船用柴油机SCR反应器数值模拟与结构优化

发布时间：2017-04-23 22:14

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【摘要】：MARPOL公约附则VI对船舶柴油机NOx排放限制日益严格。SCR处理技术因其不改变柴油机本体结构、脱硝效率高、经济性好、适用温度范围广，成为船用柴油机极具前景的NOx排放处理方法之一。 本文利用BOOST和FIRE仿真软件，，针对某船用柴油机SCR系统建立了仿真模型，并开展了仿真分析，包括：SCR反应器的结构设计优化、各工况下的性能分析以及整机匹配性能分析等。 首先，通过台架实验测得该柴油机在E3和D2模式下各工况点的排气参数，并以额定工况排气参数确定SCR反应器的基本参数。通过BOOST软件，建立一维SCR反应器模型，仿真分析不同反应条件和结构尺寸对反应器性能的影响。然后，通过响应面优化分析方法，对SCR反应器进行结构参数优化，优化结果为：反应器的横截面积为0.069m2，长度0.974m、载体孔密度140/in2、载体壁厚0.15mm、涂层厚度0.01mm。 其次，利用FIRE软件，建立SCR反应器三维模型。通过对反应器扩张管内部三维流场分析可得：扩张管锥角为90o时，反应器内催化剂载体的NH3分布面积达到最大，并且反应器压降最低。在90o扩张管锥角下，建立不同工况下的SCR反应器模型仿真分析可得：在低负荷工况下，由于排气温度、排气流量较低，催化剂活性受到影响，相比中高负荷，SCR反应速率下降，NOx转化效率降低，NH3滑移量随之升高。 最后，通过BOOST软件建立了带有SCR反应器的整机模型，仿真分析了SCR反应器对柴油机动力性和经济性的影响。结果表明，经结构优化后的SCR反应器，在各工况点下对柴油机功率的降低和油耗率的增加幅度均在原机功率和油耗率的5%以内，这说明设计的SCR反应器各项参数基本满足该柴油机的匹配要求。
【关键词】：船用柴油机 SCR反应器 数值模拟 结构优化
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U664.121
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 主要符号表11-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 选题背景及研究意义12-13
• 1.2 发动机 NO_x排放控制技术13-15
• 1.2.1 机内净化技术13-14
• 1.2.2 机外净化技术14-15
• 1.3 SCR 技术国内外研究现状15-17
• 1.3.1 SCR 技术国外研究现状15-16
• 1.3.2 SCR 技术国内研究现状16-17
• 1.3.3 研究现状分析17
• 1.4 本文主要研究内容17-19
• 第2章 SCR 系统数学模型及数值计算方法19-30
• 2.1 SCR 系统的组成及原理19-20
• 2.1.1 SCR 系统的组成19
• 2.1.2 SCR 系统工作原理19-20
• 2.2 数学模型20-22
• 2.2.1 基本控制方程20-21
• 2.2.2 湍流模型21-22
• 2.3 催化器相关模型22-25
• 2.3.1 催化剂表面化学反应模型22-24
• 2.3.2 催化器多孔介质模型24
• 2.3.3 传热传质系数的计算24
• 2.3.4 压降模型24-25
• 2.4 尿素喷雾模型及液滴的蒸发模型25-28
• 2.4.1 液滴的连续性方程25-26
• 2.4.2 液滴蒸发模型26-27
• 2.4.3 湍流扩散模型27-28
• 2.5 数值计算方法28-29
• 2.5.1 松弛因子28
• 2.5.2 SIMPLE 算法28-29
• 2.6 小结29-30
• 第3章 催化剂的选型及结构参数优化30-51
• 3.1 船用 SCR 系统催化剂的技术要求30-31
• 3.2 催化剂成分的选择31-32
• 3.3 催化剂尺寸的初步确定32-36
• 3.3.1 催化剂载体基本尺寸32-33
• 3.3.2 催化剂载体尺寸的初步设计33-36
• 3.4 催化剂性能分析36-44
• 3.4.1 催化剂性能评价指标36
• 3.4.2 SCR 反应器一维模型的建立36-37
• 3.4.3 反应条件对催化剂性能影响分析37-40
• 3.4.4 结构尺寸对催化剂性能影响分析40-44
• 3.5 催化剂结构参数优化44-45
• 3.5.1 响应面法分析44
• 3.5.2 仿真试验水平设计44
• 3.5.3 仿真试验数据表设计及结果44-45
• 3.6 响应面分析45-50
• 3.6.1 回归模型与方差分析45-47
• 3.6.2 回归模型准确性验证47
• 3.6.3 等高线分析47-48
• 3.6.4 结构参数优化48-49
• 3.6.5 SCR 反应器结构尺寸的确定49-50
• 3.7 小结50-51
• 第4章 SCR 反应器的三维数值模拟51-65
• 4.1 计算流体力学概述51
• 4.2 FIRE 简介51
• 4.3 SCR 反应器三维模型的建立51-53
• 4.3.1 计算模型51-52
• 4.3.2 边界条件52-53
• 4.4 SCR 反应条件的确定53-55
• 4.4.1 尿素理论需求量计算53-54
• 4.4.2 反应时间尺度的确定54-55
• 4.5 尿素喷射参数的确定55
• 4.6 SCR 反应器扩张管锥角的影响分析55-59
• 4.6.1 进气流速分析55-56
• 4.6.2 浓度场的分析56-58
• 4.6.3 NO_x转化率和 SCR 反应器压降及流体均匀性分析58-59
• 4.7 不同试验循环下 SCR 反应器性能分析59-64
• 4.7.1 压力场的分析59-60
• 4.7.2 速度场分析60-61
• 4.7.3 NH_3和 NO 的反应速率分析61-63
• 4.7.4 NO_x转化率分析63-64
• 4.8 小结64-65
• 第5章 SCR 反应器整机匹配性能分析65-72
• 5.1 柴油机整机模型建立65-67
• 5.1.1 数学模型65-66
• 5.1.2 模型验证66-67
• 5.2 带有 SCR 反应器的整机模型建立67-68
• 5.2.1 模型的基本假设67
• 5.2.2 边界条件的选取67
• 5.2.3 带 SCR 反应器的柴油机模型建立67-68
• 5.3 不同试验循环下压降分析68-69
• 5.3.1 E3 试验循环68
• 5.3.2 D2 试验循环68-69
• 5.4 不同试验循环下整机性能分析69-71
• 5.4.1 E3 试验循环69-70
• 5.4.2 D2 试验循环70-71
• 5.5 小结71-72
• 第6章 结论与展望72-74
• 6.1 全文总结72-73
• 6.2 工作展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-78
• 在学期间发表的学术论文78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 李庆;黄先腾;彭日亮;;燃煤发电厂SCR烟气脱硝系统的设计选型[J];华北电力技术;2008年06期

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5 佟德辉;李国祥;陶建忠;孙少军;;氨基SCR催化反应的数值模拟及分析[J];内燃机学报;2008年04期

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本文编号：323120