船用低速柴油机SCR系统全过程数值模拟及试验验证

发布时间：2020-10-22 18:25

　　 为了减少船舶尾气中大气污染物NO_X的排放,满足IMO第三阶段的NO_X排放要求,应用SCR技术降低船舶柴油机NO_X排放已成为船舶防污染的重要手段之一。国外对于船用SCR系统的研究已有几十年的历史,技术已趋成熟,而国内对于船用SCR技术研究,尤其是仿真研究才刚刚起步。本文以6S35ME船用低速二冲程柴油机SCR系统为研究对象,对E3循环工况下SCR系统的全过程运行状态进行数值模拟,结合台架试验数据验证了仿真结果的准确性,通过分析优化仿真结果,为新机型的SCR混合管路提供了设计思路。本文的主要研究内容为:(1)针对船用SCR系统仿真中尿素热解水解与SCR反应时间尺度不同的问题,在模拟中提出了三维一维耦合仿真的数值模拟方法,该方法既能保证仿真结果的延续性,又能使SCR系统中混合管路与反应器的仿真相对独立,并减少了大量数值模拟过程中的重复计算,缩短了SCR系统设计和开发的周期。(2)在6S35ME船用低速二冲程柴油机SCR系统试验验证阶段制定了喷雾测试试验、催化剂小样试验和E3循环工况下台架试验的试验方法,通过试验数据与仿真结果的对比,分别从部件到总体验证了三维与一维SCR仿真模型的可靠性,其中SCR系统关键参数的仿真误差在5%以内。(3)在SCR系统催化剂表面化学反应模型优化阶段,建立了一维模型参数优化体系,通过Design of Explorer软件中的遗传算法,基于催化剂小样试验结果对化学反应动力学参数进行标定,以优化值代替了软件中集成的经验值,使一维SCR数值模拟更贴近实际反应过程;针对反应器截面前氨浓度分布不均匀的问题,通过SCR系统优化分析方法,总结了三种可能造成SCR系统反应器前氨均匀度过低的原因。以SCR系统反应器前氨均匀度水平为评价标准对混合管路结构进行综合优化,经优化后均匀度指数提升至0.89,优化中的分析方法和优化结果可为SCR新机型的设计与研发提供理论指导。
【学位单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U664.121.1
【部分图文】：

其中 SO2、NOX及 PM2.5的排放贡献率分别占到了 12.4保护署发布的 2016 年数据表明：船舶尾气中 SO2、NOX和排放量的 49%、37%和 44%[3]；2016 年广州港硫氧化物和氮贡献率分别占总排放的 14.0%和 16.5%，另外据刘静等人研市区环境空气中 SO2、NOX浓度贡献率分别为 8.0%和 12.9%起的大气污染形势已经日益严峻，各国政府及国际海事组织气污染物排放标准和相关政策，开展船舶气态污染物排放控在眉睫。内外船舶排放法规与政策自 20 世纪 90 年代以来已陆续开展了船舶气态污染物排放织（IMO）先后批准了 4 个排放控制区（ECA），分别为：波控制区、北美排放控制区和美国加勒比海排放控制区，见下图国家也极有可能通过国内立法来规定船舶在该国海域的排放

图 1.2 MARPOL 附则 VI 的 NOX排放限值曲线 IMO 规定：自 2016 年 1 月 1 日起，当船舶在指定的排放控制区（ECA）内符合氮氧化物 TierIII 排放标准。此外，欧洲各国也在建立新的排放控制区域域等，随着船舶排放控制区范围的不断扩大，将会有越来越多的船舶在航行的减排法规。一步加强我国船舶港口污染防治，国家相关部委从控制相关区域内船舶大气着手，制定并实施了一系列相关政策：2013 年 9 月 12 日国务院颁布了《大动计划》，该计划重点关注了京津冀、长三角和珠三角地区的大气污染防治行8 月交通部发布了《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020 年）0 年，珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶硫氧化物、氮氧化物、颗年相比分别下降 65%、20%、30%，为加快推进船舶大气污染物排放控制区5 年年 12 月 4 日发布了《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放案》，方案中明确要求：2017 年 1 月 1 日起，靠泊排放控制区内 11 个核心港改用含硫量不高于 0.5%的燃料，所有港口自 2018 年 1 月 1 日起开始执行泊

图 1.3 珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区示意图2016 发布的我国首部关于船舶柴油机排放控制的国家标准《船舶发动机排气污染物排放限制及测量方法（中国第一、二阶段）》，该标准规定了船舶压燃式发动机排放污染物排放限制及测量方法，适用于内河船、沿海船、渔业船等的型式检验，对船舶 NOX、SOX、PM、HC、CO 等多种污染物的排放水平做出了明确限制：船机排气污染物第一、二阶段排放限值，如表 1.1、1.2 所示。表 1.1 第一阶段排放限值（2017.01.01）船机类型 单缸排量（L/Cylinder）额定净功率（P）（kW）CO（g/kW·h）HC+NOX（g/kW·h）PM（g/kW·h）第一类 SV＜0.9 P≥37 5.0 7.5 0.400.9≤SV＜1.2 5.0 7.2 0.301.2≤SV＜5 5.0 7.2 0.20
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本文编号：2851953