噴嘴的霧化錐角更大，霧炬更飽滿.

船用柴油機;SCR;雙流體噴嘴;霧化

為了達到Tier III的排放標準［1］，世界上許多國家都在研究NOX排放的控制技術［2］，如代用燃料、進氣加濕、改進噴油器結構、廢氣再循環、非選擇性催化還原(NSCR)以及選擇性催化還原(SCR).研究發現，SCR技術是目前唯一能夠滿足Tier III標準的潛在技術［3］.

SCR系統結構主要由噴射系統、催化反應系統及控制系統構成［4］.噴射系統決定著整個SCR系統的效率，噴入的尿素溶液霧化程度越好，反應越充分，降低NOX的效果越好.因此，噴射系統是整個SCR系統的核心，而噴嘴是其噴射系統的關鍵部件，決定了霧化效果的好壞.文獻［5］中針對Urea-SCR系統的NOX轉化效率容易受到排氣溫度的影響開發了一種新型的帶有電加熱裝置的尿素噴射裝置，提高了低排氣溫度下Urea的分解效率.試驗結果表明，在200℃的排氣溫度下NOX的轉化效率依然接近100%.文獻［6］中通過CFD模擬還原劑與排氣的混合特性，優化了還原劑濃度的分布，從而實現了對Urea-SCR系統的優化設計.文獻［7］中對重型柴油機Urea-SCR系統內部的尿素蒸發、熱解及水解過程進行了CFD模擬，模擬中主要考慮了多相流模型和催化還原反應模型，結果表明:管壁的撞擊作用及流場中的渦流有助于加強尿素液滴的蒸發、分解及混合.

文中針對某型柴油機的排氣特性，按照Tier III排放標準設計了SCR系統及相匹配的兩種雙流體噴嘴(分別為內混式和外混式)，并在自行搭建的試驗臺上對兩種雙流體噴嘴的霧化特性進行了大量的試驗研究，得到了兩種噴嘴在不同的氣體壓力、液體流量、噴孔數量下的霧化錐角、霧炬及均勻性分布等，可為進一步發展面向該型柴油機的SCR系統提供依據.

1 雙流體噴嘴設計

依據柴油機的主機參數、排放數據以及IMO Tier III標準的排放限值可計算出SCR系統單位時間的NOX脫除量，表1為主機參數［8］.

由于NH3具有強烈的刺激性氣味，儲存及運輸不便，在研究中采用質量濃度為32.5%的尿素水溶液作為還原劑，其中尿素溶液的分解反應及催化還原反應為:

根據尿素水溶液的分解反應及催化還原反應方程式可計算得到所需的尿素溶液的噴射量.

1.1 外混式雙流體噴嘴結構及工作原理

外混式雙流體噴嘴的結構見圖1.噴嘴包括內外兩層通道，尿素溶液由內層通道注入，壓縮空氣由外層通道進入.在液體出口處設置倒角，增大液體出口孔徑，形成錐形，并在液體出口孔徑的外圍設置小的環隙，小的環隙與外層通道相通，壓縮空氣由小的環隙高速噴出，利用高壓空氣的噴散作用，以較高的速度夾帶著液體噴出，使液體霧化為細小的噴霧液滴.

圖1 外混式雙流體噴嘴結構示意Fig.1 Structure of external-mixed twin-fluid nozzle

1.2 內混式雙流體噴嘴結構及工作原理

內混式雙流體噴嘴的結構見圖2.由于外混式雙流體噴嘴要使霧化漿滴達到較小的粒徑需要較大的氣液比，為了改善霧化質量，減小霧化能耗，對外混式噴嘴進行了改進設計，提出了內混式雙流體噴嘴.在接近出口的地方增加小孔，使部分的高壓空氣預先混合，這樣增加了氣液均勻性，形成氣液兩相流，最后混合的液體以高速噴出噴口，實現一次霧化，其余的氣體由環隙噴出去，在噴嘴處和液體相互碰撞，然后形成小的液滴，形成二次霧化.

