Urea-SCR催化还原NOx数值模拟与优化

论文摘要

现代汽车工业快速发展，为人类社会创造了巨大的财富，同时也带来了诸多环境问题。其中，重型柴油机NOx（氮氧化物）排放已经成为大气污染物中氮氧化物的主要来源之一。针对NOx排放须满足日益严格的排放法规，国内外已出现多种技术方案，选择性催化还原（SCR）是目前最有效的柴油机NOx控制技术。由于还原剂NH3存在运输风险，采用质量分数为32.5%的尿素水溶液代替，其在车辆排气管中可以生成氨气。采用尿素水溶液产生还原剂，对车用SCR系统结构设计提出了更高的要求。本文对试验柴油机的尾气后处理装置Urea-SCR（尿素选择性催化还原系统）进行了模拟研究和优化设计。在深入理解Urea-SCR系统反应理论及各物理化学过程时间尺度的基础上，建立了SCR系统的数值模型，通过特征工况点的NOx转化率、系统压降验证了模型的可靠性。模拟计算揭示了Urea-SCR系统内部运动规律，包括流场分布、尿素水溶液蒸发、热解、混合气形成过程以及选择性催化还原反应过程。具体研究内容如下：（1）在了解SCR系统工作原理和各物理化学过程时间尺度的基础上，总结了模拟计算过程中涉及的理论和数学模型。在计算流体力学的基础上，考虑了尿素热解反应。（2）在发动机排放试验的基础上，通过氮氧化物转化率和排气压降两方面验证了所建模型的可靠性；小样试验得到了NH3在催化剂上的吸附速率，从试验的角度研究了温度、NH3浓度以及空速对吸附速率的影响规律。研究结论为进一步研究SCR内部流场规律提供了参照依据。（3）建立了Urea-SCR系统的三维计算模型，计算结果展示了一个喷射周期内速度场、温度场以及各组分浓度的分布规律。结果表明，尿素液滴蒸发、热解过程的时间与SCR反应的时间尺度相当，在对车用SCR系统仿真时，考虑了液滴的蒸发、尿素的热解过程。（4）在所建的三维模型基础上，研究了喷嘴的不同喷孔数、喷嘴的安装位置对催化转化率的影响，得出了一些有用结论。通过对Urea-SCR系统的三维模拟研究，发现尿素水溶液液滴蒸发、尿素热解、还原剂和排气的混合过程研究对SCR系统的结构设计具有很重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题介绍
• 1.1.1 课题背景及意义
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 柴油机控制氮氧化物排放技术
• 1.2.1 氮氧化物生成机理
• 1.2.2 Urea-SCR技术发展情况
• 1.2.3 国内外模拟研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 小结
• 第二章 Urea-SCR系统工作原理与计算模型
• 2.1 Urea-SCR系统工作原理
• 2.1.1 Urea-SCR反应机理
• 2.1.2 催化剂表面微观反应过程
• 2.1.3 SCR催化剂性能评价指标
• 2.1.4 SCR系统内部物理化学过程时间尺度分析
• 2.2 数值计算模型
• 2.2.1 模型假设条件
• 2.2.2 喷雾模型
• 2.2.3 蒸发模型
• 2.2.4 破碎模型
• 2.2.5 物质输运模型
• 2.2.6 基体多孔介质模型
• 2.2.7 催化剂表面反应模型
• 2.3 计算方法
• 2.4 小结
• 第三章 试验与模型验证
• 3.1 SCR系统实验装置
• 3.1.1 发动机台架
• 3.1.2 小样试验装置
• 3.2 实验方案
• 3.2.1 发动机排放试验
• 3.2.2 催化剂小样试验
• 3.3 实验数据与分析
• 3.4 仿真模型验证
• 3.5 小结
• 第四章 Urea-SCR系统三维模拟计算
• 4.1 AVL Fire软件介绍
• 4.2 建立计算模型
• 4.2.1 计算网格
• 4.2.2 计算化学反应速率常数
• 4.2.3 催化剂基本参数计算
• 4.3 求解器设置
• 4.3.1 定义物质输运类型
• 4.3.2 确立流体物性和初始条件
• 4.3.3 设置边界条件
• 4.3.4 控制方程的选用
• 4.4 计算结果及分析
• 4.4.1 流场分析
• 4.4.2 喷雾主要参数变化
• 4.4.3 还原剂生成、SCR反应过程
• 4.5 小结
• 第五章 Urea-SCR催化器优化设计
• 5.1 喷嘴位置的优化
• 5.2 喷孔数的优化
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 本研究创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