柴油机SCR系统尿素雾化与催化反应的模拟研究

发布时间：2020-03-26 06:11

【摘要】：柴油机尾气中NO_x的排放会严重污染大气环境,随着排放法规的加严,尿素SCR技术已经成为控制柴油机尾气NO_x排放最有效的方式之一。但在实际工程应用中,尿素水溶液雾化质量差会造成NH_3分布不均匀和沉积物的生成,严重影响SCR系统的性能。改善尿素水溶液的雾化质量,提高NO_x转化效率一直是研究人员的关注热点。本文基于文献中的试验数据建立并验证了SCR催化反应动力学模型和三维流动模型,并实现了二者的耦合。基于耦合模型,通过研究喷嘴安装角度、尿素喷射角度及雾化锥角对尿素雾化过程的影响规律,对喷嘴结构参数进行了优化。结果表明,喷嘴安装角度为45°,尿素喷射角度为40°,雾化锥角为40°时可以保证较好的催化器入口截面NH_3分布均匀性及较低的壁膜生成量,即在该喷嘴结构参数条件下,尿素水溶液雾化质量较好。基于优化后的喷嘴结构,研究了空速、排气温度及氨氮比对SCR系统性能的影响。结果表明,空速对催化器入口截面NH_3分布均匀性影响不显著,但由于排气流量增大,NH_3浓度显著降低;同时气流拖曳速度和换热速率的加快使壁膜蒸发量、壁膜剩余量及壁膜总生成量均减少;且由于SCR催化器内NH_3浓度和反应时间随空速的增大而降低,NO_x转化率与N_2O生成量均逐渐减少。随着排气温度升高,催化器入口截面NH_3浓度和均匀性指数均升高,相应的壁膜总生成量逐渐降低,其中壁膜剩余量、壁膜蒸发量与壁膜总生成量的变化趋势相同;排气温度超过350℃时,由于NH_3氧化反应的竞争作用,NO_x转化率开始降低,NH_4NO_3生成量随排气温度的升高逐渐减少,进而N_2O生成量也逐渐降低。氨氮比越大,单位时间内蒸发热解的尿素越多,NH_3浓度越高,NO_x转化率和N_2O生成量逐渐升高;同时单位时间内未转化为NH_3的尿素水溶液也越多,因此壁膜剩余质量逐渐增多,且增加速率越来越快。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK421

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本文编号：2601067