尿素噴嘴對SCR 系統噴射霧化影響仿真研究

郭朋彥, 楊奧雷, 陳全征, 李立建

（華北水利水電大學機械學院， 河南 鄭州 450045）

隨著社會經濟的發展，機動車數量不斷增加，環境污染問題日趨嚴重，其中內燃機排放的污染物也已不容忽視。在內燃機中，柴油機相對汽油機有燃油經濟性強和效率高等優點，一般多用在大型車輛和船只上等［1-2］。在柴油機排放的尾氣中，主要的有害物質有氮氧化物（NOx） 和顆粒物（PM）。根據中國機動車環境管理年報（2019） 表明：柴油機排放的NOx約占總汽車污染物的70%，而PM約占90%，造成這種問題的主要原因是柴油機尾氣溫度比汽油機低，使尾氣后處理系統不能高效工作［4］，Urea-SCR技術已被廣泛應用于降低柴油機的NOx排放。盡管幾十年來取得了顯著進展，但隨著全球NOx排放標準的日益嚴格，仍需要對Urea-SCR系統進行更先進的控制和優化。本文通過Fluent軟件針對尿素水溶液的噴射進行了模擬研究，探究改變尿素噴嘴參數對NOx轉化效率影響的研究。

1 Urea-SCR技術原理

Urea-SCR技術是通過控制單元的控制將32.5%的尿素水溶液在尾氣排氣管內以霧化的形式噴入，在排氣管的高溫環境中尿素水溶液進行熱解反應生成氨氣 （NH3） 和異氰酸（HNCO），氨氣與尾氣中的NOx在催化劑的作用下生成氮氣和水，而異氰酸在催化劑的作用下生成氨氣和二氧化碳，水解生成的氨氣與NOx在催化劑的作用下發生氧化還原反應生成氮氣和水。其反應機理可簡化為下列幾步。

1） 熱解反應：

2） 水解反應：

3） 催化劑表面上的化學反應：

2 SCR計算模型

2.1 幾何模型

如圖1所示為Urea-SCR系統尾氣管部分結構二維圖，該部分結構由入口管、擴張管、催化劑、收縮管、出口管這5部分組成。結構尺寸分別為：①入口管管徑為20mm，長度為2000mm；②擴張管與收縮管的錐角為40°；③催化劑載體管徑為200mm，長度450mm；④出口管管徑為20mm，長度為200mm。

2.2 網格劃分

利用ICEM對所建立的模型進行網格劃分，為保證計算精度，網格使用6面體結構型網格，由于該模型為圓柱形，采用O型剖分方法對該模型進行網格劃分，最后進行網格品質檢查。

圖1 Urea-SCR系統尾氣管部分結構二維圖

2.3 邊界條件

模型入口邊界條件設置為質量流量入口300kg/h，進氣溫度設置為300K， 進口湍流參數采用湍流強度為5%，壓力直徑為80mm；出口邊界條件設置為壓力出口，出口壓力值為101kPa，壁面采用無滑移壁面，壁面對流傳熱系數設置為10W/（m2·K） 噴入尿素水溶液的質量流量設置為20g/min［3］。尿素噴嘴的噴射類型為實心錐，尿素液滴為多組分 （尿素32.5%，水67.5%），尿素液滴初始溫度為300K，液滴直徑分布方式為Rosin-Rammler，噴霧半錐角為10°［5］。本文噴嘴均采用4噴孔，孔徑為0.5mm設計。

3 計算結果與分析

3.1 噴嘴位置對尿素SCR系統的影響

此尿素SCR系統尿素噴嘴采用徑向噴射方法，本文采用噴嘴在尾氣管內的6個位置來研究噴嘴位置對尿素SCR系統的影響，令進口直徑為D，該6個位置分別為離尾氣管進口為2D、6D、10D、14D、18D、22D的位置。通過改變噴嘴的位置來分析催化器前端位置的氨氣的均勻性。

結果如圖2所示，由結果顯示可知，隨著尿素噴嘴位置的不斷向催化劑靠近，載體前端位置的氨氣均勻性以及平均質量分數都呈下降趨勢，并且是隨著噴嘴距離催化劑越近，均勻性和平均質量分數下降趨勢越大，下降趨勢基本和文獻［6］保持一致。

圖2 載體前端位置氨氣均勻性及平均質量分數

原因是由于尿素噴嘴距離催化劑越近，噴射霧化的尿素溶液沒有充分進行熱解，尿素溶液不能與尾氣進行充分混合，使其尿素溶液熱解產生的氨氣不能與尾氣中的NOx進行充分反應，導致催化劑前端的氨氣分布均勻性系數和平均質量分數越低。提高尿素噴嘴與催化劑之間的距離，可以有效提高NOx的轉化效率。

3.2 噴嘴數目對尿素SCR系統的影響

為了方案的質量流量的一致性，每個方案的噴孔流量為總質量流量與噴孔數目之比。噴嘴位置設置在10D位置呈等距圓周分布。噴嘴數目分別設置為3、4、6、8，來分析噴嘴數目對載體前端氨氣分布均勻性的影響。

結果如圖3所示，隨著噴嘴數目的增加，載體前端NH3均勻性系數呈現先上升后趨于平緩狀態。

圖3 載體前端位置氨氣均勻性系數

原因是由于總質量流量一定，隨著噴嘴數目的增加，液滴越分散，液滴與尾氣混合效果越好，尿素熱解充分，能有效提高NOx轉化效率。由于噴嘴數目越多，液滴與尾氣混合度達到臨界值，氨氣的均勻性不再增加，使其NH3均勻性系數趨于平緩狀態后略微下降，所以6噴嘴數目效果最好。

3.3 噴射方向對尿素SCR系統的影響

噴嘴位置設置在10D位置，設置7個噴射方向與尾氣流向方向的夾角，分別是22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°，來分析這7個噴射方向對載體前端NH3分布的均勻性的影響。

結果如圖4所示，隨著噴射方向與尾氣流向夾角的不斷增大，載體前端NH3均勻性系數呈現先上升，再趨于平緩，再下降趨勢。

原因是由于噴射方向角度小，呈現銳角或者鈍角狀態，液滴的軸向分速度大于徑向速度，液滴在尾氣管中存在時間短，以及液滴主要分布在中間部位，不能與尾氣充分混合，在噴射方向90°狀態時，液滴在尾氣管存在的時間最長，與尾氣混合度也最好，所有NH3的分布均勻性最高。

4 總結

本文針對柴油機尾氣后處理SCR系統中尿素噴嘴對SCR系統噴射霧化的影響進行仿真研究。研究結果表明：隨著噴嘴和尾氣進口之間距離的增大，NH3的均勻性系數和平均質量分數均逐漸減小；隨著噴嘴數目的增加、噴射方向與尾氣流動方向夾角的增加，載體前端NH3分布均勻性均呈現先增大后減小的趨勢。

圖4 載體前端位置氨氣均勻性系數