柴油機Urea-SCR系統(tǒng)還原劑添加過程的基礎研究.pdf

1、隨著排放法規(guī)的日益嚴格，選擇性催化還原技術（SCR）已經(jīng)成為滿足國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)歷一系列復雜的過程才能轉化為氨氣，這一轉化過程將會對SCR系統(tǒng)性能產(chǎn)生重要影響。對SCR系統(tǒng)的還原劑添加過程進行深入研究，提高尿素向氨氣的轉化效率，降低結晶發(fā)生的可能性，具有重要的研究意義。
　　本文將對 Urea-SCR系統(tǒng)還原劑添加過程中尿素分解以及結晶等基礎問題進行

2、深入研究，對尿素水溶液蒸發(fā)、熱解、碰壁、結晶等過程進行詳細建模，并與排氣流動相耦合，建立SCR系統(tǒng)氣液兩相流的準一維模型，最終實現(xiàn)對氣相產(chǎn)物生成以及結晶成分、分布以及結晶量的預測。全文主要工作及結論如下：
　　1) UWS噴霧單液滴的蒸發(fā)熱解過程研究。對UWS噴霧單液滴的蒸發(fā)、熱解、運動過程進行了建模，引入了一個與排氣溫度有關的系數(shù)對蒸發(fā)速率公式進行修正，用簡化的直接分解模型來描述液滴中尿素的熱解過程。計算結果表明：液滴初始直徑和

3、排氣溫度對液滴的蒸發(fā)時間和總時間影響非常大；熱解過程相比于蒸發(fā)過程對溫度更敏感，當溫度較高時，蒸發(fā)過程是液滴消逝總時間的決定因素；實際SCR系統(tǒng)結構緊湊，UWS噴霧分解的時間和空間有限，液滴到達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，增強排氣湍流等方式來加速液滴的分解是非常有必要的。
　　2）SCR系統(tǒng)結晶成分分析及尿素熱解化學反應動力學建模。在自主搭建的柴油機尾氣熱源模擬臺架上進行了SCR系統(tǒng)的結

4、晶試驗，通過TG/DSC、DRIFTS、HPLC等手段對試驗中生成的結晶成分進行分析，結果表明：排氣溫度為449K時生成的結晶基本為尿素，排氣溫度為504K和540K時結晶主要成分是縮二脲和三聚氰酸，HPLC分析表明，排氣溫度升高后結晶中三聚氰酸比例會增加。在此基礎上，搭建了尿素熱解的化學反應動力學模型，基于粒子群算法對反應動力學參數(shù)進行了優(yōu)化，最后對尿素的結晶特性進行了仿真分析，結果表明：結晶成分與溫度密切相關，隨著溫度的升高，結晶中

5、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺的比例會增加；總體上，隨著溫度的升高以及時間的增加，結晶率呈下降趨勢，650K以后尿素基本完全分解；升溫速率增加會導致三聚氰酸的大量形成，從避免結晶的角度來說，減緩升溫速率是較為有效的方法。
　　3）SCR系統(tǒng)氣液兩相流準一維數(shù)學建模。對排氣管內(nèi)的氣體流動、噴霧運動、液滴蒸發(fā)、尿素熱解、噴霧碰壁、壁面?zhèn)鳠帷⒈谀ば纬砂l(fā)展以及結晶等過程進行了詳細建模，提出了一維壁膜的概念，考慮了噴霧和壁膜中尿素熱解過程的差異，

6、最終建立了SCR系統(tǒng)排氣管內(nèi)的氣液兩相流準一維模型，實現(xiàn)了對還原劑添加過程中氣相產(chǎn)物生成以及結晶的計算。從氣相產(chǎn)物、排氣溫度、結晶量、結晶位臵、結晶成分等角度對模型進行了全面的驗證，結果顯示，模型具有一定的精度，很好的體現(xiàn)了各個影響因素對氣相產(chǎn)物生成以及結晶的作用規(guī)律，對實際應用具有較大的參考價值。
　　4）SCR系統(tǒng)還原劑添加過程準一維數(shù)值仿真。在上述模型基礎上，對SCR系統(tǒng)排氣管內(nèi)的氣相產(chǎn)物生成以及結晶過程進行了仿真計算。氣相

7、產(chǎn)物生成分析結果表明：UWS噴射速率對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尿素的分解，當粒徑在50-70μm范圍時尿素分解效率均較高；對于徑向噴射的噴嘴，提高液滴初始速度能夠促進尿素分解，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。結晶影響因素分析結果表明：溫度是影響SCR系統(tǒng)結晶的最關鍵因素，會對系統(tǒng)結晶量和結晶成分產(chǎn)生重要影響；環(huán)境溫度對結晶量影響效果不明顯，