杨树启　段绍斌　张世伟

摘 要：通过对SCR催化器进行了两种整体结构优化，通过不同结构的催化器的速度场、湍流动能大小、NOx转化效率等，分析不同SCR催化器整体结构可行性。相比较于原方案，优化后的两个方案有更好的流动均匀性;三个工况中NOx转化效率最高是排气温度为195℃的工况B，达到82%左右;在排气温度较高260℃时转化效率仅为75%，催化器整体结构优化对SCR转化效率影响较小，但催化器后端整流板，对NO在载体中的分布和NO转化效率影响较小，但对NO在催化器出口处的分布均匀性有较大影响。

关键词：职业院校;SCR催化器;对湍流动能;教学实践

1 引言

氮氧化合物（NOx）和颗粒物（PM）为柴油机主要排放污染物，NOx排放对人体和大气环境有较大的破壞作用[1]。面对日渐加重的环境污染问题，国家制定的排放法规愈发严格，而选择性催化还原反应（Selective catalytic reduction，SCR）技术是处理NOx排放的最有效的技术手段之一[2]。SCR技术是以涂覆有贵金属催化剂（如钒基，铜基）的催化器的催化促进作用下，在排气管中喷射尿素水溶液（一般浓度为32.5%）或以NH3作为直接还原剂，将发动机尾气中的NO和NO2还原为N2和O2的净化装置。在NOx处理技术中目前欧洲和国内最主流采用SCR技术。对SCR的结构优化及催化反应特性的研究具有重要的理论指导和实践应用意义[3]。

2 柴油机SCR三维模型的构建

2.1 边界条件的设置

本次模型验证仿真过程选择了不同转速及转矩工况下，SCR台架试验过程中的3个工况点进行边界条件参数设置。模型计算过程中，所有的计算在1s内实现了稳定，所以SCR模型计算时间统一设定为1s。具体参数设置如表1所示。各个工况下的排气组分参数如表2所示。

2.2 不同方案的SCR整体结构优化及结果对比分析

本次整体优化主要是针对载体前后进出口端进行了扩张管和收缩管的优化，并去除载体出口端的整流器，制定了方案一和方案二。

2.2.1 不同方案速度场对比分析

SCR不同整体优化方案在A、B、C三个工况下的速度场对比。由图可知，随着催化器入口流量的增加，三个工况中的气流速度均不断增加，三个方案的速度场分布趋势相似，但是三个方案在模型改进前后的局部区域气体流动特性存在明显差异。对比三个方案的载体入口区域，在无扩张管的原混合器上气体流速明显往载体径向外侧方向加快，在载体中心出流速较慢，而在有扩张管的方案一、二中载体入口区域内速度分布较为均匀;对比三个方案的载体出口区域，明显发现原混合器的出口区域速度场分布很不均匀，而在有收缩管的方案一、二中载体出口区域，气流速度分布均较为均匀。对于模型优化而言，更好的模型设计为速度均匀性较好的方案[4]，所以对比原模型，有扩张管和收缩管及进出口在一直线上的方案一和二均较为合理。

2.2.2 不同方案对湍流动能对比分析

SCR不同整体优化方案在A、B、C三个工况下的湍流动能对比。随着三个工况气流量的不断增大，三个方案载体前后区域湍流动能不断增大，整体变化趋势相似，但是相同工况下三个方案的湍流动能有较为明显的差异。相较于原模型，方案一和二的入口端的湍流动能均较小，特别在载体入口区域段原模型有较大的湍流动能;在载体出口端区域原模型SCR的湍流动能远高于方案一和二，而且随着气流量的增大，差异越明显。另外，在载体后端整流器比无整流器的湍流动能更小。对于SCR系统而言，在混合器后端有较高的湍流动能说明气流运动强烈，有利于进入气流中的尿素的蒸发和NH3与NOx的混合，促进SCR系统的反应效率。但湍流动能也会造成SCR系统压力损失增加，特别是在载体后端区域，应该有较小的湍流动能[5]。

