柴油機(jī)Urea-SCR系統(tǒng)還原劑添加過程的基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，選擇性催化還原技術(shù)（SCR）已經(jīng)成為滿足國(guó)Ⅳ及以上法規(guī)的重要手段。目前普遍采用尿素水溶液為SCR系統(tǒng)提供還原劑，尿素水溶液噴入排氣管后需經(jīng)歷一系列復(fù)雜的過程才能轉(zhuǎn)化為氨氣，這一轉(zhuǎn)化過程將會(huì)對(duì)SCR系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響。對(duì)SCR系統(tǒng)的還原劑添加過程進(jìn)行深入研究，提高尿素向氨氣的轉(zhuǎn)化效率，降低結(jié)晶發(fā)生的可能性，具有重要的研究意義。
　　本文將對(duì) Urea-SCR系統(tǒng)還原劑添加過程中尿素分解以及結(jié)晶等基礎(chǔ)問題進(jìn)行

2、深入研究，對(duì)尿素水溶液蒸發(fā)、熱解、碰壁、結(jié)晶等過程進(jìn)行詳細(xì)建模，并與排氣流動(dòng)相耦合，建立SCR系統(tǒng)氣液兩相流的準(zhǔn)一維模型，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)氣相產(chǎn)物生成以及結(jié)晶成分、分布以及結(jié)晶量的預(yù)測(cè)。全文主要工作及結(jié)論如下：
　　1) UWS噴霧單液滴的蒸發(fā)熱解過程研究。對(duì)UWS噴霧單液滴的蒸發(fā)、熱解、運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了建模，引入了一個(gè)與排氣溫度有關(guān)的系數(shù)對(duì)蒸發(fā)速率公式進(jìn)行修正，用簡(jiǎn)化的直接分解模型來(lái)描述液滴中尿素的熱解過程。計(jì)算結(jié)果表明：液滴初始直徑和

3、排氣溫度對(duì)液滴的蒸發(fā)時(shí)間和總時(shí)間影響非常大；熱解過程相比于蒸發(fā)過程對(duì)溫度更敏感，當(dāng)溫度較高時(shí)，蒸發(fā)過程是液滴消逝總時(shí)間的決定因素；實(shí)際SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，UWS噴霧分解的時(shí)間和空間有限，液滴到達(dá)催化劑前很難完全分解，通過改變噴射方式，合理的組織噴霧碰壁，增加混合器，增強(qiáng)排氣湍流等方式來(lái)加速液滴的分解是非常有必要的。
　　2）SCR系統(tǒng)結(jié)晶成分分析及尿素?zé)峤饣瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模。在自主搭建的柴油機(jī)尾氣熱源模擬臺(tái)架上進(jìn)行了SCR系統(tǒng)的結(jié)

4、晶試驗(yàn)，通過TG/DSC、DRIFTS、HPLC等手段對(duì)試驗(yàn)中生成的結(jié)晶成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明：排氣溫度為449K時(shí)生成的結(jié)晶基本為尿素，排氣溫度為504K和540K時(shí)結(jié)晶主要成分是縮二脲和三聚氰酸，HPLC分析表明，排氣溫度升高后結(jié)晶中三聚氰酸比例會(huì)增加。在此基礎(chǔ)上，搭建了尿素?zé)峤獾幕瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，基于粒子群算法對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最后對(duì)尿素的結(jié)晶特性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：結(jié)晶成分與溫度密切相關(guān)，隨著溫度的升高，結(jié)晶中

5、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺的比例會(huì)增加；總體上，隨著溫度的升高以及時(shí)間的增加，結(jié)晶率呈下降趨勢(shì)，650K以后尿素基本完全分解；升溫速率增加會(huì)導(dǎo)致三聚氰酸的大量形成，從避免結(jié)晶的角度來(lái)說(shuō)，減緩升溫速率是較為有效的方法。
　　3）SCR系統(tǒng)氣液兩相流準(zhǔn)一維數(shù)學(xué)建模。對(duì)排氣管內(nèi)的氣體流動(dòng)、噴霧運(yùn)動(dòng)、液滴蒸發(fā)、尿素?zé)峤?、噴霧碰壁、壁面?zhèn)鳠?、壁膜形成發(fā)展以及結(jié)晶等過程進(jìn)行了詳細(xì)建模，提出了一維壁膜的概念，考慮了噴霧和壁膜中尿素?zé)峤膺^程的差異，

6、最終建立了SCR系統(tǒng)排氣管內(nèi)的氣液兩相流準(zhǔn)一維模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)還原劑添加過程中氣相產(chǎn)物生成以及結(jié)晶的計(jì)算。從氣相產(chǎn)物、排氣溫度、結(jié)晶量、結(jié)晶位臵、結(jié)晶成分等角度對(duì)模型進(jìn)行了全面的驗(yàn)證，結(jié)果顯示，模型具有一定的精度，很好的體現(xiàn)了各個(gè)影響因素對(duì)氣相產(chǎn)物生成以及結(jié)晶的作用規(guī)律，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有較大的參考價(jià)值。
　　4）SCR系統(tǒng)還原劑添加過程準(zhǔn)一維數(shù)值仿真。在上述模型基礎(chǔ)上，對(duì)SCR系統(tǒng)排氣管內(nèi)的氣相產(chǎn)物生成以及結(jié)晶過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。氣相

7、產(chǎn)物生成分析結(jié)果表明：UWS噴射速率對(duì)尿素分解效率影響不大；總體上液滴初始直徑的減小能夠促進(jìn)尿素的分解，當(dāng)粒徑在50-70μm范圍時(shí)尿素分解效率均較高；對(duì)于徑向噴射的噴嘴，提高液滴初始速度能夠促進(jìn)尿素分解，噴射方向上，徑向和逆向噴射是較優(yōu)的噴射方式；排氣管直徑的增大能夠顯著提高尿素分解效率，降低壓力損失。結(jié)晶影響因素分析結(jié)果表明：溫度是影響SCR系統(tǒng)結(jié)晶的最關(guān)鍵因素，會(huì)對(duì)系統(tǒng)結(jié)晶量和結(jié)晶成分產(chǎn)生重要影響；環(huán)境溫度對(duì)結(jié)晶量影響效果不明顯，