柴油機(jī)催化劑尺寸的仿真改良

馮星皓　王鑫炳

摘 要

針對6105AZLD柴油機(jī)在85%負(fù)荷工況下的排氣，利用AVL BOOST軟件，建立了選擇性催化系統(tǒng)（SCR）反應(yīng)過程仿真模型，對影響催化劑催化轉(zhuǎn)換效率的長度、孔密度、壁厚等結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。通過分析了解不同參數(shù)變化對該系統(tǒng)脫硝率與氨逃逸率的影響，最終得到在體積為0.072m3、長度為0.8m、孔密度為35×35、氨氮比為0.85、壁厚為0.6mm、布置形式為2×2、布置層數(shù)為2層時，脫硝率為83%、氨逃逸率為12ppm，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞

氮氧化物減排; SCR催化劑建模;尺寸優(yōu)化

中圖分類號： X701 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.034

0 引言

航運(yùn)一直都是人類大規(guī)模運(yùn)輸?shù)氖走x，它很大程度的促進(jìn)著各國之間經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的發(fā)展。但是船舶航行中排放的以氮氧化物為主的有害物質(zhì)雖然含量在排氣總量中十分微小但是卻可以給大氣環(huán)境以及人的身體造成十分大的影響。隨著近年來人們對環(huán)境保護(hù)的愈加重視，各界都推出了各項(xiàng)限制排放的標(biāo)準(zhǔn)，例如：國內(nèi)近年來針對汽車排放的國六標(biāo)準(zhǔn)，以及對船舶氮氧化物排放的限制的MARPOL公約Tier III的施行。各界都在尋找好的減排方式，航運(yùn)界也一直在探索可行的船舶氮氧化物減排措施[1-2]，以適應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)格的法規(guī)，維持航運(yùn)的繁榮穩(wěn)定。SCR催化系統(tǒng)作為解決這一問題最為經(jīng)濟(jì)有效的方案之一，自然備受人們重視。在SCR系統(tǒng)中，SCR催化劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及結(jié)構(gòu)布置形式等是影響該系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，所以對SCR催化系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化是非常重要的且有實(shí)際前景的。本文根據(jù)前輩對6105AZLD柴油機(jī)尾氣排放含量的分析[3]，得到在柴油機(jī)負(fù)荷為85%的工況下，排氣流量等相關(guān)參數(shù)，后借助BOOST軟件，建立SCR催化仿真模型，可以十分經(jīng)濟(jì)有效地對催化劑各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行分析，得出不同參數(shù)對系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，進(jìn)而對影響SCR系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到滿足指標(biāo)的催化劑性能結(jié)構(gòu)指標(biāo)。

1 柴油機(jī)SCR催化劑尺寸初步設(shè)計(jì)

1.1 SCR系統(tǒng)工作原理

SCR系統(tǒng)工作原理如下圖1所示。尿素溶液分解為NH3與發(fā)動機(jī)排氣中的NOx在催化劑反應(yīng)裝置中發(fā)生反應(yīng)，將排氣中的NOx還原為N2，以減少發(fā)動機(jī)排放尾氣對環(huán)境的污染。

圖1 SCR 系統(tǒng)工作原理

1.1.1 氨氣的生成

由于尿素溶液對比液氮和氨水有更好的安全性能和存儲性能，所以可以尿素溶液作為SCR系統(tǒng)的氨氣來源。而下文僅涉及仿真所以仿真模型中假設(shè)尿素全部分解成氨氣。

1.1.2 NOx的催化還原

尿素分解生成的氨氣進(jìn)入催化反應(yīng)器后為還原劑與催化劑發(fā)生吸附反應(yīng)（1），而催化劑表面的氨氣發(fā)生解吸附反應(yīng)（2）。ME·NH3（s）表示吸附的NH3。

廢氣中的NOx與催化劑表面的氨氣發(fā)生反應(yīng)，生成N2和H2O。

反應(yīng)（3）為主要的SCR反應(yīng)，即標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。該反應(yīng)在300～400℃反應(yīng)較快，在溫度低于250℃反應(yīng)速度較慢NOx轉(zhuǎn)換率較低。式（4）為快速SCR反應(yīng)，NO2和NO摩爾比為1：1時NOx轉(zhuǎn)化率最高。式（5）為慢速SCR反應(yīng)，反應(yīng)速度較慢，影響較小可以忽略該反應(yīng)[4]。

