船用柴油机SCR尿素喷射蒸发热解仿真模拟研究.docx

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1、目前，国内外关于火电厂及车用柴油机的SCR技术研究比较深入，对SCR系统流场研究与优化主要通过数值模拟方式进行。本文使用计算:流体力学(Coniputationa1.HuidDyiiainic.CFD)软件HUen3以船用柴油机SCR系统中的尿素喷射系统为研究对象，建立相应数值模型，比较r不同喷射条件对尿素喷雾的性能影响，同时对整个尿素溶液生成妖气的过程进行仿真分析。模型和方法1、模型一:维模型及计算网格如图1所示。对雾化区域进行简单建模，本文简化为第化区域为圆柱管内,建立如图I模型：图1尿素雾化结构模型2、尿素分解反应排气管中，氨气的生成反应主要是分三步实现的：A.尿素水溶液蒸发析出尿素颗粒

2、：反应方程式为：Co(NH2)2=Co(NH2)2(三)B.尿素热解生成等物质的量的欲气和异料酸；反应方程式为：Co(NH2)2(三)=NH3+HCN0C.异景酸进步水解生成等物J贞的量的氨气和二氧化碳反应方程式为：HCNO+H2O=NH3+CO2反应过程A、B均为吸热过程：反应过程C为放热过程。由于雾化区域温度较高，因此蒸发过程较为迅速。3、初始条件针对某低速柴油机排气条件,利用计算公式进行换算整理如下表：表I排气性质利用以上数据时模型的进气条件进行设定，即对连续相的气相流动进行初始设定。假设反应利用尿素溶液初始条件如下:表2尿素溶液质量分数(%)40温度CO60密度(kgB,)1.0871

3、03比热(kJkRk)1363.65溶液粘度(kgas)0.00019127导热系数(wk)0.12565假定转化效率为75%,且氨气的溢出量小于IOppm,利用计.算尿素溶液消耗量的公式得出需要的40%尿素溶液为1.1.4.05kgk如下表所示：表3喷射形式映眩嘴暇射四咬事或射收力纯液嗔射0.00792k5空气”明嘤射0.031.7kg/根据喷射量以及喷嘴厂家提供的喷嘴数据及经验公式,选用压力喷射选用喷嘴内径D=1.5mm的喷嘴，液态压力选用p=30bar进行计算：对于空气辅助喷射时选用D=1.5mm的喷嘴，辅助空气为常用空气压力P=6bar.计算软件说明：计算所用软件为Ansys公司流体软

4、件F1.uCnt,版本号2019R3。计算过程及结果1、计算模型对内部流动，当雷诺数大于2300即作为湍流模型来考虑，本计算:选用rca1.izab1.ck-模型，该模型采用新的湍流强度公式满足雷诺应力的约束条件，可以精豳的模拟平面和圆形射流的扩散速度，较其他湍流模型相比更加符合真实情况使计算精度提高。喷射系统采用纯液态压力喷射或空气辅助喷射形式.尿素水溶液喷射过程模拟采用离散液滴模型(DPM,DiwrcicPhascModd),该模型采用拉格朗F1.-欧拉方法来求解整个喷射过程。用拉格朗日方式跟踪离散液滴的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传侦过程的组常微分方程：气相流体为连续介侦，采用欧拉方

5、法求解气相流动偏微分方程，液相对气相的干扰以附加源项的形式出现在描述气相的偏微分方程中。通过迭代方法交替求解气液两相方程，可以得到喷射过程中每一时间段各组分浓度及其他参数。在建模中假设如下：(1)忽略液相初次雾化过程，并认为尿素水溶液一离开喷嘴就成为离故的微小液滴。(2)每粒液滴都由一组具有相同性质的更小液滴组成，这组小液滴与其具有相同的直径、温度及运动性质。因此连续分布的液滴直径用有限个名义液滴来进行代表。(3)液滴与气相之间通过相对运动、传热传质以及蒸发来实现动M、能量和质量交换，液滴对气相流动作用等价分布在流体网格雎元。(4)忽略液滴间的相互作用尿素溶液生成经气过程是热解水解过程设定为有

6、限化学反应速率模型.排气管路较高的温度使尿素混合溶液蒸发出的固态或液体的尿素达到熔点，开始热解生产氨气和异鞘1酸，而异粗酸不桎定，在一定条件卜遇水蒸气进行水解反应生成氨气和二料化碳。2、计算结果(I)压力喷射条件下计算结果a)尿素溶液物质的量浓度空间分布Arra*igtH(1.=“十Heiefr4cUonanb)氨气物班的量浓度空间分布C)出口处氨气物班的最图2压力喷射尿素分解压力喷射工况卜.，武气生成率为95%,但仍然有少量未转化的尿素溶液以及中间产物异电酸产生。出口均匀度为82%,尿素溶液分解较快，在1.=25m处可安装混合装置，未分解完全的尿素溶液将会碰到混合装近壁面形成液膜对系统的转化

7、效率及工作性能不利，而本计算条件下可以发现仅有少量的尿素溶液颗粒物产生，说明当前喷射性能较好。(2)空气辅助喷射条件下计算结果(*epw0fMti*MW*t*32(TwiWbMa)尿素溶液物质的量浓度空间分布AreaUeiqhted食VerageH1.eFrdctionOfnh3out.eorDHO38CMMV1.ttMMMr3m1MMMb)犯气物质的量浓度空间分布2n3*9337X035O33MO310Mn2e-O32482O-OT221e1114Q1”68ISSe-OJ133031nn8S-O4664434O-W221eMOXXteXWC)出口处获气物质的最图3空气辅助喷射尿素分解可以发现

