关键词:
SCR
尿素沉积物
化学反应机理
动力学参数
混合器
摘要:
国Ⅵ排放法规已在部分城市进行实施,高效低排放的柴油机成为未来研究的焦点,尿素-选择性还原催化(Urea-SCR)技术在配合柴油机尾气处理时具有宽裕的催化温度范围、较高的还原安全性及良好的燃油经济性等优势。以尿素作为还原剂氨(NH3)的储存来源,在实际柴油机SCR系统中要求尿素在短时间内能转氨完成,否则不完全的尿素分解易导致沉积物形成,影响NH3的转化效率,降低催化剂活性。本文主要通过构建尿素详细分解模型,从化学反应角度探讨SCR系统在管道中沉积物形成过程,利用仿真手段构造尿素分解管结构,设置不同运行条件监测尿素转氨效率、分解管出口处NH3的均匀性分布及沉积物生成量变化,同时改造管道内部结构来优化NH3的分布情况,从结构方面提出减少沉积物生成的解决方法。建立了尿素沉积物主要副产物缩二脲、三聚氰酸及三聚氰酸同系物的生成及分解子模型,基于量子化学方法过渡态理论计算三聚氰酸同系物的生成与分解反应的活化能与指前因子,对沉积物各组分进行热重分析试验来研究各组分的具体分解温度,通过热重曲线得出的试验数据计算各组分在不同温度阶段发生的反应的动力学参数,结合子模型验证各组分在分解过程可能出现的反应并对比两种方法计算结果。将13步详细的尿素分解反应机理调入STAR-CCM+流体仿真软件中,通过与总包反应对比不同排气温度出口处NH3的摩尔质量分数来验证量子化学方法和试验数据计算的动力学参数结果的可行性,并且为进一步验证,建立了尿素转氨率、出口处NH3均匀性系数和沉积物含量变化三种评价指标,从排气温度、尿素喷射量及喷射锥角三方面来观察两种方法的结果趋势,并设计新型混合器来改善NH3分布不均匀及沉积物大量生成的问题。研究结果表明,三种评价指标显示了两种方法的结果曲线运行一致,试验动力学计算方法的结果优于量子化学方法。从尿素转氨效果分析,排气温度的提高能促进尿素转氨率,但尿素喷射量的增加对转氨效率为抑制作用,说明在具体运行过程中应严格控制尿素喷射量的大小,不同喷射锥角对转氨效率影响较小,只要保持在合理范围内,就能保障尿素分解过程的有效转化。从沉积物的生成量变化考虑,175~225℃为副产物生成的活跃区域,应避免长期保持在这一温度范围内,并且排气温度的升高有利于沉积物各组分的分解,在250℃温度下逐渐加大尿素喷射量及喷射锥角促进了副产物的生成,尿素喷射量不宜超过2kg·h-1,喷射锥角不宜超过70°。出口处NH3的均匀性则显示,增加排气温度及喷射锥角都利于氨气的均匀分布,而尿素喷射量的提高使尿素分解不及时,增加了副产物形成。新型叶片混合器可将出口处NH3均匀性系数提高27%,沉积物中对三聚氰胺的影响较大,能有效减少三聚氰胺的生成量,但新设计网格混合器对出口处NH3均匀性和沉积物含量变化影响有限。