圖2 內混式雙流體噴嘴結構示意Fig.2 Structure of internal-mixed twin-fluid nozzle

2 試驗系統

試驗臺主要包括霧化介質管路、壓縮空氣管路和測試系統3個部分(圖3).與大氣接通的水箱為試驗系統提供相應流量的霧化介質.壓縮空氣管路中，空氣壓縮機產生壓縮空氣，玻璃轉子流量計測定空氣流量，再由壓力變送器設定所需的空氣壓力，從而實現為總系統提供所需要的氣體流量;噴霧的均勻性反映了液體從噴嘴噴出后在徑向位置上的液體分布量的變化情況，液體分布量沿徑向的變化越大，則均勻性較差，液體分布量沿徑向的變化越小，則表示噴霧的均勻性越好.液體分布量則是由噴嘴下方的并排離心管收集，然后由量筒配合測量不同徑向位置處的液體收集量，作出液體分布量與徑向距離的折線圖，從而可以依據折線圖對噴霧的均勻性進行分析.

圖3 霧化試驗裝置Fig.3 Atomization experiment device

通過不同軸向和徑向距離下噴霧分布的均勻性來評價霧化效果.對不同軸向距離下選取多個不同徑向測量點噴霧液滴的分布進行了測量，噴霧液滴測點分布如圖4.

圖4 噴霧液滴測點分布Fig.4 Spray droplet distribution diagram

考慮到尿素水溶液在30℃以下時尿素會直接從水溶液中結晶出來，而實驗室的溫度在20℃ ～25℃之間，無法完成尿素水溶液的噴射試驗.常溫下32.5%尿素水溶液的密度為1 090 kg/m3，粘度為1.4 mPa·S，常溫下水的密度為1 000 kg/m3，粘度為1 mPa·S，與尿素水溶液的物性相差不大，故試驗時采用與尿素溶液密度相近的水作為霧化介質.霧化介質的流量則根據柴油機排放數據計算得到.

3 試驗結果及分析

3.1 兩種噴嘴的霧化錐角及霧炬

圖5為噴嘴霧化霧炬圖，可以看出，內混式雙流體噴嘴的霧化貫穿距較長，霧化錐角相對較小，霧炬比較瘦窄，霧化液滴分布相對比較集中，霧化錐角約為25°.而外混式雙流體噴嘴的霧化貫穿距較短，霧化錐角較大，霧炬較為飽滿，霧化液滴沿徑向分布較為均勻，霧化比較分散.

圖5 噴嘴霧化霧炬Fig.5 Atomizing spray map

3.2 氣體壓力對霧化均勻性的影響

圖6為氣體壓力對霧化分布的影響.圖中縱坐標液體分布量V為霧化的液滴在不同徑向位置處的液體體積分布(下同)，d為徑向距離，當氣體壓力為0.5 MPa時，不同顆粒度的液滴的數量和質量沿徑向分布比較集中，霧化均勻性較差.當氣體壓力為0.3，0.4 MPa時，噴霧液滴隨徑向距離的變化比較均勻.在一定的壓力范圍內，降低氣體壓力有助于霧化顆粒的分布均勻.

圖6 氣體壓力對霧化分布的影響Fig.6 Effect of gas pressure on the distribution of atomization

3.3 霧化介質流量對霧化分布的影響

圖7為霧化介質流量對霧化均勻性的影響，可以看出，霧化介質流量越大，霧化分布越均勻.由于噴嘴噴孔大小是一定的，當不同流量的氣體和霧化介質一起通過噴嘴時，總體流量越大能夠產生的相對壓力也就越大，這樣，噴霧的效果也就越好，在霧化介質流量過小時，霧化過程會出現不穩定的現象，霧化均勻度時好時壞.

圖7 液體流量對霧化分布的影響Fig.7 Effect of liquid flow on the distribution of atomization

3.4 噴孔數量對霧化分布的影響

噴嘴噴孔數目越多，噴霧范圍越廣，尿素溶液越容易霧化，但噴孔數過多，會發生噴射霧化干擾現象導致液滴的并聚，進而影響噴霧液滴分布的均勻性.圖8為外混式雙流體噴嘴噴孔數量對霧化分布的影響，由圖可知:當噴嘴的噴孔數量為1個與8個時，沿徑向測量的液體流量變化范圍較大，霧化分布均勻性較差;當噴孔數為4個時，徑向測量的液體流量變化平緩，霧化分布均勻性最好.所以，在其他噴射條件一定的情況下，當噴孔數量為4個時噴霧效果最好，噴霧分布的均勻性也最好.

