船用柴油机SCR尿素喷射蒸发热解仿真模拟研究.docx

目前，国内外关于火电厂及车用柴油机的SCR技术研究比较深入，对SCR系统流场研究与优化主要通过数值模拟方式进行。本文使用计算:流体力学(Coniputationa1.HuidDyiiainic.CFD)软件HUen3以船用柴油机SCR系统中的尿素喷射系统为研究对象，建立相应数值模型，比较r不同喷射条件对尿素喷雾的性能影响，同时对整个尿素溶液生成妖气的过程进行仿真分析。模型和方法1、模型一:维模型及计算网格如图1所示。对雾化区域进行简单建模，本文简化为第化区域为圆柱管内,建立如图I模型：图1尿素雾化结构模型2、尿素分解反应排气管中，氨气的生成反应主要是分三步实现的：A.尿素水溶液蒸发析出尿素颗粒：反应方程式为：Co(NH2)2=Co(NH2)2(三)B.尿素热解生成等物质的量的欲气和异料酸；反应方程式为：Co(NH2)2(三)=NH3+HCN0C.异景酸进步水解生成等物J贞的量的氨气和二氧化碳反应方程式为：HCNO+H2O=NH3+CO2反应过程A、B均为吸热过程：反应过程C为放热过程。由于雾化区域温度较高，因此蒸发过程较为迅速。3、初始条件针对某低速柴油机排气条件,利用计算公式进行换算整理如下表：表I排气性质利用以上数据时模型的进气条件进行设定，即对连续相的气相流动进行初始设定。假设反应利用尿素溶液初始条件如下:表2尿素溶液质量分数(%)40温度CO60密度(kgB,)1.087103比热(kJkRk)1363.65溶液粘度(kgas)0.00019127导热系数(wk)0.12565假定转化效率为75%,且氨气的溢出量小于IOppm,利用计.算尿素溶液消耗量的公式得出需要的40%尿素溶液为1.1.4.05kgk如下表所示：表3喷射形式映眩嘴暇射四咬事或射收力纯液嗔射0.00792k5空气”明嘤射0.031.7kg/»根据喷射量以及喷嘴厂家提供的喷嘴数据及经验公式,选用压力喷射选用喷嘴内径D=1.5mm的喷嘴，液态压力选用p=30bar进行计算：对于空气辅助喷射时选用D=1.5mm的喷嘴，辅助空气为常用空气压力P=6bar.计算软件说明：计算所用软件为Ansys公司流体软件F1.uCnt,版本号2019R3。计算过程及结果1、计算模型对内部流动，当雷诺数大于2300即作为湍流模型来考虑，本计算:选用rca1.izab1.ck-模型，该模型采用新的湍流强度公式满足雷诺应力的约束条件，可以精豳的模拟平面和圆形射流的扩散速度，较其他湍流模型相比更加符合真实情况使计算精度提高。喷射系统采用纯液态压力喷射或空气辅助喷射形式.尿素水溶液喷射过程模拟采用离散液滴模型(DPM,DiwrcicPhascModd),该模型采用拉格朗F1.-欧拉方法来求解整个喷射过程。用拉格朗日方式跟踪离散液滴的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传侦过程的组常微分方程：气相流体为连续介侦，采用欧拉方法求解气相流动偏微分方程，液相对气相的干扰以附加源项的形式出现在描述气相的偏微分方程中。通过迭代方法交替求解气液两相方程，可以得到喷射过程中每一时间段各组分浓度及其他参数。在建模中假设如下：(1)忽略液相初次雾化过程，并认为尿素水溶液一离开喷嘴就成为离故的微小液滴。(2)每粒液滴都由一组具有相同性质的更小液滴组成，这组小液滴与其具有相同的直径、温度及运动性质。因此连续分布的液滴直径用有限个名义液滴来进行代表。(3)液滴与气相之间通过相对运动、传热传质以及蒸发来实现动M、能量和质量交换，液滴对气相流动作用等价分布在流体网格雎元。