精品完整版内燃机尾气NOxSCR系统催化器结构的研究.docx

精品完整版内燃机尾气NOxSCR系统催化器结构的研究.docx

《精品完整版内燃机尾气NOxSCR系统催化器结构的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精品完整版内燃机尾气NOxSCR系统催化器结构的研究.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

精品完整版内燃机尾气NOxSCR系统催化器结构的研究

武汉理工大学毕业设计（论文）

内燃机尾气NOxSCR系统催化器结构的研究

学院（系）：

能源与动力工程学院

专业班级：

轮机工程1006班

学生姓名：

陈小虎

指导教师：

高国章

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书

2、不保密囗

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

年月日

导师签名：

年月日

摘要

Urea-SCR（SelectiveCatalyticReduction）技术是当前较为成熟的一种柴油机尾气NOx后处理技术。

SCR催化器是SCR系统的核心部分，它的结构的优劣对NOx催化效率有很大的影响。

柴油机尾气NOxSCR系统催化器结构的设计很繁杂，不但要考虑速度均匀性、压力损失和NOx催化效率，还要结合SCR催化器的整车装配性能。

本文选择以蜂窝陶瓷作为催化器载体，通过流体仿真软件FLUENT来模拟SCR催化器内部的流速场和压力场，进而得出实用性的结论，为日后的优化设计提供科学的参考。

本文主要对弯曲型和直通型的SCR催化器进行了建模，建立了相应的控制方程，并仿真模拟了不同类型催化器的内部速度场和压力场，得出了直通I型催化器在流速均匀性和压力损失方面表现较优，结构合理的结论。

总之，采用CFD方法，特别是应用流体仿真软件如FLUENT来对柴油机尾气NOxSCR系统催化器结构进行研究，能大大的降低研究成本、缩短研究周期，获得满意的结论。

从对SCR催化器所做的模型和仿真结果来看，方案是正确有效的，用FLUENT软件对SCR催化器流场进行分析有巨大的研究潜力。

关键词：

NOx；SCR催化器；FLUENT；流场分析

Abstract

TheUrea-SCR（SelectiveCatalyticReduction）ispresentlyconsideredabettermatureaftertreatmenttechniqueofnitrogenoxidesfromtheexhaustofdieselvehicles.ThecatalyticconverterisanimportantpartoftheSCRsystem,anditsstructurehas great influencetotheconversionefficiencyoftheSCRsystem.

Thedesignofthedieselnitrogenoxidescatalystconverterwasaverycomplexprocess,whichshouldnotbeonlyconsideredhomogeneousvelocity,pressurelossandconversionefficiencyofnitrogenoxides,butalsoassemblyperformanceonthedieselvehicles.Thispapercarriedwithcylindricalwall-flowhoneycombceramics,andthevelocityfieldand pressurefieldsimulationanalysisoftheSCRsystemisbysoftFLUENT.Some applicable conclusions are achievedwhichcanprovide a greatreference for the dieselvehicles designinthefuture.Thispapermainlyanalyzedtheinternalflowstothephysicalmodeofthecatalystsubstrateandestablishedthecorrespondingflowcontrolequationandpressurelossequation.WecangettheconclusionthatstructureofstraighttypeIisbetterthanothers.

Inconclusion,usingtheComputationalFluidDynamics（CFD）method,especiallythe fluidsimulationsoftware suchasFLUENTtocarryontheresearchof nitrogenoxidesSCR systemof catalyticconverterstructures, can largelycut the cost, shortenthedesigncycle, andobtainapproving completion.FromtheresultsofSCRcatalyticconvertermodelandsimulation wecanknowthatourwork iscorrectandeffective, asthesametime,usingFLUENT softwaretoresearchandoptimization isaveryeffectivemethod of SCRcatalyticconverter .

