8舶柴油机Urea-SCR系统催化反应动力学分析

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ｒ一第３３卷－ｖ０１．３３Ｌ

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ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７ｌ一７７７５．２０１２．０１．００８船舶柴油机Ｕｒｅａ—ＳＣＲ系统催化反应动力学分析

朱元清１，周松１，刘淼１，王金玉２（１．哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００ｌ；２．潍柴动力股份有限公司应用工程部，山东潍坊２６１０４１）

摘要：针对Ｕｒｅａ．ＳＣＲ系统的工作特点，利用计算流体动力学耦舍化学反应动力学的方法，对某型船舶柴油机ｕｒｅａ．ｓｃＲ系统的高负荷性能进行了计算，得到了脱硝率（ＤｅＮＯ，率）、ＮＨ３逃逸率和尿素消耗量的关系，探讨了快速ｓｃＲ反应对脱硝率和ＮＨ３逃逸率的影响，分析了催化过程中各组分质量分数的空间分布．结果表明：假定尿素溶液均匀混合在废气中，当（ＮＨ２）：ｃＯ与ＮＯ。摩尔比为０．４７５时，即ＮＨ，与ＮＯ。摩尔比为０．９５，脱硝率和ＮＨ，逃逸率的匹配最佳，且脱硝率的计算值与试验值的误差保持在５％以内；高负荷时，快速ｓｃＲ反应可使系统脱硝率进一步提高，并可以明显降低系统ＮＨ，逃逸率，避免造成二次污染．关键词：船舶柴油机；Ｕｒｅａ—ＳＣＲ系统；脱硝率；ＮＨ３逃逸率；催化过程中图分类号：ＴＫ４２１＋．５文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—７７７５（２０１２）０ｌ一００３４一０５

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随着柴油机排放标准的日趋严格，Ｕｒｅａ—ＳｃＲ技术得以在船舶、汽车领域大规模应用¨引．由于船舶、汽车的空间限制，柴油机排气系统的体积不能过大，以及船舶、汽车柴油机排气流速较高，导致ｕｒｅａ－ＳｃＲ系统内空间速度远大于电站ｓＣＲ，降低了ｕｒｅａ．ＳＣＲ系统的脱硝率（以下称：ＤｅＮＯ。率）．在柴油机的负荷频繁变化时，该问题尤为明显㈨．Ｕｒｅａ—ＳＣＲ（Ｕｒｅａ—ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌ），ｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）反

收稿日期：２０１１—０５—１３基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７９０３５）作者简介：朱元清（１９８６一）。男．山东临沂人。博ｌ：研究生（小ｕｙｕ鲫ｑｉｎｇ＠ｈｒｌ）ｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事内燃机排放与控制技术研究．周松（１９６７一），男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士生导师（∞ｎｇｚＩｌｏｕ＠ｈｄ）ｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事内燃机燃烧、排放控制、工作过程及可靠性研究．