(4)忽略液滴间的相互作用尿素溶液生成经气过程是热解水解过程设定为有限化学反应速率模型.排气管路较高的温度使尿素混合溶液蒸发出的固态或液体的尿素达到熔点，开始热解生产氨气和异鞘1酸，而异粗酸不桎定，在一定条件卜遇水蒸气进行水解反应生成氨气和二料化碳。2、计算结果(I)压力喷射条件下计算结果a)尿素溶液物质的量浓度空间分布Arra*igtH(1.=“十Heiefr4cUonanb)氨气物班的量浓度空间分布C)出口处氨气物班的最图2压力喷射尿素分解压力喷射工况卜.，武气生成率为95%,但仍然有少量未转化的尿素溶液以及中间产物异电酸产生。出口均匀度为82%,尿素溶液分解较快，在1.=25m处可安装混合装置，未分解完全的尿素溶液将会碰到混合装近壁面形成液膜对系统的转化效率及工作性能不利，而本计算条件下可以发现仅有少量的尿素溶液颗粒物产生，说明当前喷射性能较好。(2)空气辅助喷射条件下计算结果(*epw0fM>ti*MW*t*32(T»wiWbMa)尿素溶液物质的量浓度空间分布AreaUeiqhted食VerageH1.eFrdctionOfnh3out.eor>DHO38CMMV1.ttMMMr3m1MM>Mb)犯气物质的量浓度空间分布<2<n3*9337X035¼O33MO310Mn2e-O32482O-OT221e1114Q1”68ISSe-OJ133031nn8S-O4664434O-W221eMOXXteXWC)出口处获气物质的最图3空气辅助喷射尿素分解可以发现空气辅助喷射模式卜.，尿索颗粒雾化程度较好且速度也较为合适,氨气能够顺利转化90%以上J1.均匀性也较好。股来说，尿素溶液颗粒在喷啸出口颗粒径较小,因此热解过程较为迅速.（3）喷射压力对压力喷射性能影响结果对于喷射量m=H4.05kgh及喷嘴内径D=1.5mm保持不变，分别选用P1.=20bar.P2=30bar,P3=40bar作为尿素溶液的喷射压力，分别研究尿素溶液生成第气物质的量的影响.C«MMa）尿素溶液物质的量浓度空间分布b）氨气物质的量浓度空间分布C）出口处窈气物历的fit图4压力喷射p=20bar尿素分解a)尿素溶液物质的量浓度空间分布b)氨气物质的殖浓度空间分布31703301-032W-O327O-O324a230en2224O320te<031>-O3127eO3II1.m9G3793eO4634e-0447eXM317-O44e-O4Q0(*00Area-WeightedAverageHo1.efractionofnh3out6.0009222602c),'1.D处氨气物版的量图5压力喷射p=3()bar尿索分解a）尿素溶液物质的量浓度空间分布二三三2三三三三b）氨气物质的量浓度空间分布4M4M*Cfk3(TE1.an>00)C）出口处灰气物质的量图6压力喷射p=40bar尿素分解比较分析尿素.溶液在1.=2,5m剩余的颗粒物物质的量浓度后得到曲线如图7所示.压力对尿素转化影响Ooooo8642(Edd)«名案S联*ESZ2203040喷射压力P(bar)图7喷射压力对尿素转化的影响当压力p=2（）bar时，喷射出的尿素溶液颗粒度较大，转化效率较慢，因此在1.=2.5n时有大拉尿素颗粒没有热解生成异粗酸，而当喷射压力p=40bar时，尿素颗粒虽然雾化效果提富，但是同时喷射速度太快贯穿距太大，因而尿素溶液没有来得及反应就已经到达1.=2,5m处。综合对比可以发现，在喷射压力为30bar时可以得到较好的喷射性能。(Edd)躯齿要磐F尿口明图8压力对翅气生成的影响图8表示当压力为3Obar喷射尿素生成型气物质的量最多,转化率达到95%,满足喷射尿素的转化要求：而压力为2Obar生成的氨气量较少.