柴油机催化剂尺寸的仿真改良

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　　摘 要
　　针对6105AZLD柴油机在85%负荷工况下的排气，利用AVL BOOST软件，建立了选择性催化系统（SCR）反应过程仿真模型，对影响催化剂催化转换效率的长度、孔密度、壁厚等结构尺寸参数进行了仿真分析。通过分析了解不同参数变化对该系统脱硝率与氨逃逸率的影响，最终得到在体积为0.072m3、长度为0.8m、孔密度为35×35、氨氮比为0.85、壁厚为0.6mm、布置形式为2×2、布置层数为2层时，脱硝率为83%、氨逃逸率为12ppm，满足设计指标。
　　关键词
　　氮氧化物减排; SCR催化剂建模;尺寸优化
　　中图分类号： X701                        文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.034
　　0 引言
　　航运一直都是人类大规模运输的首选，它很大程度的促进着各国之间经济贸易的发展。但是船舶航行中排放的以氮氧化物为主的有害物质虽然含量在排气总量中十分微小但是却可以给大气环境以及人的身体造成十分大的影响。随着近年来人们对环境保护的愈加重视，各界都推出了各项限制排放的标准，例如：国内近年来针对汽车排放的国六标准，以及对船舶氮氧化物排放的限制的MARPOL公约Tier III的施行。各界都在寻找好的减排方式，航运界也一直在探索可行的船舶氮氧化物减排措施[1-2]，以适应愈发严格的法规，维持航运的繁荣稳定。SCR催化系统作为解决这一问题最为经济有效的方案之一，自然备受人们重视。在SCR系统中，SCR催化剂的结构参数，以及结构布置形式等是影响该系统性能的关键，所以对SCR催化系统进行结构尺寸的优化是非常重要的且有实际前景的。本文根据前辈对6105AZLD柴油机尾气排放含量的分析[3]，得到在柴油机负荷为85%的工况下，排气流量等相关参数，后借助BOOST软件，建立SCR催化仿真模型，可以十分经济有效地对催化剂各结构尺寸参数进行分析，得出不同参数对系统性能指标的影响，进而对影响SCR系统的各项参数进行优化，最终得到满足指标的催化剂性能结构指标。
　　1 柴油机SCR催化剂尺寸初步设计
　　1.1 SCR系统工作原理
　　SCR系统工作原理如下图1所示。尿素溶液分解为NH3与发动机排气中的NOx在催化剂反应装置中发生反应，将排气中的NOx还原为N2，以减少发动机排放尾气对环境的污染。
　　图1 SCR 系统工作原理
　　1.1.1 氨气的生成
　　由于尿素溶液对比液氮和氨水有更好的安全性能和存储性能，所以可以尿素溶液作为SCR系统的氨气来源。而下文仅涉及仿真所以仿真模型中假设尿素全部分解成氨气。
　　1.1.2 NOx的催化还原
　　尿素分解生成的氨气进入催化反应器后为还原剂与催化剂发生吸附反应（1），而催化剂表面的氨气发生解吸附反应（2）。ME·NH3（s）表示吸附的NH3。
　　废气中的NOx与催化剂表面的氨气发生反应，生成N2和H2O。
　　反应（3）为主要的SCR反应，即标准SCR反应。该反应在300～400℃反应较快，在温度低于250℃反应速度较慢NOx转换率较低。式（4）为快速SCR反应，NO2和NO摩尔比为1：1时NOx转化率最高。式（5）为慢速SCR反应，反应速度较慢，影响较小可以忽略该反应[4]。
　　SCR系统中还有与SO2 等硫化物的反应，但船用SCR系统主要作用为降低排气中的NOx的排放，且船用柴油机含硫量较低所以本文暂不考虑相关的反应。
　　此外还应该重视氨气在催化剂表面发生的氧化反应（6）。
　　1.2 SCR系统技术指标