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万方数据３５

应足一种复杂的气、同多相催化反应，主要包括尿素热解反应、ＨＮｃ０水解反应、ＮＨ、在催化剂上的吸附反应、ＤｅＮｏ。反应、生成物的解附反应等过程．由于催化理论及实验技术的欠缺，尚未有一个公认的ｓｃＲ反应机理４，但是，ｓｃＲ催化反应过程中的主要总包反应（ＤｅＮ０。反应）方面已经达成共识所以，在宏观反应路径的基础上，利用汁算机模拟技术对ｕｒｅａ—ｓｃＲ的催化反应过程进行研究，是ｕ㈣一ｓｃＲ技术研究的重要手段之一．笔者选取ｓｃＲ过程中主要的总包反应，利用汁尊流体／厂≯耦合化学反应动力学的方法，对荣型船舶柴油机ｕｍａ—ｓｃＲ系统的催化过程进行数篮模拟，研究小同Ｄｅ—Ｎｏ；反应对ＤｅＮｏ，率和ＮＨ，逃逸率的影响，分析不同尿素供应量下系统的ＤｅＮ０。率及各组分质量分数的分自ｊ情况，为ｕｒｅａ—ｓｃＲ系统的设计提供理论基础．１数学模型１．１物理模型及网格划分ｕ—ａ—ｓｃＲ系统是使用尿素溶液作为还原剂的催化转化装置，可将废气一ｆ，的Ｎｏ，转化成Ｎ！和ｆ１１０．采用某型船舶柴汕机（】２６００ｋｗ，５００ｒ－ｎ，ｉ１１一）的ｕｒｅａ．ｓｃＲ系统（图１）为物理模型进行研究，其最高脱硝牢高于９０％该系统采用喷射尿素（（ＮＩｌ，），ｃ０）溶液的方法，将还原剂引入柴油机废气中，并使用３层催化刑进行Ｊ二作，以减少ＮＨ，逃逸率，避免造成二次｝‘染．采用分块画网格的方法，完成了网络划分，共有六面体结构化网格数２６万个，如图２所示舻＊【祷用催化剩Ｉ扎ｉ墓荆Ｉ冬１２某船ｕｒｅａ—ｓｃＲ系统的计算网格１．２基本控制方程由于Ｕｒｅａ—ｓＣＲ催化过程是一个复杂的气固反应过程，ｕｒｅａ—ｓｃＲ催化转化系统的数学模型应该能够描述气牛口中的扩散和传导效应、气嗣边界层中质量和能量的输运、催化剂涂层中的气体扩散和催化转化反应以及固相中的热传导效应冈此，建立的计算流体力学模刑包括气相连续方程、气相动量方程、７ｃ卡Ｕ能量方程、固相能量方程、气相状态方程和☆一ｆ一＿厂湍流方程．其中，＾一ｆ—Ｉ厂湍流方程为ＡＶＬ公司开发的四方程湍流模型，其精度和稳定性较好，计算时｜１１ｊＪ仅比＆一ｓ模型多１５％，其主要方程’为ｋｂ税：

警以…盎【…¨差】

ｓ方程：警＝坐笋＋烈（ｒ＋参）毒］ｄｆｒａｚ。【ｌ’。盯Ｊ

ａｚ。Ｊ

ｆ方程：

（２）

警＝，一鲁一＋壶［（Ｖ＋争）差］·ｃｓ，

／方程：Ｈｚ纛：∽坩．纠印心譬，

（４）ｐ，＝ｃ。非ｒ，ｆ＝等，（５）

ｒ＝叫詈，ｃ，㈡］，（６）

Ｓ、Ｓ，Ｊ

…删降ｃ。㈧“］，㈩

式中：＾为湍动能；Ｐ。为应／Ｊ项；ｓ为湍动能耗散串；ｖ为运动黏度；ｖ，湍流黏度；“！为黏度尺度：ｆ黏度尺度比；ｒ为湍流时间尺度；Ｌ揣流长度尺度；，松弛酾数；ｏ，，ｏ，为ｓ方程和ｆ方程所对应的普朗特数；ｃ，，ｃ７．，ｃ小ｃ小乞，ｄ¨ｃ。均为经验常数．１．３化学反应模型ｕｒｅａ—ｓｃＲ催化过程是由许多化学反应组成，其详细反应机理尚未得到证实．总包反Ｊ缸可以在一定程度上描述一个反应过程的初始状态和最终状态，所以，使用多个总包反应是可以对ｕｒｅａ—ｓｃＲ反应过程进行描述．为便于建立ｕｒｅａ—ｓｃＲ反应模刑，进行假定”…：①ＮＨ，吸附反应和ＮＨ、解附反应处于准平衡状态，即忽略这２个反应对肌Ｎ（），反应的影

万方数据３６响；②ｕｒｅａ—ｓｃＲ过程由尿素热解反应、ＨＮｃ０水解反应、快速ｓｃＲ反应、标准ｓｃＲ反应、慢ｓｃＲ反应和ＮＨ，的氧化反应组成，其反应式为尿素热解反应：（ＮＨ，），Ｃ０—＋ＮＩ｛，＋ＨＮＣＯ．（８）异氰酸水解反应：ＨＮＣＯ＋Ｈ２０—，ＮＨ３＋Ｃ０２（９）标准ｓＣＲ反应：４ＮＨ３＋４Ｎ０＋０２—｝４Ｎ２＋６Ｈ２０（１０）