方面可能是由丁压力小导致尿崇溶液在壁面形成液膜，另一种可能是喷射出的尿素量较少；压力p=40bur喷射情况下，假设未转化的尿素在接下来过程转化成妖气那么转化率就达到了90%以上，得出压力过大导致尿素溶液没有来得及分解生成级气。(4)喷射员对压力喷射性能影响结果对于喷射压力P=3()bar不变，选用四喷嘴喷射且喷嘴内径D=ISnm保持不变，分别选用量m1.=1.60Q0kg小，m2=H4.O5kgh.P3=80kgh来作为尿素溶液的喷射流量，分别研究尿素溶液生成氮气的物质量的影响。a)尿素溶液浓度空间分布-岳三二三三三三三I1.Area-WeightedAverageNo1.PFractionOfnh3out0.f100>15OO12CMM*M.32，aaMb）犯气浓段空间分布6X238*045O4534<O4502rO44714>443Q<M08<M>n04340O43VU042B2<M25U4220X>416X>4157<M120<M942*8628253VU3o*ooC）出口处羽气物质的量图9喷射流量m=1.60.kgha），尿素溶/浓连年间分布b）匏气浓度空间分布C）出I处狐气物质的故图IO喷射流鼓m=I1.4.00kgha）尿素溶液浓度空间分布b）磔气浓度空间分布C）出口处数气物质的量图I1.喷射潦量m=114.00kg)出口处氨气生成转化率曲线喷入尿案溶液质量(kgh)图12出口处氨气转化效率图12说明对于压力喷射过程，喷射量对尿素转化效率影响很大。当喷射量从80kgh逐渐增加时，出口处城气生成转化效率逐渐增加，说明尿素喷射时颗粒度较小，尿索分解转化较为迅速。但是压力喷射对于喷射取有极限效应，因此在当尿素溶液上升一定浓度后会导致喷嘴不足以喷射这么大的喷射量，因此造成氨气生成效率急剧下降。因此在选定喷射压力情况下，喷射量会较大程度影响压力喷射性能。结论本文模拟SCR系统中尿素热解水解反应生成财气的过程，通过利用仿真计算软件关于喷射条件对喷射性能的影响分析，得到以下结论：I、适当条件下的压力喷射以及空气辅助喷射均能达到设计的技术要求：2,压力喷射对于喷射的条件较为敏感，当喷嘴内径选定且喷射量不变时，改变喷射的压力会较大程度影响喷射性能：3、选用压力喷射时，喷射压力需要与喷射量相匹配才能达到较好的喷射性能。阳大型册用柴油机高压SCR系统研究随着人们环保意识的日益增强，船用柴油机作为一个重要的污染源己经引起高度重视。根据国际海洋环境保护委员会(MEPC)2008年正式通过的MARPO1.公约附则V1.的修正案的要求，船用柴油机NOX排放须逐步降低，各阶段限值如图1所示。201617TierI14.4Ticr1.1.144r1.1.O1.-200820123ITicrII1.NFCA,jPC66决g,Tr11I生效中问2016年20202024图INOx排放限值2016年起，行驶在排放控制区域内的船舶的Nox、SoX和颗粒物排放受到严格限制。排放控制区具体如图2所示。$、><Mvm(>¼*K<mqCMm)-(J-MrtrtMfOnntfMtMe<M0myodMMtof%*terMM图2排放控制区目前，降低大型船用柴油机NOx排放的主要方法之一是SCR(选择性催化还原)法，这也是目前应对IMO排放法规的切实仃效的技术。该技术采用NH3作为还原剂，利用NH3对NOx的选择性催化还原，优先招NOx还原成N2和H20,此技术具有转化效率高，成熟可靠，对柴油机性能影响小，对柴油机零部件及船体改造要求小等特点。一、SCR国内外研究现状I、国外SCR技术研究现状美国Engchard公司首先发现SCR技术原理并于1957年申请了专利。