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单缸机NH3-SCR系统试验与仿真分析
摘要:NOx是柴油机排放的主要污染物,其最低排放量的实现需要使用新技术。现已发现,柴油机匹配以尿素或者氨气(NH3)为还原剂的SCR系统是降低NOx排放的理想方法,该方法可使柴油机的NOx排放满足严格的排放标准。本研究将催化器入口的NH3流量在0.2kg/h至0.8kg/h的区间切换,发现NOx的反应程度不同。当NH3流速为0.6kg/h时,NOx转化效率达到56%,但是当NH3流量为0.8 kg/h时,NOx转化效率较低,其原因可能是NH3的脱附和烧结效应,为证实该推断,基于AVL FIRE软件平台进行了仿真工作,发现仿真结果与试验结果相接近。
关键词:选择性催化还原, 氨气 , 氮氧化合物, AVL FIRE, 后处理
- 概述
在NH3-SCR催化器中,NH3充当还原剂,NH3与柴油机废气被引入到催化器内部,并在催化器内发生一系列反应形成N2,其主要反应如下:
4NH3 4NO O2 4N2 6H2O (1)
4NH3 2NO 2NO2 4N2 6H2O (2)
Masaoki Iwasaki[1]等人进行柴油机后处理试验,结果表明:使用SCR催化器作为后处理设备,脱硝效率最高。但可用于SCR系统的催化剂种类较多,比如Andrew P E York[2]等人认为钒基可作为催化剂,Massimo Colombo[3]等人将铁—沸石作为催化剂进行研究试验。但以上这两种催化剂在100-200℃的温度范围内NOx转化率较低,其原因是NO/NO2在低温下不能有效地吸附在催化器壁上。Johann C Wurzenberger[4]等人在文献中表明:涂有铂的堇青石材料可作为SCR催化剂,堇青石/铂可在低温下有效活化,从而使NOx转化率提高,因此堇青石/铂催化剂可有效用于轻型车辆。
两种最常用的SCR还原剂是无水(干)氨和氨水或尿素溶液。
纯无水氨在使用中无需进一步转化,可直接导入到SCR催化器中,但无水氨有剧毒,难以安全储存,因此无水氨被用于大型SCR工业中。
氨水在使用之前必须水解,但它与无水氨相比,容易安全储存,并且便于运输。
尿素溶液需要通过热分解转化为氨气之后才能用作有效的还原剂,但它的储存最为安全。
综上所述,无水氨的还原效果最好,但它的剧毒性和操作难度仍然是最大的问题。尿素还原效果最差,但操作更安全,因此尿素成为汽车制造商的热门选择。
SCR技术的最新研究使用的还原剂为氨气,氨气由特殊的存储容器或经过特殊设计的氨存储系统供应。氨气的物理性质如表1所示。
表1.氨的物理性质(BOC数据表2005)
分子量 |
17.03 |
凝固点 |
-77.7℃ |
沸点 |
-33.4℃ |
潜热 |
137KJ/Kg |
燃点 |
651℃ |
火焰范围 % |
15-28 |
2 试验分析
2.1 试验装置
柴油机的完整试验装置图如图2.1所示。设备介绍如下:使用自然吸气式直喷水冷柴油机进行试验,发动机与涡轮测功机直接耦合,并且将它们连接到控制面板上,控制面板再连接到计算机上。发动机软件2.4记录柴油机的性能和燃烧特性,并且该软件进行测量和计算,每3秒调整一次参数,在测量中所使用到的参数为废气质量流量和排气温度,需要输入的参数是废气成分,发动机规格如表2.1。
图2.1 试验示意图
1.滴定管 5.SCR催化器 9.装载旋钮 13.法兰
2.负荷指示器 6.管线压力指示器 10.控制面板
3.RPM指示器 7.气缸压力指示器 11.球形阀
4.水流指示器 8.转子流量计 12.热电偶
表2.1 柴油机规格
发动机 |
四缸压燃式发动机 |
制造者 |
Kirlosker |
缸径*行程 |
87.5 * 110 mm |
压缩比 |
17.5:1 |
连杆长度 |
234 mm |
测功机类型 |
称重传感器的涡流 |
负荷测量 |
应变片式称重传感器 |
燃油和空气流量测量 |
不同压力单元 |
速度测量 |
旋转编码器 |
功率 |
5.2KW@1500RPM |
界面 |
ADC card PCI 1050 |
燃油和空气流量测量 |