快速ＳｃＲ反应：

４ＮＨ，＋２ＮＯ＋２Ｎ０２—｝４Ｎ２＋６Ｈ２０．（１１）慢速ｓｃＲ反应：４ＮＨ３＋６Ｎ（）—巧Ｎ２＋６Ｈ２０．（１２）ＮＨ，氧化反应：４ＮＨ３＋３０２＿２Ｎ２＋６Ｈ２０．（１３）该过程化学反应遵循能量最低原理，可使用阿伦尼乌斯定律描述所有化学反应速率１．４边界条件本研究某型柴油机１００％负荷下不ｌ司还原剂使用量下ｕｒｅａ—ｓｃＲ反应系统的ＤｅＮ０。率及不同组分浓度的分布情况．计算选取还原剂喷人前后６ｓ内的工作情况，最小时间步长为０．０５ｓ，ｕｒｅａ—ｓｃＲ系

统入ｕ边界条件设定为质量流量人口，质量流量２３４妇·ｓ～，温度３３７℃．其中，人厂丁气体组分按照试验测量值进行设置，并以Ｎ：作为平衡气．催化剂壁面设置为绝热壁面，其他壁面导热系数为５ｗ·（ｍ２·Ｋ）～，环境温度为３０ｑｃ．出口边界条件为压力出口．压力为０．１ＭＰａ．催化反应区设置为多孔介质，其设置按照催化剂参数进行设置．

２计算结果及分析２．１不同还原剂使用量下的ＤｅＮｏ，率

尿素溶液喷射量的标定是ｓｃＲ系统应用的重要一环，尿素溶液的使用量不仅影响着该系统的ＤｅＮ０，率，还对系统的ＮＨ，逃逸率有着再大影响．为分析尿素使用量对ＤｅＮｏ，率和ＮＨ，逃逸率的影响，以船舶柴油机１００％负荷下ｕｒｅａ—ｓｃＲ系统的工作情况为研究对象，对不同（ＮＨ：）：ｃＯ‘ｊＮ０、

摩尔比ｒ．下ＤｅＮ０，率和ＮＨ，逃逸率进行研究．在不改变其他参数的情况下，分别对（ＮＨ：）：ｃ０与Ｎ０，摩尔比为０．４００，Ｏ．４２５，Ｏ．４５０，０．４７５，０５００，

Ｏ．５２５，０５５０的催化反应过程进行模拟，其模拟结果如图３，４所示

，、ｏ．、ｏ二转化娥率‘ｊ、ｍ逃逸牢艇‘的＋￡化规律

刖４ＤｅＮｏ。率与ＮｌＩ，逃逸率随ｒ．的变化规律

分析图３，４ｎＪ知，随着尿素消牦率的增加，Ｄｅ—Ｎ０，率呈现一直增长的趋势，但到尿素与ＮＯ。摩尔比为ｏ５００时，ＤｅＮ０，率趋于平缓．尽管如此，随着尿素消耗率的增加，ＮＨ，的逃逸率呈现一直增｜受趋势，而且到尿素与Ｎ０。摩尔比为０．５００时，ＮＨ，逃逸率急剧增长．在确定ｕｒｅａ—ｓｃＲ系统的尿素溶液喷射策略时，很难均衡ＤｅＮｏ，效率和ＮＨ，逃逸率，即在尽量减少尿素消耗率的情况下，获得较高的Ｄｅ－Ｎｏ。率和较低ＮＨ，逃逸率利用计算模拟手段，对不同负荷Ｆ的尿素溶液消耗量进行分析研究，可以有效地辅助解决这个问题．综合分析发现，在１００％负荷时，（ＮＨ：）：ｃＯ与ＮＯ。摩尔比为Ｏ．４７５，即ＮＨ，与ＮＯ。摩尔比为Ｏ．９５０，ＤｅＮ０。率和ＮＨ，逃逸率的匹配最佳．２．２高负荷下快速ＳｃＲ反应的作用由于船舶柴油机排气组分的特点，在ｓｃＲ系统中起主导作用的是标准ｓｃＲ反应，但是在低温时，快速ｓｃＲ反应的速率要远快于标准ｓｃＲ反应，所以，提高快速ｓｃＲ反臆在ｓｃＲ催化反戊中的比重是提高ｓｃＲ反应速率、系统ＤｅＮ０。率的重要途径经研究发现：Ｎ０与Ｎ０，摩尔比厂１为ｌ：ｌ时，ＤｅＮｏ，反应主要为快速ｓｃＲ反应，且反应速率最快”为研究快速ｓｃＲ反应对高负荷下Ｔ）ｅＮｏ。的影响，以船舶柴油机１００％负荷下ｕｒｅａ—ｓｃＲ系统的Ｔ作情况为研究对象，分别对ｒ１为９：ｌ和ｌ：１时的ＤｅＮｏ。