職業院校汽車制造與裝配專業SCR催化器整體結構優化仿真模擬教學探究

楊樹啟　段紹斌　張世偉

摘 要：通過對SCR催化器進行了兩種整體結構優化，通過不同結構的催化器的速度場、湍流動能大小、NOx轉化效率等，分析不同SCR催化器整體結構可行性。相比較于原方案，優化后的兩個方案有更好的流動均勻性;三個工況中NOx轉化效率最高是排氣溫度為195℃的工況B，達到82%左右;在排氣溫度較高260℃時轉化效率僅為75%，催化器整體結構優化對SCR轉化效率影響較小，但催化器后端整流板，對NO在載體中的分布和NO轉化效率影響較小，但對NO在催化器出口處的分布均勻性有較大影響。

關鍵詞：職業院校;SCR催化器;對湍流動能;教學實踐

1 引言

氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）為柴油機主要排放污染物，NOx排放對人體和大氣環境有較大的破壞作用[1]。面對日漸加重的環境污染問題，國家制定的排放法規愈發嚴格，而選擇性催化還原反應（Selective catalytic reduction，SCR）技術是處理NOx排放的最有效的技術手段之一[2]。SCR技術是以涂覆有貴金屬催化劑（如釩基，銅基）的催化器的催化促進作用下，在排氣管中噴射尿素水溶液（一般濃度為32.5%）或以NH3作為直接還原劑，將發動機尾氣中的NO和NO2還原為N2和O2的凈化裝置。在NOx處理技術中目前歐洲和國內最主流采用SCR技術。對SCR的結構優化及催化反應特性的研究具有重要的理論指導和實踐應用意義[3]。

2 柴油機SCR三維模型的構建

2.1 邊界條件的設置

本次模型驗證仿真過程選擇了不同轉速及轉矩工況下，SCR臺架試驗過程中的3個工況點進行邊界條件參數設置。模型計算過程中，所有的計算在1s內實現了穩定，所以SCR模型計算時間統一設定為1s。具體參數設置如表1所示。各個工況下的排氣組分參數如表2所示。

2.2 不同方案的SCR整體結構優化及結果對比分析

本次整體優化主要是針對載體前后進出口端進行了擴張管和收縮管的優化，并去除載體出口端的整流器，制定了方案一和方案二。

2.2.1 不同方案速度場對比分析

SCR不同整體優化方案在A、B、C三個工況下的速度場對比。由圖可知，隨著催化器入口流量的增加，三個工況中的氣流速度均不斷增加，三個方案的速度場分布趨勢相似，但是三個方案在模型改進前后的局部區域氣體流動特性存在明顯差異。對比三個方案的載體入口區域，在無擴張管的原混合器上氣體流速明顯往載體徑向外側方向加快，在載體中心出流速較慢，而在有擴張管的方案一、二中載體入口區域內速度分布較為均勻;對比三個方案的載體出口區域，明顯發現原混合器的出口區域速度場分布很不均勻，而在有收縮管的方案一、二中載體出口區域，氣流速度分布均較為均勻。對于模型優化而言，更好的模型設計為速度均勻性較好的方案[4]，所以對比原模型，有擴張管和收縮管及進出口在一直線上的方案一和二均較為合理。

2.2.2 不同方案對湍流動能對比分析

SCR不同整體優化方案在A、B、C三個工況下的湍流動能對比。隨著三個工況氣流量的不斷增大，三個方案載體前后區域湍流動能不斷增大，整體變化趨勢相似，但是相同工況下三個方案的湍流動能有較為明顯的差異。相較于原模型，方案一和二的入口端的湍流動能均較小，特別在載體入口區域段原模型有較大的湍流動能;在載體出口端區域原模型SCR的湍流動能遠高于方案一和二，而且隨著氣流量的增大，差異越明顯。另外，在載體后端整流器比無整流器的湍流動能更小。對于SCR系統而言，在混合器后端有較高的湍流動能說明氣流運動強烈，有利于進入氣流中的尿素的蒸發和NH3與NOx的混合，促進SCR系統的反應效率。但湍流動能也會造成SCR系統壓力損失增加，特別是在載體后端區域，應該有較小的湍流動能[5]。

2.2.3 不同方案NO分布及NOx轉化效率對比分析

SCR不同整體優化方案在A、B、C三個工況下的NO分布對比。由于發動機排氣中的NO占NOx質量分數的90%以上的比例，NO的轉化效率可以作為NOx轉化效率的主要依據，所以為了便于分析將NO轉化效率為NOx轉化效率高低的依據[6]。由圖可知，隨著氣流量和溫度的不斷增大，三個方案中的NO的轉化效率均有所升高，且呈相似分布趨勢。三個工況中NO轉化效率在工況B最高，工況A最小。

