选择性催化还原SCR系统中的物理化学反应过程模拟

选择性催化还原SCR系统中的物理化学反应过程模拟

余皎

（潍柴动力股份有限公司技术中心，山东，潍坊，261001）

摘要：尿素选择性催化还原系统（SCR）是降低重型商用车NOx排放的一种主要方式，在SCR系统中发生有复杂的物理化学

反应。其中，尿素水溶液的雾化、液滴的破碎、蒸发对SCR载体入口的NH3分布有很大影响，是影响SCR系统催化反应效率的重要因素；另外，需要优化混和管及尿素喷射装置的布置，保证在设计中不会出现尿素水溶液在壁面出现沉积结晶现象。对SCR系统载体中NOx的还原以及对NH3的氧化反应过程模拟可以预测SCR系统催化性能，减少试验的成本。本文介绍了利用化学反应动力学软件CHEMKIN以及其与计算流体力学CFD软件结合模拟SCR中的物理化学反应过程。 关键词： 选择性催化还原系统；SCR；化学反应；CFD；CHEMKIN；

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2008年１月１日将要实施国Ⅲ排放法规，2011年1月1日将要实施国Ⅳ排放法规。在激烈的市场竞争中，一些主要生产厂多已做好国Ⅲ发动机的生产准备，并已开始考虑国Ⅳ发动机的改造或研制。国内的几家大型柴油机厂家大都选择采用利用机内净化降低碳烟然后利用SCR系统来降低NOx排放的方法来满足国Ⅳ排放法规对碳烟和NOx的限制。

SCR系统的基本工作原理：排气从涡轮出来后，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氨，在SCR系统催化剂表面利用氨还原NOx，排出N2，多余的氨也被还原为N2防止氨泄漏。

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。图1为SCR系统原理图。

图1 SCR系统原理图

商业上用的尿素和水溶液（浓度为32.5%±0.5%)称为AdBlue，它的产品属性由DINV70070标准定义，此标准在2003年8月公布，将成为EN或者ISO标准。AdBlue无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有腐蚀性，必须使用稳定材料制作的容器存储，管道运输以及填充，比如奥氏体钢，铝，以及不同塑料。纯的或者镀锌的钢以及铜和其合金都不适合尿素水溶液。

在正常的储存条件下, AdBlue浓度不会发生变化，有很好的储存稳定性。在温度低于11℃时候开始结晶，因此储存容器，泵以及喷嘴在环境低于11℃时候，为了防止结晶，都需要加热；另外，在高温储存条件下(>50℃)，AdBlue开始分解为缩二脲、氨气、碳酸氨，氨基甲酸盐，这可以由闻到氨的气味检测出来，AdBlue必须保存在低于50℃的温度避免分解。

尽管更高浓度的尿素水溶液能减少车辆携带的重量，但还是选择32.5 %浓度，此浓度下的尿素水溶液提供最低的结晶温度-11℃。另外一个优点是当溶液部分冷冻的时候，溶液浓度不变化，这可使尿素水溶液能在许多地方终年使用不需要其它措施。

在SCR系统中发生复杂的物理和化学反应，其中包括尿素水溶液的喷射，雾化，蒸发以及尿素的水解和热解气相化学反应和NOx在催化剂表面与氨气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合管路的设计，尿素喷射装置的布置以及预测催化效率，减少试验成本。

2 SCR系统中的尿素喷雾过程模拟

尿素水溶液喷雾是一个复杂的过程，其中包括

作者简介：余皎（1974－），男，博士，研究方向：柴油机燃烧与排放控制，内燃机工作过程数值模拟计算。 E-mail: yuj@weichai.com

成都，2007年8月 余皎：选择性催化还原SCR系统中的物理化学反应过程模拟

液滴的雾化，破碎，蒸发，液滴与气体能量、动量交换，粒子与壁面的相互作用，液膜的形成等。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目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。图2为尿素水溶液液滴轨迹计算结果。

在实际排气系统中，由于在某些负荷下排气温度相对较低，而且排气系统管道直径较小，液滴不可避免要撞击到壁面，喷雾撞壁可以导致管道壁面温度降低，当壁面温度降低到一定程度就造成液滴沉积和液膜形成。液膜的蒸发进一步降低了壁面的温度。液滴与壁面碰撞以后的撞壁类型由以下参数决定，液滴速度，液滴尺寸，液滴温度，液滴运动入射角度，粘度，表面张力，壁面温度，表面光洁度。撞壁类型有粘附，反弹，飞溅，发射，蒸发等。通过液膜模型可以计算液膜厚度和液膜在壁面速度图3为管道壁面在一次喷射后液膜厚度计算结果。

图2 尿素水溶液喷液滴轨迹

图3 管道壁面液膜厚度分布

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。速度均匀系数由下面

的公式计算[1]、

：

（1）

速度脉动定义： （2）

通过以上公式计算得到的速度均匀系数越大，入口的速度越均匀，数值越小，速度分布越不均匀。通常需要速度均匀系数在0.8以上。

催化载体入口浓度均匀性由类似于速度均匀系数的浓度均匀系数来衡量，计算公式也类似于上式，入口物质浓度越均匀，载体内各部分催化剂都能有效的利用，达到高的催化效果。图4为管道中不同位置NH3浓度均匀系数计算结果。