Keywords：

NOx；SCRcatalystconverter；FLUENT；AnalysisofFlow-field

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第1章绪论1

1.1研究背景和意义及国内外研究现状2

1.1.1研究背景和意义2

1.1.2国内外研究现状3

1.2SCR催化器的研究内容和方法4

1.2.1研究内容4

1.2.2研究方法4

第2章Urea-SCR的工作原理及影响因素5

2.1SCR系统工作原理5

2.2影响SCR反应的主要因素6

第3章催化器内部流动数值模拟8

3.1催化器内流动数学模型及验证8

3.1.1自由流动区域的数学模型8

3.1.2载体内的流动模型9

3.1.3数学模型的验证10

3.2数值求解方法10

3.3初始条件的理论计算11

3.3.1排气流速计算11

3.3.2雷诺数的计算13

3.3.3马赫数的计算14

第4章催化器模型仿真与结果分析15

4.1弯曲型SCR催化器仿真模型15

4.1.1计算区域15

4.1.2网格划分16

4.1.3FLUENT算法16

4.1.4边界条件18

4.1.5残差图18

4.1.6弯曲Ⅱ、Ⅲ型NOx催化器19

4.1.7计算结果分析19

4.2直通型SCR催化器仿真模型24

4.2.1不同扩张角对流场的影响25

4.2.2不同收缩管夹角对流场的影响27

4.2.3不同载体位置对流场的影响29

4.2.4有无扩张管、收缩管的NOx催化转化器流场比较30

4.3弯曲型与直通型SCR催化器对比分析34

4.3.1流速均匀性对比34

4.3.2压力损失对比34

第5章总结与展望35

参考文献36

致谢38

第1章绪论

从十九世纪末到现在，内燃机技术的发展突飞猛进。

与此同时，全球内燃机的制造工艺取得了长足的进步。

而且，中国已由原来的汽车产品潜在消费市场正式转向汽车产品消费大国[1]。

但在汽车给我们带来快捷的生活方式的同时，日益增加的汽车尾气排放严重威胁着人们的生存与健康。

汽车尾气在带来严重大气污染的同时还产生了大量有害成分，包括CO、HC、NOx、Sox、PM、臭气等。

其中的NOx、HC等给环境和人类健康带来了巨大的威胁[2]。

研究表明，汽车尾气中的有害气体和粉尘颗粒是城市空气污染的元凶。

为此，国家就相继出台一系列控制汽车尾气排放的控制法规和管理办法。

在汽车尾气的排放控制上，国家要求在2000年达到欧I标准，2004年实施欧Ⅱ标准，在2010年前后排放水平与国际接轨[3]。

国家对汽车尾气尤其是NOx的排放要求越来越高。

现阶段，柴油机的尾气排放的几种控制方法中，较为成熟的技术则是SCR技术，而不断严格的排放法规对催化器的性能提出了更高的要求。

这要求我们设计出效率高、耐用、装配性能好的SCR催化器。

为满足如此严格的要求，这就需要对催化器内部的流场和整体的结构进行必要的研究和设计。

其中，国内NOx排放标准见表1-1，欧美NOx排放标准见表1-2。

表1-1中国采用的重型车排放限制标准

Tab.1.1Emissionsregulationsforheavy-dutycommercialvehicleinChina

阶段

实施时间

NOx（g/kw.h）

国III

2007.1.1

5

国IV

2010.1.1

3.5

国V

2012.1.1

2.0

EEV

2.0

表1-2欧洲、美国采用的重型车排放限值标准

Tab.1.1Emissionsregulationsforheavy-dutycommercialvehicleinEurope,USA

阶段

实施时间

NOx

欧V

2008.9.1

280mg/km

欧VI

2011.9.1

125mg/km

US2007

2007.1.1

1.5g/kw.h

US2010

2010.1.1

0.26g/kw.h

随着柴油机的使用越来越广，柴油机NOx催化器的研究和市场应用将进入一个新的快速发展阶段，因此对柴油机尾气NOxSCR系统催化器结构的研制开发是切合节能减排主题的。