SCR不同整體優化方案在A、B、C三個工況下的NOx轉化效率對比。在三個工況中NOx轉化效率最高是排氣溫度為195℃的工況B，達到82%左右;而在溫度較低168℃時的工況A時，轉化效率在53%左右;在排氣溫度較高260℃時轉化效率僅為75%。這是因為在工況A時SCR催化器溫度較低，釩基催化劑未完全起活（釩基催化劑全面起活溫度200℃左右），所以NOx轉化效率較低;在溫度上升到200℃左右時催化劑完全起活，且工況B中的NO2占NOx的比例較高，促進SCR反應速率[7]，因此工況B的NOx轉化效率較高;在工況C中由于氣體組分中NO2含量較少，且SO2的含量較高，抑制了催化劑的活性[8]，導致在排氣溫度較高的工況下NOx轉化效率反而降低。

對比NO和NOx轉化效率可知，在穩態工況1s的SCR反應時間內，0.1s以后轉化效率趨于穩定，穩定后的三個方案的轉化效率差異很小，只有在低溫工況A中反應的0.5～0.7s中有最大為2%的差異。說明不同方案的SCR在低溫和中高溫的NOx轉化效率差異較小。方案一和二的整體結構優化主要是針對SCR氣體流動特性方面的優化，并在速度場均勻性和湍流動能方面有明顯的改善作用，但對SCR催化還原反應和NOx轉化效率影響較小。相較于方案二，原混合器SCR和方案一在載體出口區域NO分布較為均勻，主要原因是方案二中去除了載體后端的整流器所導致。對比方案一和二發現，雖去除整流器對NO在載體中的分布和NOx轉化效率影響較小，但是對NO在催化器出口處的分布均勻性有較大影響。說明載體后端的整流器對SCR的反應影響較小，但是對出口端的NO分布有較大影響。在實際應用中，出口端的NO分布會影響SCR后端NOx傳感器NOx的檢測，造成SCR系統控制精確度降低，可能會造成尿素噴射量過多或過少，所以在實際應用中載體后端的整流器必不可少。

3 總結

（1）針對載體前后進出口端進行了擴張管和收縮管的改進，并去除載體出口端的整流器，制定了方案一和方案二的整體優化方案。對于模型優化而言，更好的模型設計為速度均勻性較好的方案，所以方案一和二均較為合理。載體出口區域原模型SCR的湍流動能遠高于方案一和二。

（2）在NOx轉化效率方面，在溫度較低168℃時的工況A時，轉化效率在53%左右;三個工況中NOx轉化效率最高是排氣溫度為195℃的工況B，達到82%左右;在排氣溫度較高260℃時轉化效率僅為75%。去除催化器后端整流板對NO在載體中的分布和NO轉化效率影響較小，但對NO在催化器出口處的分布均勻性有較大影響，所以為了SCR出口NOx傳感器的檢測準確性，需要在催化器后端加整流器。

參考文獻：

[1]王修文，李露露，孫敬方，et al.我國氮氧化物排放控制及脫硝催化劑研究進展[J]. 工業催化，2019（2）.

[2]劉光文，劉柳成林，楊曉桐，et al.柴油機尾氣中NOx凈化催化劑的研究進展[J].遼寧化工，2018（7）：662-667.

[3]劉洋.基于POC和SCR技術降低車用柴油機顆粒物和氮氧化物排放的研究[D].山東大學，2015.

[4]馬盧平.柴油機后處理裝置的流場仿真分析與優化[D].2017.

[5]譚理剛，馮鵬飛，楊樹寶，等.基于CFD的Urea-SCR混合器性能研究[J].內燃機工程，2018（4）：61-66.

[6]Yang，B.，Yao，M.，Cheng，W.K.， Zheng，Z.，& Yue，L.（2014）. Regulated and unregulated emissions from a compression ignition engine under low temperature combustion fuelled with gasoline and n-butanol/gasoline blends.Fuel，120， 163-170.

[7]Arnarson，L.，Falsig，H.，Rasmussen，S. B.，Lauritsen，J. V.，& Moses，P. G. （2017）.A complete reaction mechanism for standard and fast selective catalytic reduction of nitrogen oxides on low coverage VOx/TiO2（0 0 1） catalysts. Journal of Catalysis，346，188-197.

[8]Kobayashi，M.，& Hagi，M.（2006）. V2O5-WO3/TiO2-SiO 2-SO42- catalysts：Influence of active components and supports on activities in the selective catalytic reduction of NO by NH3 and in the oxidation of SO2. Applied Catalysis B： Environmental，63（1-2），104-113.