SCR系統(tǒng)中還有與SO2 等硫化物的反應(yīng)，但船用SCR系統(tǒng)主要作用為降低排氣中的NOx的排放，且船用柴油機(jī)含硫量較低所以本文暫不考慮相關(guān)的反應(yīng)。

此外還應(yīng)該重視氨氣在催化劑表面發(fā)生的氧化反應(yīng)（6）。

1.2 SCR系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1.2.1 脫硝率

船用SCR系統(tǒng)主要作用為降低排氣中的NOx的排放量，所以脫硝率是該催化劑的最重要的指標(biāo)，脫硝率計(jì)算公式：

式中，DeNOx為脫硝率;CNOx（in）為催化劑入口處NOx的濃度;

CNOx（out）為催化劑出口處NOx的濃度。

1.2.2 氨逃逸率

氨逃逸率主要指催化劑出口處的NH3濃度，為SCR系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。由于排氣流速過快或者排氣中氨氣的不均勻分布（氨氣局部過量）導(dǎo)致的系統(tǒng)反應(yīng)不充分，從而導(dǎo)致氨逃逸率上升，逃逸的氨氣會對環(huán)境造成污染。本文限制在20ppm以內(nèi)。

1.2.3 SO2/SO3轉(zhuǎn)化率

由于船用發(fā)動機(jī)燃油的含硫量較低，該指標(biāo)比較寬松。

下圖為柴油機(jī)SCR催化劑技術(shù)指標(biāo) 見表1。

表1 目標(biāo)柴油及SCR催化劑技術(shù)指標(biāo)

1.3 SCR催化劑尺寸的初步設(shè)計(jì)

1）根據(jù)柴油機(jī)排氣溫度、有毒元素、排氣流速，等確定催化劑的配方和節(jié)距。這兩方面決定了催化劑的活性。

2）根據(jù)SCR催化反應(yīng)的動力學(xué)方程和系統(tǒng)指標(biāo)確定空速以確定催化劑最初體積。

式中，k為催化劑的體積活性常數(shù)，h-1; SV為空速，h-1;η為脫硝率，%;

γ為催化劑入口處的氨氮摩爾比;K為NOx在催化劑表面的吸附系數(shù)，kg/m2;

CNOX（in）為催化劑入口處的NOx的濃度，ppm;

Qflue為排氣流量（m3/h），Vcat為催化劑體積（m3）。

其中排氣流量為698m3/h;空速一般為12000h-1，取區(qū)間5000～24000h-1[5]。

3）根據(jù)體積可確定催化劑的截面積和長度。

催化劑的截面積A，就可以通過催化劑的體積與排氣流量的比值來確定：

流速一般為5～8m/s。

4）綜合上述，以及船用催化劑的實(shí)際布局確定初步的催化劑結(jié)構(gòu)和布置形式。

根據(jù)催化劑的強(qiáng)度要求，一般催化劑長度不超過1500mm;同時標(biāo)準(zhǔn)蜂窩狀催化劑單元塊截面積為150mm×150mm= 22500mm2，常見的布置形式有1+1、1+2、2+2、3+1等，可以根據(jù)上述系統(tǒng)指標(biāo)以及船舶環(huán)境條件來確定布置形式。

經(jīng)計(jì)算分析得到具體的SCR初步設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2。

2 柴油機(jī)SCR催化劑建模

2.1 基于AVL BOOST的催化劑模型

2.1.1 AVL BOOST軟件概述

AVL BOOST軟件主要用于AVL BOOST軟件主要用于車用及船用發(fā)動機(jī)的整機(jī)或局部建模，預(yù)測分析發(fā)動機(jī)的相關(guān)性能及設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)[6-7]。