不同压力单元 |
2.2 SCR设置
在此试验装置中,将蜂窝状SCR催化剂(Cordielite/Pt,1.2升)安装到被法兰支撑的排气管上,如图2.2所示。将密封垫圈放在两个法兰之间(为防止气体泄漏,密封垫圈有较好的耐高温性)。由于单元内的空间有限,需要将排气组件进行细微调整,长度为3英寸,直径为0.5英寸的圆筒形接头连接到排气管上。
图2.2 SCR分布
氨气瓶的软管与转子流量计相连接,转子上的氨气流量可以通过旋转调节旋钮来控制。试验中,对于不同的负荷条件,氨气的流速始终在0.2–0.8kg/h之间变化,设定27℃ bTDC的喷射正时、转速为1500 rpm、压缩比为17.5,在以上条件下进行试验。
开始试验,启动柴油机(手动),空载运行约10分钟,使其工况稳定。在整个试验过程中,发动机冷却水的流速须保持在250L/h左右,涡流测功机的水压须保持在1-5MPa之间,使用0.25hp水泵维持水流压力。通过运行软件进行操作,记录实时数据,并将数据储在电脑上,可以在需要时进行检索。
该试验是在柴油机空载,25%,50%和75%负荷条件下进行的,在各个条件下记录燃油流量,空气流量,废气温度等数据,并且使用AVL废气分析仪测量NOx(ppm),CO(%Vol。),UBHC(ppm)和CO2(%Vol。)的排放量。
- 基于AVL FIRE的仿真工作
使用AVL FIRE软件进行了稳态动力学分析,Wurzenberger等人提供了该软件中包含的相关控制方程。
对于相当小的网格尺寸,使用中心差方程获得的数值解在中等雷诺数下不会有明显差异。因此,动量和连续性方程由中心差方程求解,能量方程由迎风方案求解,由于获得的佩克莱数大于2,因此动量和能量方程也可以通过迎风方案求解,所以在这种条件下,使用CDS或Upwind方案没有太大区别。由于没有粘性加热,没有定义滑移边界条件,因此边界值的计算通过外推法求解,导数可由最小二乘拟合法求解。
使用由堇青石/铂制成的蜂窝型圆形催化剂,尺寸为118.4mm * 127mm(D*L),孔密度为400CPSI(每平方英寸的孔数),体积为1.2L,材料的比热和密度为1.46kJ/kg和0.0215kg/m3.材料的热导率为3W/mK。AVL编辑的后处理手册[6]给出了SCR反应式和相关化学动力学的详细公式。该模型是在AVL FIRE提供的ESE后处理模块中开发的,网格划分在软件中的“网格划分”部分中进行,下面给出了有关网格划分的简要说明。
1)小单元
组成 |
轨道单元长度 |
横截面边缘单元 |
催化剂 |
0.0127m |
64 |
排气管 |
0.00200m |
60 |
2)边界值
组成 |
厚度 |
层数 |
压缩 |
催化剂 |
0.00200m |
3 |
1 |
排气管 |
0.00200m |
3 |
1 |
3)催化转化器
组成 |
前后层长度 |
催化剂 |
4% |
排气管 |
4% |
3.1边界条件
3.1.1 停留时间:
停留时间是反应物在催化器内停留的时间,是影响SCR催化器NOx转化率的主要参数,需要计算每个负荷下的停留时间。温度极大地影响了转化所需的停留时间,随着温度接近还原反应的最佳温度,所需的停留时间减少。图3.1显示了停留时间相对于负荷条件的变化。
图3.1 停留时间与负荷的关系
3.1.2进口条件
(a)废气的质量流量:排气的质量流量是影响SCR催化器NOx转化率的另一个参数,质量流率随发动机负荷的变化而变化。图3.2表明了废气质量流量随负荷百分比的变化。由图可知,随着负荷增加,排气的质量流量下降,这是当负荷增加时,排气温度增加,气体密度降低,从而废气质量流量下降。
图3.2 质量流量与负荷百分比的关系
图3.3 废气温度与负荷百分比的关系
(b)物质浓度:通过AVL废气分析仪在不同的负荷条件下测量物质的浓度。所测物质的浓度如表3.1
表3.1 用AVL五气分析仪测量的柴油浓度
负荷条件 |
NOx(ppm) |
CO(% vol) |
CO2(% vol) |
O2(% vol) |
HC(ppm) |
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