利用STAR-CD对重型柴油机SCR系统进行布置优化

gushiren

图1  SCR系统原理图



尿素选择性催化还原系统（SCR）是未来降低重型柴油机的NOX排放的一种有效方式。利用计算流体力学软件STAR-CD来模拟混和管中尿素水溶液的喷雾情况，通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度，避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。

20世纪90年代以来，世界各国对发动机排放法规的不断严格，大大推动了发动机技术的发展。我国从2008年7月１日起全面实施国Ⅲ排放法规，2010年1月1日将要实施国Ⅳ排放法规。目前，国内的几家大型柴油机厂大都通过机内净化降低碳烟，然后利用SCR系统降低NOX排放的方法来满足国Ⅳ排放法规对碳烟和NOX的限制。




图2  SCR系统网格和边界条件位置图





SCR系统包括：尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。系统的基本工作原理是（见图1）：尾气从涡轮出来后进入排气混和管，在混和管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被还原为N2，防止泄漏。一般情况下，消耗100L燃油的同时会消耗5L液体尿素水溶液。在SCR中发生的化学反应如下：

尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2

NOX还原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

NH3氧化：4NH3＋3O2→2N2＋6H2O

在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括：尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOX在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。利用数值模拟研究这些过程，可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。




图3  在某一位置不同的喷射方向





本文介绍了在某重型国Ⅳ柴油机的开发过程中，利用CFD工具对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。通过对SCR载体入口速度均匀性和整个载体的压力损失情况进行计算分析，保证载体入口速度分布均匀，整个系统产生较小的压力损失。

计算物理模型及边界条件

整个SCR系统的网格特点和边界条件位置如图2所示。其中管路采用六面体和O-grid网格，SCR载体内部采用四面体网格，SCR系统中的载体和插孔管利用多孔介质来模拟。




图4  水平方向喷射粒子运动轨迹





尿素水溶液喷雾模拟是一个复杂的过程，其中包括液滴的雾化、破碎、蒸发、液滴与气体能量动量交换、粒子撞壁过程及液膜形成等。一般采用DDM方法来描述离散液滴分布，它不考虑全部液滴，而只处理其中若干具有代表性的样本。每个样本都代表一定数量的、大小和状态都完全相同的液滴。用拉格朗日方法跟踪这些液滴样本的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组微分方程。Reitz/Diwakar的破碎模型用来模拟破碎过程。尿素水溶液的特性按照SAE上提供的物理特性来设置。本次计算没有考虑尿素水溶液的水解、热解等化学反应特性，以水蒸气的分布来代替NH3的分布。




图5  向下偏5°方向喷射粒子运动轨迹





计算结果分析

SCR系统混和管的布置设计对SCR载体内的化学反应有很大的影响。在国Ⅳ柴油机的开发过程中，相当多的工作是对混和管进行优化设计，包括管道的几何形状、尿素喷射装置的位置和喷射角度等。本文主要利用CFD工具对两个喷射位置不同喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。图3中的红色线条代表喷射方向与水平方向一致，蓝色线条代表喷射方向向下偏离水平方向5°，绿色线条代表喷射方向向下偏离水平方向10°。




图6  向下偏10°方向喷射粒子运动轨迹





优化后粒子轨迹

图4～图6为位置1优化后粒子的运动轨迹，图7为位置2优化后粒子的运动轨迹。




图7  向下偏5°方向喷射粒子运动轨迹





计算表明在低负荷时，粒子轨迹受排气流的影响较小，粒子沿着喷射方向运动，与壁面碰撞的粒子数量少。但是在大负荷下，粒子受排气流的影响较大，粒子被吹向管道的一侧，容易在壁面形成液膜。由于喷射的粒子大小不一，体积较小的粒子最容易被吹偏。




图8  质量流量百分比分配





结晶主要出现在小负荷的情况下，此时排气流量速度低，对粒子的运动轨迹影响小。如果安装角度偏差，粒子就会与管道壁面碰撞，出现结晶现象。而对于大负荷，虽然气流对粒子轨迹影响大，尤其是对小直径的粒子，但是由于排气温度高，粒子溶液蒸发，就是碰撞到管道壁面，也会很快蒸发，而不会结晶。高温管道壁面对粒子起到加速蒸发的作用。但是如果粒子沉积后降低了壁面温度，则壁面对粒子起到冷却的作用，更容易发生沉积结晶现象。




图9  速度均匀性系数





载体入口的速度均匀性及压力分布

催化载体入口的速度分布是否均匀直接影响催化剂的催化转化效率。流速不均匀会在载体中心区域产生过高的气流速度和温度，加剧催化剂的劣化速度，缩短其使用寿命。另外，流速分布不均匀还会导致载体径向温度梯度过大，产生较大的热应力梯度，产生热疲劳破坏。通常利用速度均匀性系数来评价入口的速度是否均匀。速度均匀系数越大，入口的速度越均匀；系数越小，速度分布越不均匀。通常需要速度均匀系数在0.8以上。图8为流过不同载体的气体流量分配，图9为速度均匀系数。通过各个载体的气体流量基本相等，避免了局部过热和流速过高的情况，保证了载体的运行环境。

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针对重型柴油机SCR系统布置优化，采用STAR-CD软件进行模拟分析是一个有效的手段。

在该过程中，我们将首先对现有SCR系统布局进行深入评估，识别潜在问题。接着，借助STAR-CD软件的强大仿真功能，对系统气流、温度场及催化剂活性等进行精细模拟。通过优化布置，可以确保气流均匀分布，提升催化剂活性，从而提高系统的整体效率。此外，我们还将对优化方案进行验证，确保其在真实环境下的性能表现。

总之，借助STAR-CD软件，我们能够实现对重型柴油机SCR系统的高效优化，提升柴油机的性能并降低排放。