2.1.2 SCR催化劑反應(yīng)過程

根據(jù)1.1該反應(yīng)只考慮標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)（3）、快速SCR反應(yīng)（4）、氨氣的氧化反應(yīng)（6），以及氨氣吸附反應(yīng)（1）與解吸附反應(yīng)（2）。

2.2 SCR 催化劑建模

2.2.1 模型假設(shè)

a.柴油機(jī)排氣中僅含有NOx、CO2、H2O、O2和N2，且因?yàn)镹Ox中NO2含量較少仿真認(rèn)為全部為NO;

b.混合氣做一維穩(wěn)定運(yùn)動;NOx;

c.催化劑內(nèi)部絕熱，忽略催化劑外壁和環(huán)境的熱交換;

d.催化劑表面的SCR反應(yīng)，模型只考慮上述1.1節(jié)5個反應(yīng)內(nèi)容，忽略其他反應(yīng);

e.考慮氨氣的泄露，NH3/NOx摩爾比設(shè)置為9：10。

2.2.2 邊界條件和參數(shù)設(shè)置

（1）邊界條件

基于AVL BOOST建立如圖2所示的SCR催化劑模型：

a.在ATB1進(jìn)口處各氣體組分濃度見表3。

氣體入口溫度選用440℃。

b.在模型中間催化劑部分，主要設(shè)置催化劑的體積、長度、孔密度、溫度、壁厚、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱以及化學(xué)反應(yīng)等條件設(shè)置，其中催化劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)為本文調(diào)整的內(nèi)容，而其他參數(shù)例如比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等采用系統(tǒng)的默認(rèn)值。

c.反應(yīng)出口ATB2選用壓力出口，壓力值為1bar。

（2）初始條件

本文中的催化劑模型的排氣條件是柴油機(jī)穩(wěn)定在85%負(fù)荷時的條件，所以這是一個穩(wěn)態(tài)SCR反應(yīng)，認(rèn)為排氣參數(shù)不隨時間變化，所以入口邊界條件就是初始條件[8]。

3 催化劑體積的詳細(xì)設(shè)計(jì)

催化劑參數(shù)的主要影響因素為孔密度、長度、橫截面積，并且影響效果長度>橫截面積>孔密度[9-10]。

首先運(yùn)用仿真模型對不同長度進(jìn)行仿真分析，根據(jù)初步設(shè)計(jì)中的體積范圍，與截面布置形式，確定長度范圍為0.6m～ 2.6m。而船用SCR催化劑大多為25×25、30×30、35×35、40×40、47×47、50×50，暫時選用孔密度為30×30 （CPSI為26.3）。仿真結(jié)果見圖3。

由圖3可以得到隨催化劑長度的增加，脫硝率不斷呈上升的趨勢，同時氨逃逸率下降，在長度大于1.6m時催化劑脫硝率基本達(dá)到指標(biāo)要求，但氨逃逸率在只改變長度的情況下未能得到符合指標(biāo)的參數(shù)，并且長度在0.6～1.6m范圍內(nèi)變化對脫硝率影響較大，再增加長度脫硝率雖仍緩慢增加但是變化較小，而長度過長會影響催化劑的強(qiáng)度性能。于是可以將長度定為1.6m（此時體積為0.072m3），通過改變孔密度來進(jìn)一步降低氨逃逸率，同時分析孔密度對性能參數(shù)的影響。仿真結(jié)果見圖4。

對圖4分析可知，增大孔密度會對脫硝率與氨逃逸率都有較好的性能影響，特別在常用的孔密度范圍內(nèi)固定長度為1.6m，孔密度為50×50時，該催化劑已經(jīng)有了滿足兩項(xiàng)指標(biāo)的性能要求，但是考慮到孔密度大于40×40之后壁厚過小，因排氣的腐蝕作用會嚴(yán)重影響該催化劑的機(jī)械壽命，所以將催化劑孔密度定為35×35，綜合長度為1.6m，此時SCR系統(tǒng)性能脫硝率為84%，氨逃逸率為79ppm。氨逃逸率依舊沒有滿足要求，后面繼續(xù)通過改變催化劑的壁厚、布置形式、氨氮比、布置層數(shù)來進(jìn)一步減小氨逃逸率。

