柴油机SCR系统仿真及试验研究

吴秀铜

摘要：文章运用了数值模拟的方式对影响SCR催化器转化效率的部分参数进行了仿真。结果表明：SCR催化器最佳反应温度范围在180～560℃，不同尿素喷射量对转化效率有一定的影响，过少或过多尿素喷射量都会造成二次污染。安装混合器后转化效率均有10%左右的提高。

关键词：柴油机;转化效率;混合器

Abstract： The article uses numerical simulation to simulate some parameters that affect the conversion efficiency of the SCR catalytic converter， and verifies the accuracy of the model.The optimal reaction temperature range of SCR catalyst is 180～560℃. Different urea injection quantity has certain influence on conversion efficiency. Too little or too much urea injection will cause secondary pollution. After installing the mixer， the conversion efficiency is increased by about 10%.

Key words： duty diesel engine;conversion efficiency;mixer

0  引言

為了保护环境，通过制定相应严格的排放法规对污染物进行控制。如何有效地降低NOX排放是当前柴油机研究者所面临最严峻的考验[1]。

尿素选择性催化还原技术（Urea selective catalytic reduction，Urea-SCR）是当今世界公认降低NOX排放最有效的技术之一[2]。文章通过数值模拟方式对SCR催化器的温度、尿素喷射量及按照混合器对NOX转化效率的影响因素进行探究。

1  反应动力学模型

SCR内部有很复杂化学反应，主要包括尿素热解、水解反应，NOX的催化还原反应等[3]：

在AVL BOOST软件中建立的化学反应动力学模型采用的是Eley-Rideal机理描述各反应的反应速率[4]。

2  试验验证

选取特定的工况下，保持空速在40000h-1左右，在操作台架上调整转速和油门，使SCR入口温度达到180℃，用设备记录下原排，等到温度稳定后开始喷射尿素，直到氨泄漏量达到10ppm，用设备记录下现在的尾排及各项数据[5]。再次调整转速和油门，使SCR入口温度达到200℃，重复以上的试验步骤，依次类推，SCR入口温度每20℃的增幅逐渐升高至580℃，分别记录下试验数据进行分析得出结果[6]。如图1所示。可得模型准确性。

3  实验结果及分析

3.1 排气温度的影响

尿素在低温情况下不能充分的水解、热解以及喷雾雾化质量较差，不能充分形成还原性的NH3[7]，造成了效率很低。图2所示，到180℃的时候，转化效率达到95%。在300～400℃的时候效率大约下降了2%，这是因为要保证SCR入口温度为一定的时候，发动机的工况变化导致的，但这对转化效率影响不大。排温超过560℃时，转化效率有所下降，因为NH3对O2的选择性突然升高，使大部分NH3与O2发生反应，导致转化效率的降低[8]。

3.2 尿素喷射量的影响

过少或者过多的尿素喷射量会对环境造成二次污染，所以控制尿素喷射量的大小对NOX转化效率影响非常重要[9]。从图3可以看出随着尿素喷射量的增加，转化效率增加，到达一定值后，继续增加尿素喷射量转化效率保持不变，反而会造成NH3过量泄漏[10]。这是因为加喷尿素量就要增加喷射时间，那么后期喷射尿素生成的NH3与NOX作用时间会越来越短，结果转化率下降[11]。

3.3 混合器的影响

为了降低结晶风险，在喷嘴和催化剂之间安装混合器装置[12]，如图4所示。混合器主要作用有：使尿素水溶液在进入催化器前加速热解和水解与尾气充分混合，提高混合均匀性，从而提高SCR催化器的转化效率[13]。如图5所示，安装混合器后转化效率均有10%左右的提高。

4  结论

①催化器最佳反应温度区间为180～560℃，温度过高或过低转化效率会降低。

②转化效率先随着尿素喷射量增加而先增加，然后保持不变，但是会导致NH3泄漏。

③催化器在安装混合器后均有10%左右的效率提高。

参考文献：

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