图4 混合管路中不同截面NH3的浓度均匀性分布

3 SCR系统中的化学反应过程模拟

尿素在SCR混合管和载体部分发生热解、水解反应，生成NH3，随后在载体内通过NH3还原NOx，多余的NH3也被氧化，发生的化学反应如下：[2,3]： 尿素热解：（NH2）2CO → NH3 + HNCO 尿素水解：HNCO + H2O →NH3 + CO2 NOx还原：4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O

6NO2+ 8NH3 → 7N2 + 12H2O NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O

氨气氧化：4NH3＋3O2 → 2N2 ＋ 6H2O

SCR系统化学反应动力学的模拟方式有两种：其一，利用0D化学反应动力学软件CHEMKIN来模拟复杂的化学反应机理，其中假设所有催化器通道是一致的，只模拟蜂窝陶瓷载体中的一个通道，通道中的流动是二维轴对称层流。通过0D模拟我们可以研究化学反应机理，确认反应机理是否正确，另外对于复杂的化学反应进行敏感性分析，找到起主要

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作用的化学反应，从而为3D计算提供简化的化学反应机理。另外一种方法是利用CFD与CHEMKIN结合来模拟复杂几何的流动和简化的化学反应机理，这样可以同时模拟3D流动和化学反应，可以考虑几何形状，尺寸大小对反应的影响，从而优化设计。

3.1 SCR系统0D化学反应动力学模拟

下面的算例是利用CHEMKIN软件模拟在载体通道内的流动以及NOX与NH3催化反应，其中气相物质6种，分别是O2, N2, CO2, H2O, NO, NH3；没有气相化学反应，表面位反应物质7种，分别是V5+-OH, V=O, V-ONH4, V4+-OH,V-ONH3-V4+-OH, V3+, V5+-OH3O；6个表面基元反应如表1。图5是一个载体通道。图6

为通道内的速度和物质浓度计算结果[4]

。

图5 单个载体通道 表1 表面化学反应机理

图6 载体通道内速度和物质浓度计算结果

3.2 SCR系统3D化学反应动力学模拟

SCR系统混和管的形状、尿素喷射装置的位置角度布置以及载体的布置形式对SCR化学反应效率有很大的影响。目前，CFD软件将CHEMKIN的求解器和物质数据库集成到CFD软件中，利用CFD与CHEMKIN结合用来模拟SCR系统，有些软件将化学反应集成到CFD软件中，只需要选择化学反应就可以，有些软件需要输入CHEMKIN格式的基元反应文件，但都是采用CHEMKIN求解器来求解。利用CFD与CHEMKIN结合可以优化排气管道几何形状、尿素喷射位置以及喷射角度以及载体布置对反应效率的影响，同时可以模拟载体内的化学反应，计算物质的浓度。图7为单一通

道内物质浓度的3D计算结果[5]

。图8为催化器内整体

物质浓度分布[2]

。

图7 载体通道内物质浓度

图8 SCR内物质浓度分布

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4 结论

1. 在SCR系统中发生复杂的物理和化学反应，其中

包括尿素水溶液的喷射，雾化，蒸发以及尿素的水解和热解气相化学反应和NOx在催化剂表面与氨气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合管路的设计，尿素喷射装置的布置以及预测催化效率，减少试验成本。

2. 化学反应动力学软件CHEMKIN及计算流体力学

CFD软件在柴油机SCR系统中发挥越来越重要的作用。在随后国Ⅳ排放标准越来越严格后，SCR系统将成为达到排放标准必须的后处理装置，SCR系统中的物理化学反应模拟将会在满足国Ⅳ排放标准的柴油机开发中发挥重要的作用。

参 考 文 献

[1]Ming Chen,Shazam Williams.Modeling and optimization

of SCR-Exhaust aftertreatment systems. SAE paper 2005-01-0968，2005

[2]Johann C.Wurzenberger.Multi-scale SCR modeling,1D

kinetic analysis and 3D system simulation,SAE paper 2005-01-0948，2005

[3] Felix Birkhold, Ulrich Meingast, Peter Wassermann,

et al.

Analysis of the injection of

for

automotive

SCR

urea-water-solution

DeNOx-Systems: modeling of two-phase flow and spray/wall-interaction, SAE paper 2006-01-0643， 2006

[4] Masanari Sueoka, etc. A Basic study on a Urea-SCR

System. JSAE2004，2004

[5] B.Bolton,X.Fan,etc.Update on Modeling for

Effective

Diesel

Engine

Aftertreatment

Implementation –Master Plan， Status and Critical Needs, 2002 DEER Conference,2002

选择性催化还原SCR系统中的物理化学反应过程模拟

作者：作者单位：

余皎

潍柴动力股份有限公司技术中心,山东,潍坊,261001

1.会议论文 余皎 重型柴油机SCR系统布置优化设计 2008

尿素选择性催化还原系统(SCR)在高催化效率下的正常运行是柴油机满足排放法规的关键因素.本文利用计算流体力学方法CFD模拟混和管中尿素水溶液的喷雾情况,对不同排气温度和排气流量下液滴的运动,水溶液蒸发后水蒸气的浓度分布进行了计算,优化排气管道形状以及优化喷射位置和喷射角度,从而避免尿素水溶液撞壁出现沉积,堵塞管路.同时对SCR载体内的流动性能进行计算,保证排气在载体入口的速度、发应物浓度分布均匀,以此来保证SCR实现高的催化效率.

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6542181.aspx

下载时间：2010年1月23日