　　1.2.1 脱硝率
　　船用SCR系统主要作用为降低排气中的NOx的排放量，所以脱硝率是该催化剂的最重要的指标，脱硝率计算公式：
　　式中，DeNOx为脱硝率;CNOx（in）为催化剂入口处NOx的浓度;
　　CNOx（out）为催化剂出口处NOx的浓度。
　　1.2.2 氨逃逸率
　　氨逃逸率主要指催化剂出口处的NH3浓度，为SCR系统的重要指标之一。由于排气流速过快或者排气中氨气的不均匀分布（氨气局部过量）导致的系统反应不充分，从而导致氨逃逸率上升，逃逸的氨气会对环境造成污染。本文限制在20ppm以内。
　　1.2.3 SO2/SO3转化率
　　由于船用发动机燃油的含硫量较低，该指标比较宽松。
　　下图为柴油机SCR催化剂技术指标 见表1。
　　表1 目标柴油及SCR催化剂技术指标
　　1.3 SCR催化劑尺寸的初步设计
　　1）根据柴油机排气温度、有毒元素、排气流速，等确定催化剂的配方和节距。这两方面决定了催化剂的活性。
　　2）根据SCR催化反应的动力学方程和系统指标确定空速以确定催化剂最初体积。
　　式中，k为催化剂的体积活性常数，h-1; SV为空速，h-1;η为脱硝率，%;
　　γ为催化剂入口处的氨氮摩尔比;K为NOx在催化剂表面的吸附系数，kg/m2;
　　CNOX（in）为催化剂入口处的NOx的浓度，ppm;
　　Qflue为排气流量（m3/h），Vcat为催化剂体积（m3）。
　　其中排气流量为698m3/h;空速一般为12000h-1，取区间5000～24000h-1[5]。
　　3）根据体积可确定催化剂的截面积和长度。
　　催化剂的截面积A，就可以通过催化剂的体积与排气流量的比值来确定： 　　流速一般为5～8m/s。
　　4）综合上述，以及船用催化剂的实际布局确定初步的催化剂结构和布置形式。
　　根据催化剂的强度要求，一般催化剂长度不超过1500mm;同时标准蜂窝状催化剂单元块截面积为150mm×150mm= 22500mm2，常见的布置形式有1+1、1+2、2+2、3+1等，可以根据上述系统指标以及船舶环境条件来确定布置形式。
　　经计算分析得到具体的SCR初步设计参数，如表2。
　　2 柴油机SCR催化剂建模
　　2.1 基于AVL BOOST的催化剂模型
　　2.1.1 AVL BOOST软件概述
　　AVL BOOST软件主要用于AVL BOOST软件主要用于车用及船用发动机的整机或局部建模，预测分析发动机的相关性能及设计发动机结构[6-7]。
　　2.1.2 SCR催化剂反应过程
　　根据1.1该反应只考虑标准SCR反应（3）、快速SCR反应（4）、氨气的氧化反应（6），以及氨气吸附反应（1）与解吸附反应（2）。
　　2.2 SCR 催化剂建模
　　2.2.1 模型假设
　　a.柴油机排气中仅含有NOx、CO2、H2O、O2和N2，且因为NOx中NO2含量较少仿真认为全部为NO;
　　b.混合气做一维稳定运动;NOx;
　　c.催化剂内部绝热，忽略催化剂外壁和环境的热交换;
　　d.催化剂表面的SCR反应，模型只考虑上述1.1节5个反应内容，忽略其他反应;
　　e.考虑氨气的泄露，NH3/NOx摩尔比设置为9：10。
　　2.2.2 边界条件和参数设置
　　（1）边界条件
　　基于AVL BOOST建立如图2所示的SCR催化剂模型：
　　a.在ATB1进口处各气体组分浓度见表3。
　　气体入口温度选用440℃。
　　b.在模型中间催化剂部分，主要设置催化剂的体积、长度、孔密度、温度、壁厚、导热系数、密度、比热以及化学反应等条件设置，其中催化剂的结构参数为本文调整的内容，而其他参数例如比热、导热系数等采用系统的默认值。