因?yàn)楸诤?、布置形式、布置層?shù)、以及氨氮比四個參數(shù)可調(diào)范圍較小，并且四個因素對催化劑的催化轉(zhuǎn)換性能的影響較小，特別布置形式改變由1×2變?yōu)?×2時催化劑長度減半但是對系統(tǒng)的性能幾乎沒有影響，仿真結(jié)果見圖5，這是因?yàn)樵诳酌芏扰c壁厚不變的情況下催化劑體積和比表面積不變，所以對性能影響很小。可以把布置形式改為用以增加催化劑強(qiáng)度。

現(xiàn)根據(jù)表4中因素水平，根據(jù)表5的正交設(shè)計(jì)仿真方案進(jìn)行分析。仿真結(jié)果見圖6。

對圖6分析可知，增加催化劑的布置層數(shù)可以很好的減少氨逃逸率;壁厚的減少可導(dǎo)致脫硝率的增加，氨逃逸率的減少;在0.8到0.9的范圍內(nèi)減少氨氮比可使氨逃逸率下降，但同時會導(dǎo)致脫硝率的下降。綜合考慮可得在Case B的情況下氨逃逸率與脫硝率可以很好地滿足指標(biāo)，并且壁厚較大具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，所以最終確定優(yōu)化布置層數(shù)為2層、壁厚為0.6mm、氨氮比為0.85。

4 結(jié)論

（1）增加催化劑長度以及改變孔密度可以使得SCR系統(tǒng)的脫硝率上升并滿足要求;氨逃逸率雖有大幅度下降，卻依舊無法滿足指標(biāo)要求。

（2）改變氨氮比、壁厚、以及布置層數(shù)可以繼續(xù)降低該系統(tǒng)的氨逃逸率，但總體上與（1）中的兩個參數(shù)的改變相比影響較小，且可調(diào)動范圍小，所以在范圍內(nèi)選用幾個特定值進(jìn)行正交分析得到符合性能要求的結(jié)構(gòu)參數(shù);改變催化劑截面積的布置形式對該系統(tǒng)的影響可以忽略，可用來減少長度，提高催化劑強(qiáng)度。

（3）綜上在兼顧催化劑有較高的強(qiáng)度下，優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)為體積0.072m3、長度0.8m、孔密度35×35、氨氮比0.85、壁厚0.6mm、布置形式2×2、布置層數(shù)2層時，脫硝率為83%、氨逃逸率為12ppm，此時該SCR系統(tǒng)有滿足性能指標(biāo)的催化轉(zhuǎn)換性能。

參考文獻(xiàn)

[1]HANSHEINRICH M P， FRANK B.船舶工程技術(shù)手冊[M].陳剛，宋新新，譯.上海：上海交通大學(xué)出版社，2009：814.

[2]冷先銀，隆武強(qiáng).船用柴油機(jī)NO排放的機(jī)外凈化技術(shù)[J].柴油機(jī)，2009，31（3）：19-23.

[3]李斌.現(xiàn)代船舶動力裝置的節(jié)能與排放控制技術(shù)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2013：25.

[4]IMO.Tier Ⅲ Solution For Wartsila 2-Stroke Engines-Selective Catalytic Reduction[R].2011.

[5]徐月明.船用柴油機(jī)SCR催化劑選型及性能評價研究[D].湖北：武漢理工大學(xué)，2012.

[6]趙彥光.柴油機(jī)SCR技術(shù)尿素噴霧熱分解及氨存儲特性的試驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)，2012.

[7]劉森.船舶柴油機(jī)SCR系統(tǒng)仿真及試驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[8]李慶，黃先鵬，彭日亮.燃煤發(fā)電廠SCR排氣脫硝系統(tǒng)的選型[J].華北電力技術(shù)，2008，06：51-54.

[9]肖麗琴，呂林，祝能.船用柴油機(jī)SCR催化劑結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用[A].湖北：武漢理工大學(xué)高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2019.

[10]李鑫.柴油機(jī)SCR催化劑結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化研究[D].遼寧：大連海事大學(xué)，2014.