8、空气辅助喷射模式卜.，尿索颗粒雾化程度较好且速度也较为合适,氨气能够顺利转化90%以上J1.均匀性也较好。股来说，尿素溶液颗粒在喷啸出口颗粒径较小,因此热解过程较为迅速.（3）喷射压力对压力喷射性能影响结果对于喷射量m=H4.05kgh及喷嘴内径D=1.5mm保持不变，分别选用P1.=20bar.P2=30bar,P3=40bar作为尿素溶液的喷射压力，分别研究尿素溶液生成第气物质的量的影响.CMMa）尿素溶液物质的量浓度空间分布b）氨气物质的量浓度空间分布C）出口处窈气物历的fit图4压力喷射p=20bar尿素分解a)尿素溶液物质的量浓度空间分布b)氨气物质的殖浓度空间分布31703301-

9、032W-O327O-O324a230en2224O320te-O3127eO3II1.m9G3793eO4634e-0447eXM317-O44e-O4Q0(*00Area-WeightedAverageHo1.efractionofnh3out6.0009222602c),1.D处氨气物版的量图5压力喷射p=3()bar尿索分解a）尿素溶液物质的量浓度空间分布二三三2三三三三b）氨气物质的量浓度空间分布4M4M*Cfk3(TE1.an00)C）出口处灰气物质的量图6压力喷射p=40bar尿素分解比较分析尿素.溶液在1.=2,5m剩余的颗粒物物质的量浓度后得到曲线如图7所示.压力对尿素转化影

10、响Ooooo8642(Edd)名案S联*ESZ2203040喷射压力P(bar)图7喷射压力对尿素转化的影响当压力p=2（）bar时，喷射出的尿素溶液颗粒度较大，转化效率较慢，因此在1.=2.5n时有大拉尿素颗粒没有热解生成异粗酸，而当喷射压力p=40bar时，尿素颗粒虽然雾化效果提富，但是同时喷射速度太快贯穿距太大，因而尿素溶液没有来得及反应就已经到达1.=2,5m处。综合对比可以发现，在喷射压力为30bar时可以得到较好的喷射性能。(Edd)躯齿要磐F尿口明图8压力对翅气生成的影响图8表示当压力为3Obar喷射尿素生成型气物质的量最多,转化率达到95%,满足喷射尿素的转化要求：而压力为2O

11、bar生成的氨气量较少.方面可能是由丁压力小导致尿崇溶液在壁面形成液膜，另一种可能是喷射出的尿素量较少；压力p=40bur喷射情况下，假设未转化的尿素在接下来过程转化成妖气那么转化率就达到了90%以上，得出压力过大导致尿素溶液没有来得及分解生成级气。(4)喷射员对压力喷射性能影响结果对于喷射压力P=3()bar不变，选用四喷嘴喷射且喷嘴内径D=ISnm保持不变，分别选用量m1.=1.60Q0kg小，m2=H4.O5kgh.P3=80kgh来作为尿素溶液的喷射流量，分别研究尿素溶液生成氮气的物质量的影响。a)尿素溶液浓度空间分布-岳三二三三三三三I1.Area-WeightedAverageNo

12、1.PFractionOfnh3out0.f10015OO12CMM*M.32，aaMb）犯气浓段空间分布6X238*045O4534443QM08n04340O43VU042B2416X4157M120M942*8628253VU3o*ooC）出口处羽气物质的量图9喷射流量m=1.60.kgha），尿素溶/浓连年间分布b）匏气浓度空间分布C）出I处狐气物质的故图IO喷射流鼓m=I1.4.00kgha）尿素溶液浓度空间分布b）磔气浓度空间分布C）出口处数气物质的量图I1.喷射潦量m=114.00kg)出口处氨气生成转化率曲线喷入尿案溶液质量(kgh)图12出口处氨气转化效率图12说明对于压力喷

13、射过程，喷射量对尿素转化效率影响很大。当喷射量从80kgh逐渐增加时，出口处城气生成转化效率逐渐增加，说明尿素喷射时颗粒度较小，尿索分解转化较为迅速。但是压力喷射对于喷射取有极限效应，因此在当尿素溶液上升一定浓度后会导致喷嘴不足以喷射这么大的喷射量，因此造成氨气生成效率急剧下降。因此在选定喷射压力情况下，喷射量会较大程度影响压力喷射性能。结论本文模拟SCR系统中尿素热解水解反应生成财气的过程，通过利用仿真计算软件关于喷射条件对喷射性能的影响分析，得到以下结论：I、适当条件下的压力喷射以及空气辅助喷射均能达到设计的技术要求：2,压力喷射对于喷射的条件较为敏感，当喷嘴内径选定且喷射量不变时，改变喷射的压力会较大程度影响喷射性能：3、选用压力喷射时，喷射压力需要与喷射量相匹配才能达到较好的喷射性能。阳大型册用柴油机高压SCR系统研究随着人们环保意识的日益增强，船用柴油机作为一个重要的污染源己经引起高度重视。根据国际海洋环境保护委员会(MEPC)2008年正式通过的MARPO1.公约附则V1.的修正案的要求，船用柴油机NOX排放须逐步降低，各阶段限值如图1所示。201617TierI14.4Ticr1.1.144r1.1.O1.-200820123ITicrII1.NFCA,jPC66决g,Tr11I生效中问2016年20202024图IN