基于CFD的Urea-SCR混合器性能研究

应用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件建立了尿素溶液的喷射雾化和蒸发分解模型,喷雾与壁面相互作用模型和尿素选择性催化还原(SCR)催化器的NOx催化反应模型。研究了叶片型混合器不同布置方案对尿素溶液雾化、蒸发和分解及催化剂入口NH3分布均匀性的影响。数值计算结果显示:叶片型混合器能够提升尿素喷雾雾化效果,提高尿素蒸发分解效率,改善NH3的分布均匀性。混合器布置在离喷嘴1倍排气管直径的位置,SCR系统具有最佳的喷雾雾化效果和尿素分解效率;混合器布置在3倍排气管直径的位置,SCR系统具有最佳的NH3分布均匀性。台架试验和数值计算结果表明:混合器布置在距离喷嘴1倍排气管直径位置时,SCR系统具有更高的NOx的催化转化效率。     

混合器对国六柴油机选择性催化还原系统尿素结晶的影响

针对国六柴油机选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理系统尿素结晶问题,设计了两种不同的混合器结构。利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对两种混合器方案的尿素碰壁位置、尿素轨迹、气流速度、流速均匀性、NH_3均匀性、压力损失等进行了仿真分析和对比,最后通过发动机台架试验验证两种方案的排放性能和结晶性能。CFD分析及试验结果表明:方案二的气流速度、流速均匀性和NH_3均匀性都优于方案一,而方案一的压力损失小于方案二;方案一台架试验的结晶质量为608g,不满足主机厂要求,方案二台架试验的结晶质量为6g,满足主机厂要求。CFD分析和试验结果趋势一致,表明CFD分析是合理有效的。     

Urea-SCR系统尿素沉积特性及混合器优化

搭建了快速尿素结晶试验平台,并基于Converge流体仿真软件耦合12步尿素详细分解机理搭建了目标柴油机集成式后处理装置模型,通过试验验证了模型的有效性．对现有混合器结构和喷射压力进行了优化,利用液膜和尿素分解过程中产生的3种主要副产物(缩二脲、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺)的分布与质量、选择性催化还原(SCR)催化器前端截面NH₃的体积分数与质量、混合器背压和各均匀性系数等指标评价了优化前、后混合器的性能．结果表明：液膜和3种副产物主要分布在混合器外层套筒的球形底部和内层套筒的内侧,优化方案可以减少液膜和3种副产物的累积质量,降低尿素结晶风险;优化方案还可以增加混合区域的湍流强度从而提高SCR前端截面NH₃的体积分数、质量和均匀性,但其结构会在一定程度上阻碍排气的流动从而使混合器背压稍有提高．     

SCR尿素结晶风险的评估与预测

在尿素结晶机理分析的基础上,提出以壁面温度的结晶容许最小碰壁量为阈值的结晶风险判定方法,建立尿素液滴碰壁量与结晶之间的关系.通过测量尿素液滴碰壁区域的排气管内外壁面温度变化过程,以结晶响应来表征尿素结晶风险.该方法通过某重型柴油机的尿素结晶过程的模拟计算和试验分析,在不同稳态工况下的结晶程度,取得较好的预测一致性.在此基础上,进一步引入结晶时间尺度辅助筛选瞬态试验循环的结晶工况窗口.提出的结晶风险评估与预测方法在实际应用中能显著缩短试验周期,节约试验验证成本.     

基于仿真与试验的SCR混合器开发及验证

为解决国Ⅵ排放法规下柴油机后处理系统尿素结晶风险过高的问题,提出了一种选择性催化还原(SCR)系统混合器设计优化及性能验证方法．首先,借助计算流体动力学(CFD),对建立的后处理系统模型进行了4种典型工况条件下速度场和氨(NH₃)分布均匀性等性能的数值仿真,然后通过台架进行NH₃分布均匀性试验对仿真过程进行优化,基于对优化后仿真结果的分析,提出了一种结合破碎格栅、导流装置和微孔整流板等设计元素的混合器优化方案．高温高速工况下,该方案可在基本不影响排气背压情况下将SCR₁载体内部的速度分布均匀性从0.951提升至0.976,NH₃分布均匀性从0.947提升至0.979,瞬态尿素结晶风险试验结果表明：该方案具备优异的混合性能与抗结晶性能．     

大功率柴油机尿素-选择性催化还原系统混合器仿真与试验研究

针对大功率柴油机选择性催化还原技术(SCR)应用需求,设计了两种混合器方案,两方案的差别在于是否在喷射点前安装前置混合器。利用计算流体动力学(CFD)技术对两方案的气流轨迹、尿素分解率、分布均匀性及压力损失进行了仿真分析,并进行D2排放循环测试验证两方案的NO_x转化效率。仿真及试验结果表明:安装前置混合器可以产生旋流,促进尿素液滴与气流充分混合,提高尿素分解率和NH_3分布均匀性,压力损失增高;安装前置混合器能够提高SCR催化器的NO_x转化效率,并可以通过标定优化使NO_x比排放满足欧盟第五阶段排放限值要求。研究表明,前置混合器更能适应当前及未来大功率柴油机NO_x排放法规限值要求。     