MDT作为全球船舶柴油机两大专利商之，于1989年首次在其6S50MC船用二冲程柴油机上使用rSCR技术，将NOx排放降至约2(gkw-1.h-1.),并进行了实船试验。MDT经过近30年的研究与改进，通过匹配增压器、鼓风机，调整正时等技术，优化了SCR技术中对柴油机性能有影响的因素，使其SCR技术完全满足TierIn的排放法规要求.2011年MDT的首条满足Tia川法规的实船在日本进行了试航。WinGD作为世界上另一船用柴油机专利商，从1970年起就开始研究SCR技术。目前的技术特征主要是：以V?Os/TiO2为催化剂，尿素水溶液为还原剂;SCR系统的NOx转化率达到85%左右,同时CO和HC可降低70%.2、国内SCR技术研究现状相对丁国外的SCR技术，国内的SCR技术尚处起步阶段.有科研院所从2010年开始着手研究SCR技术。重机与三井于2014年联合研发了国内首套低速柴油机增压器前SCR系统，匹配的生机为5RT-f1.ex58T-D,最大持续功率100OOkWQ2015年，两公司再次以6S50ME-C8.2主机为载体，进行了增压器前、后SCR系统试脸，取得了一系列成果及核心技术，为SCR技术商品化打下了坚实的基础。二、大型船用柴油机SCR技术研究1、SCR原理SCR的原理是:还原剂在SCR催化剂的作用下，选择性地与排气中NoX反应，生成无害的N2和H2。如图3所示。质Ift分数为40%的尿点溶液图3SCR原理柴油机废气进入排气集管和SCR催化器中，尿素水溶液在喷射后转化为诋气，再与废气中的NoX发生还原反应。具体反应过程如下：过稗一：尿率溶液转化为氯气CO(XH,)2H.0NH,*C0.过程二：氨气，雷欲化物发生气化还反反应NOjNH,+0.N2H.02、SCR技术方案大型船用柒油机及船体结构及杂，改动成本较大。目前针对大型船用柴油机设计的SCR技术方案主要有两种，如图4所示。柒油机SCRTCm炉MM(I)端球器前SCR系统(PrBUfbiXSeR)JKHW-柴油机TCSeR锅炉弱囱(2)IRIKaGSCRJfitt(PosnurbincSCR)图4SCR系统的两种方案一种是增压器前SCR系统(Pre-IUrbineSCR),标称为高压SCR系统；另种是增压罂后SCR系统(PoSttUrbineSCR),简称为低压SCR系统。3、(Sj压SCR系统高压SCR系统布冏如图5所示。图5高压SCR系统其采用反应温度高于300°C的催化剂。高温催化剂抗硫中毒性能强，对燃料含硫量不敏感。该系统可用于使用重油燃料的主机。4.低压SCR系统低压SCR系统反应器安装在涡轮增压器后，如图6所示。图6低压SCR系统其采用反应温度低于300C的催化剂，相对于高原SCR系统，反应温度低T300C的催化剂容易发生硫中毒.但低压SCR系统布巴灵活，柴油机可以维持原设计不变，可以减少占用主机舱空间，具有空间优势。5、SCR系统技术指标SCR系统作为一种减排技术手段，其降低持放的能力是一个主要的考核指标。结合SCR的反应过程，其主要技术指标有以卜4个：(I)NOxWS此处的NOx排放员是指经过SCR系统后排气中的NOxfit.NOx排放量由有资质的第三方按MARPO1.73/78的相关规定进行测量，是衡量主机排放是否达到TiCrH1.排放标准的重要指标。(2)NoX转化率NOX转化率是指安装SCR系统的柴油机在指定工况下运行时，反应器进出口的NoX量的变化率。该指标要求的是在各工况卜的爆低NOx转化效率。(3)NH3泄漏量NH3泄漏量是评价SCR系统是否会产生二次污染的重要指标。(4)排气压力损失船用柴油机在安装SCR系统后会对主机的排气背压产生一定的影响，而排气背压直接影响柴油机的性能，因此排气压力损失是SCR系统性能的另个重要指标。