某柴油機尿素SCR催化器內流場分析

雷 剛，袁海軍， 易 浩，鄭光澤

(重慶理工大學 車輛工程學院， 重慶 400054)

為了減少柴油機NOx的排放，國內外已經開發出了許多技術方案,以此滿足更加嚴格的排放控制法規，其中尿素選擇性催化還原(urea selective catalytic reduction，Urea-SCR)技術[1]是降低柴油機NOx排放的一種有效手段。在歐洲等發達國家和地區已經將Urea-SCR技術大量應用于車用柴油機的尾氣處理中，從而降低柴油機的NOx排放。SCR技術具有良好的耐硫性，也被認為是我國實現廢氣排放標準的主要技術手段[2]。

由于我國地域遼闊，南北跨緯度近50°，溫度、道路等環境差異較大，車用柴油機的分布區域較廣，造成其運行工況復雜，且其排氣的各項參數范圍較大，因此車用SCR系統需要解決多種問題。較為關鍵的是系統中的管路布置和結構尺寸以及尿素噴射的合理控制[3-4]。

1 Urea-SCR系統

Urea-SCR系統主要由控制單元(ECU)、尿素泵(SM)、噴嘴(DM)、SCR催化器及相關液壓管道和電線束組成。基本原理是將一定量的霧化后的尿素溶液注入排氣管中，并在高溫下熱解和水解形成還原劑氨氣(NH3)，然后NH3在SCR中的催化劑作用下選擇性地與廢氣中的NOx反應，產生氮和水，進而控制車用柴油機NOx的排放[5]。

2 SCR系統評價指標

2.1 均勻性系數

催化劑的速度與還原劑分布直接影響催化器的NOx轉化效率[6]。催化劑的速度不均勻性體現在催化轉化器中心區域的速度過大，導致其徑向溫度變化范圍過大，進而產生變化較大的熱應力，使催化轉化器發生熱疲勞損壞，并導致催化劑活性降低，降低催化效率。還原劑分布不均體現在催化轉換器中的還原劑局部過量或不足，導致催化反應的轉換率下降，降低NOx轉化效率。

2.2 尿素顆粒直徑分布

尿素液滴顆粒在排氣管道中分布得越均勻，其與氣體的接觸面積就越大，越容易發生化學反應，提高SCR的轉化效率，還可以防止液滴聚集。液滴聚集導致其貼附在管道壁上，進一步析出尿素晶體，降低催化器的效率，更嚴重時會堵塞催化器的小孔，使其發生破壞失效[7]。

3 SCR催化器CFD建模

3.1 幾何模型

圖1為催化轉化器簡化三維結構，采用的催化劑為釩基催化劑。催化劑共有4段，分布在不同部位，且催化劑孔密度為60孔/cm2，壁厚為0.13 mm，涂層厚度為0.015 mm。排氣管與催化器的夾角為90°。如圖1所示，整個催化器不具對稱性，催化器內的還原劑分布不均，會導致催化反應程度不一致，從而導致NOx轉化率降低[8]。因此，為了保證模擬能順利進行，對整個催化轉換器進行模擬。

1.尾氣入口；2.催化劑載體；3.霧化噴嘴；4.尾氣出口

催化轉化器內部有催化劑載體、消音器管道和霧化噴嘴及固定安裝裝置。為了簡化模型，把催化劑載體當成多孔介質處理，同時把消音器管道外表面布滿的小孔半徑擴大并保證其流通量不變，只保留氧化器、連接管、消音器和催化器。簡化后共劃分有 548 008個單元，節點數 136 536個。CFD網格模型圖2所示，用CFD軟件進行模擬計算。

圖2 CFD網格模型

3.2 計算模型

采用質量和動量守恒方程來描述SCR系統中的流體流動，利用雷諾方程和湍流模型分析溶液運動的過程，并利用湍流擴散模型分析尿素在排氣管道中的擴散[9]。 從尿素溶液噴射點到SCR催化器的出口，涉及許多物理和化學反應，主要包括尿素溶液霧化、尿素溶液沖擊催化器壁及液膜形成、尿素液滴的蒸發和熱解以及催化劑的催化還原反應。此次分析只考慮尿素溶液在催化轉化器中的霧化。

忽略尿素溶液的初始霧化過程，將尿素溶液看作是從噴嘴流出的離散液滴，再結合拉格朗日方法和歐拉方法來計算液滴軌跡。即尿素溶液霧化模擬采用離散液滴模型(DPM)模擬其在催化轉化器中的霧化。

離散液滴模型(DPM)利用拉格朗日坐標系中的質點力微分方程求解尿素分散液滴的運動軌跡。在尿素溶液的流動過程中，噴霧顆粒受到慣性力、曳力、重力等作用力的綜合影響，在旋轉坐標系下，還會受到附加作用力的影響，從而導致噴霧顆粒的運動軌跡發生變化。為簡化模型，將噴霧液滴假設為理想球形[10]。