柴油机Urea-SCR尿素喷射过程参数优化及数值模拟研究

建立SCR尿素喷射及催化反应器的三维物理模型,得到在各种不同工况下,排气速度和温度对尿素液滴分布及组分浓度分布均匀性影响,并优化了尿素喷射位置和角度;同时设计安装一款简单紧凑型的混合器,对加装混合器后的氨浓度分布进行了分析,并结合试验归纳出尿素喷射过程对NOx转化效率的影响因素。研究结果表明:排气速度的提高影响喷雾的形态,液膜的生成主要发生在低温低转速工况;改变喷射位置和喷射角度对均匀性影响不明显;安装混合器可以明显改善氨浓度均匀性及转化效率,分别提升0.89%和92%,液膜有一定程度的增加,压力损失600Pa,控制在一个相对较低的水平。     

柴油机尿素SCR混合器的设计与数值模拟研究

设计了两款紧凑型混合器——混合器A和混合器B,并采用计算流体力学（CFD）软件对尿素水溶液的喷射、蒸发、热解过程进行了数值模拟,对比研究了带和不带混合器的直管中排气流量对NH3分布的影响,以及不同混合器对NH3分布的影响,并对其中改为混合器B进行了NOx转化效率试验研究。模拟结果表明：随着排气流量的增加,NH3分布均匀性略有下降,排气流量对NH3分布均匀性的影响不显著。两款混合器对NH3分布均匀性均有明显的提高,尤其是混合器B在靠近混合器区域NH3分布均匀性指数提高了200%左右,而且明显改善了管壁NH3分布过于集中的现象,能够减少管壁尿素结晶的形成。试验结果表明,该混合器能够提高NOx转化效率5%~10%。     

重型柴油机NO_x尿素SCR混合器的设计与试验研究

设计了2种紧凑型混合器,分别为带4个叶片的混合器1和带4组叶片对(8个叶片)的混合器2。试验用U型管和傅里叶变换红外光谱仪研究了混合器对压力损失和NOx转化效率的影响。试验结果表明:排气流量、排气管管径对压力损失影响较大,而温度对压力损失影响较小;混合器2的压力损失比混合器1的小;混合器使NOx转化效率最大提高约10%;混合器安装在喷嘴后端比安装在喷嘴前端时的NOx转化效率高;无混合器时外径63mm排气管对应的NOx转化效率比外径76mm排气管对应的NOx转化效率提高约8%。     

基于综合性能评价的SCR静态混合器优化研究

为综合考量选择性催化还原(SCR)系统静态混合器的混合效果和对系统造成的阻力损失,提出了一种结合流场均匀性和阻力特性的综合性能评价指标——无量纲混合效率η。结合现场需求,采用数值模拟方法,以圆形、花瓣形和SMV混合器为例对系统的综合性能进行评估。结果表明：圆形混合器、SMV混合器、花瓣形混合器的η分别为16.18%、22.50%和26.88%,其中花瓣形混合器综合性能最佳;在顺序排列、同向布局、覆盖率为37%的条件下,花瓣形混合器的综合性能达到最佳,其无量纲混合效率η为28.60%,较优化之前提高6.40%。     

柴油机SCR系统尿素沉积物详细反应路径

通过分析尿素沉积物形成的详细反应网络框架,构建尿素分解及沉积物生成反应子模型,进行了尿素-选择性催化还原(SCR)系统排气管尿素分解段计算.对比尿素分解总包反应与详细反应的出口NH3摩尔分数以及中间产物的温度-摩尔分数,初步探索的详细机理基本能反映尿素转氨及某些主要中间产物的变化规律.结果表明:温度低于200℃时,尿素分解副产物主要是缩二脲(C2H5N3O2)、三聚氰酸(C3H3N3O3).温度达到约210℃时,副产物中出现三嗪类(triazines)物质:三聚氰酸一酰胺(C3H4N4O2)、三聚氰酸二酰胺(C3H5N5O)和三聚氰胺(C3H6N6).温度达到350℃以上时,三聚氰胺能继续生成三均三嗪类(heptazines)成分:C6H9N11、C6H6N10、(C6H3N9)x.尿素详细反应路径表明,缩二脲是尿素沉积物形成中最重要的反应中间产物,构成了其他副产物形成的基础,可沿反应路径形成缩三脲(C3H6N4O3)、三聚氰酸和三嗪类副产物.异氰酸(HNCO)是尿素分解副产物形成所需的最重要反应物.     