　　c.反应出口ATB2选用压力出口，压力值为1bar。
　　（2）初始条件
　　本文中的催化剂模型的排气条件是柴油机稳定在85%负荷时的条件，所以这是一个稳态SCR反应，认为排气参数不随时间变化，所以入口边界条件就是初始条件[8]。
　　3 催化剂体积的详细设计
　　催化剂参数的主要影响因素为孔密度、长度、横截面积，并且影响效果长度>横截面积>孔密度[9-10]。
　　首先运用仿真模型对不同长度进行仿真分析，根据初步设计中的体积范围，与截面布置形式，确定长度范围为0.6m～ 2.6m。而船用SCR催化剂大多为25×25、30×30、35×35、40×40、47×47、50×50，暂时选用孔密度为30×30 （CPSI为26.3）。仿真结果见图3。
　　由图3可以得到随催化剂长度的增加，脱硝率不断呈上升的趋势，同时氨逃逸率下降，在长度大于1.6m时催化剂脱硝率基本达到指标要求，但氨逃逸率在只改变长度的情况下未能得到符合指标的参数，并且长度在0.6～1.6m范围内变化对脱硝率影响较大，再增加长度脱硝率虽仍缓慢增加但是变化较小，而长度过长会影响催化剂的强度性能。于是可以将长度定为1.6m（此时体积为0.072m3），通过改变孔密度来进一步降低氨逃逸率，同时分析孔密度对性能参数的影响。仿真结果见图4。
　　对图4分析可知，增大孔密度会对脱硝率与氨逃逸率都有较好的性能影响，特别在常用的孔密度范围内固定长度为1.6m，孔密度为50×50时，该催化剂已经有了满足两项指标的性能要求，但是考虑到孔密度大于40×40之后壁厚过小，因排气的腐蚀作用会严重影响该催化剂的机械寿命，所以将催化剂孔密度定为35×35，综合长度为1.6m，此时SCR系统性能脱硝率为84%，氨逃逸率为79ppm。氨逃逸率依旧没有满足要求，后面继续通过改变催化剂的壁厚、布置形式、氨氮比、布置层数来进一步减小氨逃逸率。
　　因为壁厚、布置形式、布置层数、以及氨氮比四个参数可调范围较小，并且四个因素对催化剂的催化转换性能的影响较小，特别布置形式改变由1×2变为2×2时催化剂长度减半但是对系统的性能几乎没有影响，仿真结果见图5，这是因为在孔密度与壁厚不变的情况下催化剂体积和比表面积不变，所以对性能影响很小。可以把布置形式改为用以增加催化剂强度。
　　现根据表4中因素水平，根据表5的正交设计仿真方案进行分析。仿真结果见图6。
　　对图6分析可知，增加催化剂的布置层数可以很好的减少氨逃逸率;壁厚的减少可导致脱硝率的增加，氨逃逸率的减少;在0.8到0.9的范围内减少氨氮比可使氨逃逸率下降，但同时会导致脱硝率的下降。综合考虑可得在Case B的情况下氨逃逸率与脱硝率可以很好地满足指标，并且壁厚较大具有较好的机械强度，所以最终确定优化布置层数为2层、壁厚为0.6mm、氨氮比为0.85。
　　4 结论
　　（1）增加催化剂长度以及改变孔密度可以使得SCR系统的脱硝率上升并满足要求;氨逃逸率虽有大幅度下降，却依旧无法满足指标要求。
　　（2）改变氨氮比、壁厚、以及布置层数可以继续降低该系统的氨逃逸率，但总体上与（1）中的两个参数的改变相比影响较小，且可调动范围小，所以在范围内选用几个特定值进行正交分析得到符合性能要求的结构参数;改变催化剂截面积的布置形式对该系统的影响可以忽略，可用来减少长度，提高催化剂强度。
　　（3）综上在兼顾催化剂有较高的强度下，优化催化剂结构参数为体积0.072m3、长度0.8m、孔密度35×35、氨氮比0.85、壁厚0.6mm、布置形式2×2、布置层数2层时，脱硝率为83%、氨逃逸率为12ppm，此时该SCR系统有满足性能指标的催化转换性能。
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