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尿素选择性催化还原系统的仿真与优化

温苗苗  
【摘要】: 从国内外NOx排放现状与发展趋势来看,机动车对NOx排放的贡献越来越大。在机动车持续增长和能源紧缺的形势下,发展和完善贫燃发动机NOx控制技术对减少全球NOx排放有十分重要的意义。选择性催化还原(SCR)被认为是目前最有效的柴油机NOx控制技术。由于还原剂氨存在运输风险,采用32.5%尿素水溶液代替,它可以在车辆排气系统中分解成氨气。 采用尿素水溶液作为还原剂,对车用SCR系统结构设计提出了更高的要求。本文在深入理解Urea-SCR系统反应理论的基础上,建立了可以预测车用SCR系统NOx转化率的数值模型,并通过计算揭示了SCR排气后处理系统内部运动规律,包括尿素水溶液蒸发、分解、混合气形成过程及催化器内发生的选择性催化还原反应过程。主要研究内容为: (1)在了解系统工作原理和时间标尺的基础上,总结了SCR系统建模过程中涉及的相关理论和数学模型。在计算流体动力学模型基础上加入了尿素分解反应与SCR反应动力学模型,实现了较完整的车用SCR系统过程的模拟。 (2)在一维定常流假设基础上建立了理想的SCR催化器反应模型,并在该模型基础上校验了所选SCR反应速率常数对试验催化剂的适用性,计算了不同温度下同物质的量的NO与NH_3完全反应所需要的时间。计算分析了不同氨过量系数及空速对催化器转化效率的影响,这些计算可以为尿素供给策略设计、催化器选型提供依据。 (3)建立了Urea-SCR系统三维模型,试验NO转化率和系统压降验证了模型的可靠性。分析了尿素热解反应速率常数、喷雾初始粒子直径、排气流速对计算结果的影响,进一步验证了文中所选模型的合理性。计算结果展示了一个喷射周期内流速、各组分浓度等参数的分布,揭示了尿素水溶液到氨的转化过程及混合过程。结果表明液滴蒸发、尿素蒸气热解过程的时间尺度与选择性催化还原反应过程的时间尺度相当,对整个车用Urea-SCR系统进行三维模拟时,不能忽略液滴蒸发、尿素蒸气热解过程。在模拟研究基础上,文中提出了SCR系统结构的评价指标。 (4)在三维模型基础上比较了不同排气管结构型式、混合器型式、喷嘴结构及位置对催化器转化效率的影响,得出了一些指导性的结论。结构比较计算表明尿素水溶液液滴蒸发、分解及混合过程的研究对车用Urea-SCR系统结构设计具有非常重要的意义。


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