而在计算机技术突飞猛进的今天，计算流体力学（CFD）的方法在发动机尾气NOx催化器结构设计上的应用已经成为一种有效地方法[4-10]。

计算流体力学技术在流场（压力场、速度场等）研究上独具优势，能在短时间内完成传统试验的任务。

与此同时，CFD技术中通过对模型的仿真模拟可以达到更多的流场信息，这是传统试验所不能做到的。

因此，本文的研究结论可以为日后的研究提供有限的指导和依据，这对减少试验工作量，缩短设计周期是很有帮助的[11]。

1.1研究背景和意义及国内外研究现状

1.1.1研究背景和意义

柴油机因为在动力性、燃油经济性、热效率、适应性、功率范围等方面都具有较好的表现，所以其在交通运输及工程机械等领域应用越来越广泛。

柴油机与传统的汽油机相比，比油耗减小14%～30%，在提供相当的功率时柴油机CO2排放量降低20%左右，因而柴油机的应用得到越来越多的关注。

而柴油机后处理技术中，Urea-SCR技术的NOx催化器对催化效率影响很大，得到了越来越多的关注。

SCR催化器内的性能好坏主要体现在流速分布和压力损失方面。

据国外研究，柴油机的排气系统的压降有25%~40%都是催化器引起的。

催化器内部流场的仿真分析，对催化器的整体性能的提高具有十分重要的意义，特别是在改善催化器载体内的流动特性和结构设计方面。

SCR催化器有十分繁杂的内部流动，单纯的依靠已有理论经验和传统实验方式来研究催化器不但浪费大量的时间和精力，还无法得出催化器内部准确的流动特性。

计算机技术的空前进步为对催化器进行细致研究提供了可能。

不论是在催化器的流场研究上，还是在温度场、NOx转化率探究上，计算流体动力学（CFD）技术被越来越多的人使用和认可。

突破传统试验手段，在SCR催化器的设计研究中充分利用FLUENT等分析软件，对催化器内的流场和压降等方面的研究越来越细致、深化。

因此，这对我们更好的认识催化器内部流动情况，设计出更优结构的催化器，从而有效控制NOx排放有深远的理论和实际意义。

1.1.2国内外研究现状

国内由于缺少有效地研究手段，早期的研究主要集中在催化器的加工和催化剂的制备上。

并且，没有很好的将计算机软件应用到催化器的研究中也是造成我国SCR催化器落后的原因。

但是，进入21世纪以来，我国学者汲取了国外先进经验开始用CFD软件对催化器流场进行深入研究。

基于国外的同类研究基础上，清华大学的帅石金等人在2000年首次建立了载体的数值模拟控制方程，并用当量连续法对催化器结构进行了仿真分析[12~18]。

得到结论：

扩张管处的气流脱壁使载体前后速度分布不均，同时存在局部压力损失。

帅石金等人在2001年用STAR—CD软件对催化器不同扩张角进行了研究[19]。

2001年，刘军运用计算流体动力学软件ANSYS—CFD对催化器进行了研究[20]，其把计算结果与实验结果比较，认为吻合较好。

黄震等在2003年总结了催化器的相关研究，得到了对流体流速分布产生影响的一些结构因素[21~23]。

刘彪等在2004年利用CFD软件，探究了催化器的结构参数对流速和压力损失的影响[24]。

湖南大学的龚金科等采用CFD软件对流速分布和压力损失进行了模拟仿真，并对安装催化器前后的发动机做了对比试验[25]。

黄莉莉在2005年对催化器所建立的数学模型考虑了反应热[26]。

总之，我国在这个领域的研究还比较落后，催化器研究中的CFD技术应用仍任重道远。

国外对催化器的研究是从流阻入手的。

并且，这些研究大都比较片面和狭隘，没有研究更多的催化器参数信息，所以不能很好的满足催化器结构设计的要求。

1974年，Givens和Lemme认为扩张管夹角和收缩管夹角对催化器有影响，研究了不同角度对流场的影响[27]。

1986年，Wendinad研究了催化器内双蜂窝载体和单蜂窝载体对流场影响的异同[28]。

1991年，Lai等人把催化器内看做绝热、无化学反应的流动，并用PHOENCIS进行了三维建模[29]。

Wolhn等人在1999年得到了载体形状影响催化器性能的结论[30]。

Weletns研究了发动机催化器的5种不同形状入口管对流动的影响[31]。

Muas则证明了斜扩张管在压力损失方面比常规扩张管表现要好，流速分布也相对均匀[32]。

国外对催化器的模拟仿真分析，进行的较早，也较全面。

随着计算机水平的日新月异，用CFD技术对SCR催化器进行结构分析是一个很有潜力的领域。

1.2SCR催化器的研究内容和方法

1.2.1研究内容

有关研究表明，柴油机NOx催化转化器内部的气体流动对NOx催化器的速度分布、压力损失、NOx催化效率、动力性和经济性都有很大的影响。

但是，当柴油机工作时，我们要研究的催化器流场在其内部，很难去靠观察和相应设备去捕捉我们需要的数据信息。

催化器内部载体结构复杂和工作条件苛刻，这是造成催化器难以研究的主要原因。

本文基于大量理论和试验研究，借助流体动力学（CFD）软件FLUENT，主要对弯曲型和直通型NOx催化器的内部流场和压力损失进行仿真模拟研究，并得出适用性结论。

主要研究内容如下：

（1）通过已有的研究结论，本文确定采用圆柱蜂窝陶瓷作为催化器载体，相应于不同的催化器结构进行流场模拟。

（2）进行数值模拟，建立蜂窝陶瓷内部流动的数学控制方程，主要包括质量方程（连续性方程）、动量方程、湍流动能方程等。

（3）应用GAMBIT软件定义计算区域并划分网格，根据已经建立的数学控制方程和压力损失方程，得到NOx催化器内部流场的FLUENT仿真模型，分析弯曲型和直通型催化器内部流动的速度场和压力场分布。