针对最大持续功率为9960kW的6S50ME-C8.2柴油机，其SCR系统主要技术指标如表I所示。表1低速柴油机SCR系统技术指标SCR旁通.满足Ti<r1."O.排放/(gkWhf14.4SCR工作，满足TieriII、0,f1.t½(gkW,h,)(3.4ScR系统压力损失/MPa<0.007氨气泄漏限/X1.O-6<1尿素水溶液质量浓度40%适用燃料种类HF0、MG0、MD0、GAS.注：压力损失在MDT的允许葩惘以内三、高压SCR技术1、高压SCR系统工作模式图7高压SCR系统工作模式在非排放控制区域，SCR系统关闭，SCR旁通，排气直接进入涡轮增压器;当接近或进入排放控制区域时，SCR系统工作，排气经SCR反应器后，再进入涡轮增压器。2、高压SCR系统特点重机与三井联合开发的高压SCR系统具有以下特点：(1)催化剂优选及合理布置.该系统在催化剂选型过程中根据工况环境(温度、压力)和废气成分(水、硫含量、颗粒物、氨氮比)，选择理论上最适合的催化剂，设计最优的催化剂分布方式，并根据废气流Si确定催化剂体积和尺寸规格。在催化剂选定后，利用CFD流场分析对比多种导流装置设计方案，并根据流场分析结果优化设计方案，选用流场分布更均匀的导流器作为最终的催化剂布置方案，确保流场分布均匀度达到巩)以上，保证SCR系统具有最佳的催化作用。(2)反应器优化布巴反应器由于自身重力及受热存在热变形，采用AnSyS软件对布置方案进"相关仿真分析，根据仿真结果优化反应活的布置及支撑，使反应器应力分布均匀，减小催化剂床U的应变.(3)NOx减排效果明显催化剂的优选和合理布置以及反应器的优化布置在设计上为NOx减排效果提供了保障。仿真结果表明：使用该SCR系统后NOx排放下降至3.4(gkW-1.hT)以下.(4)SCR系统状态实时监测SCR系统的控制集成在主机控制系统中，称为SCR-CS,所开发的高压SCR系统设计/相应的SCR状态监测系统，用以监测伴热系统、吹灰系统、尿素喷射系统以及泄放系统的实时状态，确保整个SCR系统安全有序运行。(5)SCR系统安装便挽SCR系统独立柴油机系统之外.根据船体相关结构，通过仿也模拟确定SCR系统中整个管路以及支捽的设计，询保SCR系统与主机、船体系统顺利合拢，降低装配难度。四、高压SCR研究试验2015年,重机与三井的低速机业务群在完成所有基础研究之后,以6S50ME-C8.2主机为栽体，完成了增压器前、后SCR系统的功能试验、程态工况、变工况、辅助风机等相关性能试验研究，并对其喷射系统及控制系统进行了优化。试验主机及SCR系统的主要参数如表2所示。表2试验主机及SCR系统主要参数主机功率(转速)kW(rmin,)9960(127)废气流量/(kgh-')27OOO-85(MM)温度范围/七330450反应器尺寸/(mm×mm)28×6568废气管路)N7坡大尿素消耗成/(1.h,)200(质量分数40%)最大压缩空气消耗录/(NmU1.1.)4(0.8MPa)电力消耗kW泵堆元：1.5.加热组件：7.5×2船级社G1.,CCS试验机SCR系统及台位布置如图8所示;泵雌元混合管图8SCR试验机三维布盥图试验过程中的现场照片见图9、图10、图11。图9SCR试险机现场图I1.反应器及催化剂模块1、NoX排放量及NOX转化效率E3循环下试效主机SCR系统试物数据见表3。»3SCR系统E3环试的敷据GSsOM-发机与QIXMAW版本ME-EC*UHW-i.1.5双泰不淮.”