圖8 噴孔數量對霧化分布的影響Fig.8 Effect of orifice number on the distribution of atomization

4 結論

1)在相同噴射條件下，外混式噴嘴霧炬比內混式噴嘴更飽滿，霧化錐角更大，霧化分布更均勻.

2)在一定的壓力范圍內，氣體壓力越低，霧化效果越好;氣體壓力在0.3～0.4MPa時，噴霧分布均勻性最好.

3)在其他噴射條件一定的情況下，液體流量越大，霧化分布越均勻，霧化效果越好.

4)當噴嘴的噴孔數為4個時，霧化分布均勻性最好.

References)

［1］中國船級社.空氣污染及能效對海洋生物影響［C］//IMO海上環境保護委員會第 66屆會議(MEPC66).倫敦:IMO，2014.

［2］ 賀泓，翁端，資新運.柴油車尾氣排放污染控制技術綜述［J］.環境科學，2007，28(6):1169-1177.He Hong，Weng Duan，Zi Xinyun.Diesel emission control technologies:a review［J］.Environmental Science，2007，28(6):1169-1177.

［3］Mathias Magnussona，Erik Fridell，Hanna H I.The influence of sulfur dioxide and water on the performance of a marine SCR catalyst［J］.Applied Catalysis B:Environmental，2012(111/112):20-26.

［4］ 周松，肖友洪，朱元清.內燃機排放與污染控制［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010.

［5］ 管斌，周校平，林赫，等.NH3-SCR法降低柴油機NOx排放的研究進展［J］.車用發動機，2007，(5):1-7.Guan Bing，Zhou Xiaoping，Lin He，et al.Research progress of NH3-SCR method for reducing NOXemission of diesel engine［J］.Vehicle Engine，2007，(5): 1-7.(in Chinese)

［6］Ming Chen，Williams S.Modeling and Optimization of SCR-Exhaust After treatment Systems［C］//2005 SAE.world congress Detroit，warrendale，Michigan.USA:［s.n.］，2005:11-14.

［7］Bhattachaijee S，Haworth D，Moores R.CFD modeling of processes upstream of the catalyst for urea SCR NOXreduction systems in heavy-duty diesel applications［J］.Sae Technical Paper，2011(1):1322.

［8］ 劉少俊，黃泉水，蔣愛民，等.船用SCR系統的設計與數值優化［J］.船舶工程，2015，37(1):58-61.Liu Shaojun，Huang Quanshui，Jiang Aimin，et al.Design and Optimization of Marine SCR System［J］.Ship Engineering，2015，37(1):58-61.

(責任編輯:貢洪殿)

Experimental investigation on spray characteristics of the Urea-SCR system for marine diesel engines

Ma Zheshu，Liu Jicai，Liu Shaojun，Chen Surong，Hou Xiaoyu
(School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

In order to satisfy IMO Tier III standard for a marine diesel engine，two kinds of twin-fluid nozzles (internal-mixed and external-mixed)were designed and investigated experimentally.Atomization effects of the internal-mixed nozzle and the external-mixed nozzle were studied by tests.The experiments were conducted under three kinds of circumstances:different gas pressure，liquid flow and orifice quantity.The atomizing experimental results show that with the increase of gas pressure，the uniformity of atomization becomes worse;when the gas pressure is from 0.3 to 0.4 MPa，the atomization uniformity is the best;with the increase of the liquid flow，the distribution of atomization becomes uniform;when the orifice number is 4，the distribution of atomization achieves the best result.For the two twin-fluid nozzles，the atomizing cone angle of the external-mixed one is larger and its spray is full.

marine diesel engine;SCR;twin-fluid nozzles; atomization

TK421.5

A

1673-4807(2015)06-0536-04

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.006

2015-08-19

國家自然科學青年基金資助項目(51306079);江蘇省高校自然科學基金資助項目(12KJB470005);江蘇省高校優秀中青年教師和校長境外研修基金資助項目

馬哲樹(1973—)，男，教授，博士，研究方向為船舶動力裝置性能與船舶能效技術、電機電子設備高效冷卻技術.E-mail:mazheshu @126.com

馬哲樹，劉吉財，劉少俊，等.船用柴油機Urea-SCR系統噴霧特性的試驗研究［J］.江蘇科技大學學報(自然科學版)，2015，29 (6):536-539.