離散液滴模型(DPM)對每個尿素液滴的求解運動控制方程為

(1)

式中：vk為尿素液滴k的運動速度；mk為該液滴的質量；(∑F)k為該液滴所受的合力。

液滴運動軌道方程為

(2)

液滴的受力運動方程為

(3)

式中：fx為單位液滴質量的力；ρg為連續相密度；ρP為顆粒密度；g為重力加速度；u為連續相速度；uP為顆粒速度；fD(u-uP)為液滴單位質量曳力矢量，且：

(4)

式中：CD為液滴的曳力系數；Re為液滴雷諾數，且：

(5)

(6)

3.3 邊界條件和參數

Fluent中的霧化模型一般實現的是對液滴的碰撞和蒸發等的模擬，而且不需要建立整個噴嘴的幾何模型，極大地方便了模型的建立及計算仿真。

入口邊界條件采用給定的排氣流速和溫度，排氣速度為22.6 m/s，溫度為780 K，水力直徑為0.08 8m，湍動能設定為進口平均速度平方的5%；出口邊界為大氣壓強，溫度為450 K，水力直徑為0.1 m，湍流強度為0.5%。

假設內流場壁面為光滑非滲透性的壁面，溫度設為300 K,對流熱交換系數為10 W/(m2·K)。將氧化催化器當成多孔介質處理，設定其黏性阻力系數為38.46 m-2，慣性阻力系數為20 000 m-2，并將黏性阻力系數與慣性阻力系數沿著氣體流動的方向降低3個數量級。霧化噴嘴的設置參數如表1所示。

表1 霧化噴嘴的設置參數

4 結果分析

由壓力云圖3可知:在多孔介質處有明顯的壓降，且基本呈線性變化，連接管處壓力變化較小，這樣對噴嘴噴出液滴的分布影響小，使液滴的流動更平穩，分布更均勻，不會導致液滴聚集或者大量附著在管壁上，避免造成尿素結晶，影響催化效率。

圖3 壓力云圖

由速度云圖4可知:在催化轉化器的各個流域的軸線部位處流速比較大，最大值為26.8 m/s;在靠近壁面處流速比較小；在消音器小孔處的流通面小，流速快，很容易對內壁面產生持續不斷的沖擊，造成疲勞損傷破壞；在催化器載體流域內的流速比較緩慢，易于NH3與廢氣的混合與催化還原。

圖4 速度云圖

廢氣基本沿著管道流動，沒有產生較大的渦流，在多孔介質區域速度方向基本一致，且在連接管即尿素噴射區域流速快。噴入的液滴大多數隨廢氣向前流動，液滴受到高溫排氣的加熱作用蒸發而產生水蒸氣及熔融的尿素，在進入催化器之前全部汽化，且與廢氣均勻混合，有利于催化還原，極大地增加了載體的壽命。

流線圖5表明:在消音器管道處流線分布較密集，流速快，但是因為流道截面積變化較大，流動較混亂，此處容易產生拖拽渦，從而產生誘導阻力，對廢氣的流動有極大干擾，不易于平穩過渡，會影響催化器入口處NH3的混合均勻性。

圖5 流線圖

由圖6、7可知:在噴射軸線中心處的液滴質量最大，兩邊質量較小，這是因為外圍液滴顆粒與廢氣接觸的空間大，在受到作用力后容易分散破碎，而里面的液滴雖然流速快但受到噴射錐角的影響不易分散開，會造成液滴的二次包裹合聚，不利于尿素溶液的分解，進一步影響廢氣的催化還原。

圖6 離散相顆粒質量分數圖1

由圖8、9可知:液滴直徑分布比較均勻，沒有出現直徑大或直徑小的液滴顆粒聚攏的現象，液滴呈交錯混合，即羅辛-拉姆勒Rosin-Rammler分布,這樣易于液滴受熱分解與廢氣混合，利于催化還原。

圖7 離散相顆粒質量分數圖2

圖8 顆粒直徑分布

圖9 顆粒質量分布

5 結論

1) 在SCR系統的排氣管部位容易形成大小不一的結晶。尿素溶液噴嘴的布置位置、角度和距離對尿素液滴的運動軌跡影響較大，因此可以通過優化這些參數，提升SCR系統的工作性能，并降低NOx的排放。

2) 柴油機尿素SCR催化器的壓力、速度、流線圖以及尿素顆粒直徑、質量分布能反映其尿素顆粒分布、濃度，基本滿足催化器對廢氣的催化條件，對帶有尿素SCR催化器的柴油機的設計具有一定的指導意義。