分asMiSau慎工况MM10：SS12：2013：IO14：SOIS：4016：3517：XSIS-20发动机倒得25«50U75%100%100»75%SO25%M>.KJ*½NANAXAXA7S%W)t1.W/9Oet4*鹘MV<1.h,>NANNAKKIDIB6?40任阜例(1.h,)NANAXA1261156941M>JV*ttftMO*950XX)WOt30mISO20024$956SM.2905.5MS14?M.S247.1NII1ttHt1.OaOOOO0.60.30.20.1成验主机在E3循环卜，SCR系统开启与关闭情况bNOx排放量及NOx转图1.2NOx排放量图13NoN转化效率从图12和图13可以看出：主机在采用SCR系统的情况卜，NOx樗放量低于3.4(gkW-1.h-i).达到Tier1.n标准。同时，NOx的实际转化效率也接近理论目标值，平均转换率接近75%,个别工况下甚至可以达到83%,2、氨氮比扫描在75%负荷下，通过改变尿素喷射室进行NOX转化效率试验，具体试验数据见表4.表475%负荷下N0,转化效率试验(改变尿素喷射量)NO.转换效率060%80%1.%110%NO.浓度/X10"917.6354.2175.15.20NO,转换浓度x1.-°0563.4742.5912.4917.6尿素喷射房/(1.h-)0S4114140154NHi逃逸量/XIO"00.20.30.975从我4中可以看出：系统已达到相应的转化效率.yo7Q-½a'-oN图1.4NOx转化浓度NOX转化浓度如图14所示：尿素喷射量约为I4(X1.hI)时，NOx转化效率达到100%,NOx转化浓度最大;此时，NE逃逸员为0.9X10-6.如图15所示。满足技术要求。8010050100150200尿素喷射量/(1.h)图15NH3逃逸破五、高压SCR系统实际运用1、5RT-f1.cx58T-D高压SCR项目重机与三井合作研发的用于WinGD主机5RT-nex58T-D的高压SCR系统,T2015年1月在上海临港地区完成首制认可试验，并于2015年7月装船进行海试。海试结果达到TieHiI排放标准。该项目是首台WinGD主机的SCR系统项目。2、6S60ME-C高压SCR项目船厂6S60MEC-116#(1.4280kWIO5rmin主机的高压SCR项Ii是我国MDT系列大型船用柴油机的首个SCR项目。该项目也选用重机与三井开发的高压SCR系统。项目T-2017年7月通过了MDT认可试验，2017年8月进行八大船级社的型式认可试验。此项目是我国在SCR领域的第一个商业订单。六、SCR系统发展趋势全球首台集成SCR工程样机在大连船用柴油机有限公司顺利完成大合拢I、船用柴油机SCR系统一体化SCR系统是主机满足Tier1.n排放法规最直接有效的方法之一,但该系统存在初次安装成本高、装置体积大和运行成本高等问题。从性能、成本、空间等方面进行船用柴油机SCR系统一体化研发将是未来的一个发展方向。目前重机与三井已经联合开展脱硫脱硝一体化研发工作。2、高、低压SCR系统的趋势从产品特性而言，高、低压SCR系统均适用于排气温度低、排气流量大的大型船用低速柒油机，两者各具特色。低压SCR系统具有低压、低温，安全性较高的特点，但其使用的低温催化剂技术目前国内还不是很成熟，依赖国外公司的产品，相对成本较高。而密压SCR系统,在设计上确保共安全性的前提下，可以通过柴油机与增压器的匹配，在不降低柒油机性能的前提下，使其外放满足TierHI法规。高压SCR系统对催化剂的要求不高，且我国高温催化剂技术相对成熟;同时，前置SCR系统抗硫中毒性能强，对燃料含破员不敏感，可使用重油燃料，这些都符合现代船舶设计的需求，将是未来一段时间发展的趋势.