2.2.3 不同方案NO分布及NOx转化效率对比分析

SCR不同整体优化方案在A、B、C三个工况下的NO分布对比。由于发动机排气中的NO占NOx质量分数的90%以上的比例，NO的转化效率可以作为NOx转化效率的主要依据，所以为了便于分析将NO转化效率为NOx转化效率高低的依据[6]。由图可知，随着气流量和温度的不断增大，三个方案中的NO的转化效率均有所升高，且呈相似分布趋势。三个工况中NO转化效率在工况B最高，工况A最小。

SCR不同整体优化方案在A、B、C三个工况下的NOx转化效率对比。在三个工况中NOx转化效率最高是排气温度为195℃的工况B，达到82%左右;而在温度较低168℃时的工况A时，转化效率在53%左右;在排气温度较高260℃时转化效率仅为75%。这是因为在工况A时SCR催化器温度较低，钒基催化剂未完全起活（钒基催化剂全面起活温度200℃左右），所以NOx转化效率较低;在温度上升到200℃左右时催化剂完全起活，且工况B中的NO2占NOx的比例较高，促进SCR反应速率[7]，因此工况B的NOx转化效率较高;在工况C中由于气体组分中NO2含量较少，且SO2的含量较高，抑制了催化剂的活性[8]，导致在排气温度较高的工况下NOx转化效率反而降低。

对比NO和NOx转化效率可知，在稳态工况1s的SCR反应时间内，0.1s以后转化效率趋于稳定，稳定后的三个方案的转化效率差异很小，只有在低温工况A中反应的0.5～0.7s中有最大为2%的差异。说明不同方案的SCR在低温和中高温的NOx转化效率差异较小。方案一和二的整体结构优化主要是针对SCR气体流动特性方面的优化，并在速度场均匀性和湍流动能方面有明显的改善作用，但对SCR催化还原反应和NOx转化效率影响较小。相较于方案二，原混合器SCR和方案一在载体出口区域NO分布较为均匀，主要原因是方案二中去除了载体后端的整流器所导致。对比方案一和二发现，虽去除整流器对NO在载体中的分布和NOx转化效率影响较小，但是对NO在催化器出口处的分布均匀性有较大影响。说明载体后端的整流器对SCR的反应影响较小，但是对出口端的NO分布有较大影响。在实际应用中，出口端的NO分布会影响SCR后端NOx传感器NOx的检测，造成SCR系统控制精确度降低，可能会造成尿素喷射量过多或过少，所以在实际应用中载体后端的整流器必不可少。

3 總结

（1）针对载体前后进出口端进行了扩张管和收缩管的改进，并去除载体出口端的整流器，制定了方案一和方案二的整体优化方案。对于模型优化而言，更好的模型设计为速度均匀性较好的方案，所以方案一和二均较为合理。载体出口区域原模型SCR的湍流动能远高于方案一和二。

（2）在NOx转化效率方面，在温度较低168℃时的工况A时，转化效率在53%左右;三个工况中NOx转化效率最高是排气温度为195℃的工况B，达到82%左右;在排气温度较高260℃时转化效率仅为75%。去除催化器后端整流板对NO在载体中的分布和NO转化效率影响较小，但对NO在催化器出口处的分布均匀性有较大影响，所以为了SCR出口NOx传感器的检测准确性，需要在催化器后端加整流器。

参考文献：

[1]王修文，李露露，孙敬方，et al.我国氮氧化物排放控制及脱硝催化剂研究进展[J]. 工业催化，2019（2）.

[2]刘光文，刘柳成林，杨晓桐，et al.柴油机尾气中NOx净化催化剂的研究进展[J].辽宁化工，2018（7）：662-667.

[3]刘洋.基于POC和SCR技术降低车用柴油机颗粒物和氮氧化物排放的研究[D].山东大学，2015.

[4]马卢平.柴油机后处理装置的流场仿真分析与优化[D].2017.

[5]谭理刚，冯鹏飞，杨树宝，等.基于CFD的Urea-SCR混合器性能研究[J].内燃机工程，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.