柴油机SCR系统尿素雾化与催化反应的模拟研究

摘要

柴油机尾气中NOx的排放会严重污染大气环境，随着排放法规的加严，尿素SCR技术已经成为控制柴油机尾气NOx排放最有效的方式之一。但在实际工程应用中，尿素水溶液雾化质量差会造成NH3分布不均匀和沉积物的生成，严重影响SCR系统的性能。改善尿素水溶液的雾化质量，提高NOx转化效率一直是研究人员的关注热点。 本文基于文献中的试验数据建立并验证了SCR催化反应动力学模型和三维流动模型，并实现了二者的耦合。基于耦合模型，通过研究喷嘴安装角度、尿素喷射角度及雾化锥角对尿素雾化过程的影响规律，对喷嘴结构参数进行了优化。结果表明，喷嘴安装角度为45°，尿素喷射角度为40°，雾化锥角为40°时可以保证较好的催化器入口截面NH3分布均匀性及较低的壁膜生成量，即在该喷嘴结构参数条件下，尿素水溶液雾化质量较好。 基于优化后的喷嘴结构，研究了空速、排气温度及氨氮比对SCR系统性能的影响。结果表明，空速对催化器入口截面NH3分布均匀性影响不显著，但由于排气流量增大，NH3浓度显著降低；同时气流拖曳速度和换热速率的加快使壁膜蒸发量、壁膜剩余量及壁膜总生成量均减少；且由于SCR催化器内NH3浓度和反应时间随空速的增大而降低，NOx转化率与N2O生成量均逐渐减少。随着排气温度升高，催化器入口截面NH3浓度和均匀性指数均升高，相应的壁膜总生成量逐渐降低，其中壁膜剩余量、壁膜蒸发量与壁膜总生成量的变化趋势相同；排气温度超过350℃时，由于NH3氧化反应的竞争作用，NOx转化率开始降低，NH4NO3生成量随排气温度的升高逐渐减少，进而N2O生成量也逐渐降低。氨氮比越大，单位时间内蒸发热解的尿素越多，NH3浓度越高，NOx转化率和N2O生成量逐渐升高；同时单位时间内未转化为NH3的尿素水溶液也越多，因此壁膜剩余质量逐渐增多，且增加速率越来越快。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 柴油机NOx排放后处理技术

1.2.1 稀燃氮氧化物捕集技术

1.2.3 选择性催化还原技术

1.3 尿素SCR技术研究现状

1.3.1 SCR反应动力学模型

1.3.2 SCR催化剂

1.3.3 尿素水溶液的雾化与结晶

1.4 主要研究意义与内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容

1.5 本章小结

2 SCR反应机理与尿素雾化过程分析

2.1 化学反应动力学

2.1.1 化学反应速率

2.1.2 阿伦尼乌斯定理

2.1.3 催化反应

2.2 SCR催化反应数值模型

2.2.1 反应器模型

2.2.2 催化反应动力学模型

2.3 SCR三维数值模型

2.3.1 喷雾模型

2.3.2 壁膜模型

2.4 本章小结

3 Urea-SCR系统反应流动模型

3.1 催化反应动力学模型的建立与验证

3.1.1 NH3的吸附和脱附反应

3.1.2 NH3氧化反应

3.1.3 NOx转化反应

3.2 三维流动模型的建立与验证

3.2.1 几何模型

3.2.2 喷雾模型的建立与验证

3.3 模型的耦合

3.4 本章小结

4 尿素雾化与SCR 反应特性研究

4.1 SCR系统性能评价指标

4.2 喷嘴结构参数优化

4.2.1 喷嘴安装角度对尿素雾化过程的影响

4.2.2 喷射角度对尿素雾化过程的影响

4.2.3 雾化锥角对尿素雾化过程的影响

4.3 SCR系统性能影响因素的研究

4.3.1 空速对SCR系统性能的影响

4.3.2 排气温度对SCR系统性能的影响

4.3.3 氨氮比对SCR系统性能的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书