选择性催化还原混合器及整流器的设计与结构优化

通过搭建柴油机后处理试验台架,运用计算流体力学(CFD)对选择性催化还原系统(SCR)内的反应进行仿真计算,设计4种混合器和3种整流器方案,研究了不同混合器及整流器结构对SCR系统内NH_3分布及NO_x转化效率的影响。结果表明:混合器能够有效改善SCR内NH_3分布均匀度及NO_x的转化效率。综合分析,有7个厚度均为2mm的叶片且叶片与径向方向的夹角均为30°的方案M2的混合器结构设计较优;气流受到入口扩张管的扩张作用之后,经过方案D1的整流器,使得SCR系统具有更高的NH_3分布均匀度和NO_x转化效率。混合器和整流器结合可以实现流场的优化,提高NO_x转化效率。     

喷嘴集成式SCR混合器设计与数值模拟研究

根据某柴油机设计一款喷嘴集成式选择性催化还原(SCR)系统,使其排放满足国Ⅴ标准,结晶量小于3g。首先研究穿孔管加混合器结构,结果表明这种结构的载体前端面蒸汽均匀性系数和尿素蒸发量不能满足设计要求,且在混合器上会形成大块结晶。随后提出一种新型混合腔结构,分析表明:载体前端面速度和蒸汽均匀性系数分别为0.95和0.98,载体能被充分利用;喷射系统采用三孔气助喷嘴,使得喷出的液滴直接撞向内筒圆管,在内筒圆管的高温作用下,液膜全部蒸发;此外尿素喷射轨迹会在底部形成2个较大旋涡,促进了液滴的雾化与混合。试验验证此结构SCR排放满足国Ⅴ标准,在低温工况下NO_x转化效率明显高于其他结构,尿素结晶满足设计要求。     

重型柴油机SCR后处理系统尿素喷射电子控制单元开发

针对重型柴油机尿素选择催化还原(SCR)后处理系统,开发了尿素喷射电子控制单元(DCU),包括硬件平台与控制策略的设计开发。该电子控制单元采用高速16位单片机,具有结构紧凑、工作可靠的优点。通过采用基于发动机MAP图和实际工况的稳态和瞬态修正控制策略,使所匹配的柴油机尿素SCR后处理系统达到重型柴油车国-Ⅳ或更严格的排放标准。     

柴油机SCR催化器出口NOx转化效率分布特性研究

对柴油机选择性催化还原(SCR)系统的研究,主要集中在催化器出口测量系统的整体氮氧化物(NO_x)转化效率。为了进一步提高系统的效率,在柴油机试验台架上,调整不同的排气工况及尿素喷射参数,研究了SCR催化器出口截面的NO_x转化效率分布特性。结论表明:催化器出口截面的NO_x转化效率分布呈现中心高而边缘低的规律,随着排气流量的增加,NO_x转化效率降低,在排气流量较大时,由于弯管对排气流场的作用,NO_x转化效率的高效区偏向一侧;提高氨氮比可以提高NO_x转化效率,当排气温度为250和350℃、氨氮比为1.0时就可以达到比较高的效率,进一步提高氨氮比NO_x转化效率的增幅不明显;当排气温度为450℃时,提高氨氮比对NO_x转化效率的增加比较有利。     

火电厂SCR脱硝系统机理建模与控制研究

随着环保意识的提高,火电厂氮氧化物的排放问题引起了社会的关注。选择性催化还原方法(selective catalytic reduction,SCR)普遍采用于火电厂的脱硝系统中,喷氨量的控制是脱硝系统的关键问题,若不能得到有效控制,不仅影响火电厂脱硝效率,而且氨逃逸有可能会造成二次污染。SCR系统的准确动态建模是对喷氨量进行有效控制的前提。本文通过分析SCR系统化学反应机理建立了SCR动态模型,并利用实际运行数据对其进行验证,平均百分比误差为10.73%,仿真结果表明该模型精度高。因该系统具有较强的非线性,传统比例、积分、微分(PID)控制器难以得到满意的控制效果,本文设计了神经网络预测控制器,对SCR系统的喷氨量进行控制,并与传统PID控制器进行对比,利用火电厂实际运行数据对该方法进行了验证,提出的控制策略在两个典型工况下的脱硝效率比传统PID控制策略高约10%,结果表明该方法具有较好的控制效果。     

电站失活SCR催化剂再生试验研究

以在电站烟气实际运行中失活的催化剂为原料,通过去离子水水洗、硫酸酸洗、钒钨等活性物质重新负载等方法,开发了一套廉价有效的再生工艺,并通过ICP-OES、SEM、XRD等表征研究了每一步处理方法对催化剂结构和性能的影响。研究表明,经过完整再生工艺处理后失活催化剂脱硝活性在300～400℃温度窗口内提升30%以上,水洗过程能够去除大部分硫、钙等中毒元素,而酸洗经过硫酸化过程后增加催化活性中心的数量和酸性,从而提高催化剂脱硝活性,XRD表明再生后V2O5或WO3仍然以无定形态或高分散的形态分布在载体表面上。     

钒基催化剂NH3-SCR低温反应特性研究

利用固定床反应器及原位漫反射傅里叶变换红外光谱仪,通过稳态及瞬态反应,研究了v205-wO,rri02催化剂低温NH3选择性催化还原(SCR)机理及低温活性的影响因素.结果表明:低温时,V205-WO3l'iO2 SCR催化剂首先吸附气态NH3,形成吸附态NH3nnH4．,然后吸附态NH3vnh^和气态NO反应,生成N...