（4）对比分析弯曲型与直通型两种NOx催化器的优缺点，从均匀流速提高转化效率和降低压力损失出发对NOx催化器结构进行优化。

1.2.2研究方法

对催化器内部流动建立数学模型，用UG软件建立物理模型，GAMBIT软件定义计算域和划分网格，应用FLUENT软件模拟仿真。

主要是设计不同结构的催化器，包括类型（弯曲型，直通型）、扩张角、收缩角、载体位置等的不同对催化器内流场的影响。

在研究的主要方向方面，催化器内流场分布和压降是研究和分析的重点，从而得到能使催化器载体内流速均匀和压力损失较小的一种设计方案。

第2章Urea-SCR的工作原理及影响因素

2.1SCR系统工作原理

尿素SCR系统的主要组成单元有：

SCR催化器、尿素罐、尿素泵、喷嘴及电控单元。

如图2.1所示，还原剂为质量分数为32.5%的尿素水溶液。

图2.1尿素SCR系统结构图

SCR催化器：

SCR催化器为NOx与尿素水溶液提供了一个选择性催化还原反应空间。

在SCR催化器载体上附着有催化剂，催化反应的发生。

按照气流的流向，依次是入口管、扩张管、载体、以及收缩管和出口管。

尿素罐：

主要是祈祷载体的作用。

尿素水溶液被装在尿素罐中，根据已有实验参数，尿素水溶液与燃油消耗的消耗比约为3%~5%，尿素罐的容积一般为油箱的1/2左右。

此外，尿素罐中装有液位传感器，电控单元可以通过液位传感器来检测尿素的剩余量，并将液位信息及时反馈给控制单元。

尿素泵：

受电控单元的控制，接收电控单元的指令来对尿素水溶液进行建压，并把它定量泵出到混合器中，为喷嘴的喷射做准备，而多余的尿素水溶液则会回流到尿素罐中。

喷嘴：

安装在柴油机的排气管路上，将尿素水溶液雾化并喷射到排气管中。

喷嘴的喷射效果对催化器内的反应有很大的影响，雾化程度越高，与废气的接触面积越大，则与NOx的反应越充分，还原效果越好。

喷嘴安装方向是有要求的，要求安装好的喷嘴的喷雾方向与排气流向相同。

电控单元：

对柴油机的转速和转矩等信号进行采集，并根究催化器的出口温度对喷射量进行修正，来更改不同工况下所需的尿素水溶液量。

SCR系统工作流程：

由电控单元首先采集尿素液位传感器检测的尿素罐中的尿素水溶液的液位，同时发出控制指令给尿素泵，尿素泵就会启动并建立一定的压力供喷射用。

电控单元再对柴油机的工作状况来进行采集和计算，继而会发出一个合适的喷射量信号，保证有适量的尿素水溶液与尾气中的NOx进行反应。

尿素水溶液从喷嘴处喷射到排气管中，在其中会发生热解生成NH3，为到催化器中发生催化还原反应做准备。

当柴油机中的尾气排到催化器中时反应发生，NOx被还原成无害的惰性气体N2，达到降低NOx排放的目的。

2.2影响SCR反应的主要因素

根据上述SCR系统反应流程，影响SCR反应的因素主要有如下几点：

（1）催化器结构

催化器的结构会严重的影响催化器内的速度场、压力场等，是影响选择性催化还原反应的一个重要因素。

一个合理的催化器结构设计，既要满足安装空间的要求，又要使SCR催化器能充分的发挥降低有害尾气排放和提高NOx转化效率的要求。

（2）反应温度

在SCR系统发生反应时，反应温度的高低会直接影响催化剂的活性，因而会对反应的速度产生相应的影响。

一般来说，反应温度提高，催化剂的活性也会提高，催化还原反应速率就会加快。

但是，这种正相关的关系是由限度的。

当反应温度达到一定温度时，如果继续升高，一方面易引起催化剂失效（烧结、高温老化等），另一方面，NH3就会先与O2发生氧化反应，使进入催化器与NOx实际发生反应的NH3量减少，使NOx的转化效率有不同程度的降低。

反应温度过低，催化剂活性会相应的下降，造成NH3大量流失。

V2O5-WO3/TiO2是目前在催化效果较好的且应用较多的催化剂，其在NOx催化器中的最佳反应温度在250°C~450°C之间。

（3）流速

流速是SCR催化器的一个通用指标，其值催化反应接触时间相对应，计算公式如下：

（2.1）

式中：

ν是流度；Qv是排气体积流量；V是催化器体积。

流速决定了NOx与催化剂能否完全反应，是评价SCR系统转化效率的重要参数。

（4）氨过量系数

氨过量系数指反应中实际氨氮摩尔比与理论化学计量比的比值。

（2.2）

（2.3）

由反应（2.2）和（2.3）可以得到：

NH3与NOx的理论化学计量比为1.0。

反应时间越充足、NH3适量时，化学计量比越大，NOx转化率越高。

（5）混合程度

在一定的催化剂类型、催化器结构、反应工况及尿素喷射量下，催化器前端NH3与柴油机尾气的混合程度决定了NOx的转化率。

催化器前的尾气的流速越不均匀，尾气与NH3越不能充分接触，从而导致NOx转化率越低；另外，局部氨过量系数过低或过高也是因混合不好造成的，这就会导致NH3泄漏增加。

第3章催化器内部流动数值模拟

3.1催化器内流动数学模型及验证

对催化器进行数学模型的建立和验证时进行仿真模拟的基础，然而要进行数值模拟就必须先要搞清楚催化器内的流动状态。

因为催化器内的化学反应对流速的影响不大（与考虑化学反应相比偏差在10%以内），所以我们可以认为其内部流动是绝热和无化学反应的。

并且，可以分为两部分，一部分是自由流动区域，另一部分是载体内的强制流动区域。

3.1.1自由流动区域的数学模型

载体外的区域是自由流动区域，对于可压缩气体NOx，其流动连续性方程（质量守恒方程）是：

（1）质量方程：

（3.1）

上式中：

ρ是流体的密度；t是时间；x是为笛卡尔坐标方向；ui（i=1、2、3）是分速度；不同的下标表示不同的分速度。

（2）动量方程：

（3.2）

上式中：

P是压力；τij是应力张量，对牛顿流体有：

Sij是流体变形速率，

μ是粘性系数；δij是Kroneker数；

是雷诺应力。

（3）湍流输送方程：

雷诺应力的计算采用标准的k-ε湍流模型，并且用它来封闭上述流动控制方程：

（3.3）

（3.4）式中：

是湍流粘性系数；k是湍流动能；ε是湍流耗散率，它们的输送方程分别为：

（3.5）

（3.6）

式中：

=

；

、

、

、

、

、

为经验系数和紊流参数。

表3.1方程k-ε的表系数

0.09

1.0

1.22

1.44

1.92

-0.33

3.1.2载体内的流动模型

SCR催化器对载体特性有一定的要求，为了能使催化剂与尾气充分的接触，就要求催化器载体的表面积要大，而且还要保证压力损失不能太大。

经过试验发现陶瓷蜂窝载体是一种较为理想的材料。

要对载体内的众多小管道进行模拟，就必须找到一种合理的方法，因此连续当量法能很好的满足这种多孔介质。

为了使问题简单化，可以对动量方程进行化简，即舍掉扩散项与对流项，并把载体孔道内的流动视为不可压缩层流：

（3.7）

（3.8）

式中：

Ki是渗透率；

、

是经验常数，假设气流只沿轴向流动，在径向和周向不相互干涉，即径向和周向经验常数

、

取1×105，轴向的值根据压降关系的经验值确定。

3.1.3数学模型的验证

上