基于Fluent的汽车尾气SCR处理系统仿真研究
摘 要:本文主要通过对SCR处理系统（尿素选择性催化还原技术）进行研究，对流体控制方程理论进行相关阐述，通过对SCR催化还原系统的研究，对其工作原理，组成结构，以及对NOx的催化还原，相关的化学反应进行研究，具体研究内容有流体方程控制理论基础，对SCR系统组成及工作原理，相关技术路线及工作过程进行研究。通过Fluent软件对SCR后处理系统进行仿真模拟，进一步得出其速度、压力、温度、密度等物理参数并对SCR系统数值模拟结果的影响。计算结果表明，排气管的长度在SCR处理系统中，影响其净化排放的主要影响因素有喷射粒径，管道温度，长度，直径，喷射嘴角度，混合器外形，排气温度等因素，此外，稳定的速度指数有利于SCR系统进行催化氧化。
关键词:Fluent流体仿真；SCR催化器；系统工作原理及组成；NOx催化还原
Simulation Research on SCR Treatment System for Automotive Exhaust Based on Fluent
Abstract:This article mainly elaborates on the fluid control equation theory by studying the SCR treatment system (urea selective catalytic reduction technology). Through the study of the SCR catalytic reduction system, the working principle, composition structure, catalytic reduction of NOx, and related chemical reactions are studied. The specific research content includes the theoretical foundation of fluid equation control, mainly studying the conservation law, including the law of mass conservation The laws of conservation of momentum and energy. The control equation is a mathematical description of these conservation laws, while studying the composition and working principle of the SCR system, related technical routes, and working processes. By simulating the SCR post-processing system using Fluent software, velocity, pressure, temperature, density, and related data were obtained and analyzed. The results showed that the length of the exhaust pipe in the SCR processing system was mainly affected by factors such as spray particle size, pipeline temperature, length, diameter, nozzle angle, mixer shape, exhaust temperature, etc, A stable speed index is conducive to the catalytic oxidation of the SCR system.
Keywords: Fluent fluid simulation；SCR catalyst；system working principle and composition；catalytic reduction of NOx
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题研究内容及方法 4
第2章 流体控制方程理论基础 5
2.1 基本控制方程 5
2.2 湍流模型 6
2.3 离散相模型 6
2.4 尿素热解反应 7
2.5 本章小结 8
第3章 SCR系统组成及工作原理 10
3.1 SCR系统的技术路线 10
3.2 尿素选择性催化还原技术（Urea-SCR）的工作原理 11
3.3 尿素选择性催化还原技术（Urea-SCR）的工作过程 14
3.4 本章小结 15
第4章 SCR系统数值模拟 16
4.1 Fluent软件的功能和特点 16
4.2 计算网格 16
4.3 计算设置 17
4.4 计算结果分析 19
4.4.1 速度均匀性分析 19
4.4.2 温度情况分析 21
4.4.3 压力情况分析 23
4.4.4 密度情况分析 25
4.4.5 湍流强度与迹线图分析 26
4.5 本章小结 27
第5章 结论及展望 28
5.1 全文工作总结 28
5.2 展望 28
参考文献 29
致 谢 30
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
2022年，我国共卖出汽车2054.3万辆，其中，燃油车卖出1486.8万辆，至2022年我国燃油车保有量约3.2亿辆。在汽车排放的尾气中，含有大量有害物质，主要有氮氧化物（NOx），一氧化碳（CO），碳氢化合物（CH），颗粒物及铅等等，其中，NOx的主要成分是NO和少量的NO2，氮氧化合物在阳光下与HC会产生光化学烟雾，会对人体呼吸系统造成很大损害，会导致癌变甚至死亡，因此，研究如何减少NOx的产生具有十分重要的意义。而选择性催化还原技术（SCR）是一种有效减少NOx排放的技术。本文就其组成结构，工作原理，流体仿真，反应机制等方面进行研究。
选择性催化还原（SCR）是一种将氮氧化物（NOx）转化为N2和H2O的方法。将尿素加入尾气中，尿素（CO(NH2)2）受热蒸发水解生成NH3和HNCO，HNCO分解生成NH3和CO2，NH3和氮氧化物反应生成无害的氮气和水。
NH3对NOx的选择性催化还原（SCR）是一种成熟的技术。但NH3不适合做还原剂，主要是因为在储存、处理和运输方面存在困难。作为克服与NH3相关的这些问题的替代方案，尿素目前被认为是用于汽车排放控制应用的载体。人们普遍认为尿素会分解成NH3，尽管尿素的投加、混合和适当分解为NH3等参数具有挑战性，SCR技术已成功引入设计乘用车市场。
1.2国内外研究现状
尿素热分解的主要产物是NH3，尿素的形成和NH3的消失在很大程度上取决于反应条件，包括反应温度和原料气流的停留时间。在350摄氏度的反应温度和0.113s的停留时间下，尿素完全分解为NH3。随着反应温度的升高。在较短的时间内实现了尿素的分解。当反应温度足够高时（高于400摄氏度），尿素热分解的动力学模型很好地描述了实验观察到的尿素、异氰酸和氨的浓度变化。
在原料气流中存在O2的情况下，尿素分解产生的NH3在250摄氏度以上的反应温度下在催化剂上迅速氧化为N2。该模型基于两个主要反应，包括尿素的热分解和尿素分解过程中氨的催化氧化，充分描述了所有考虑的反应器操作条件下尿素浓度NH3的实验数据。结果表明，尿素分解为NH3通过热分解途径发生，而随后氮的氧化主要是由催化反应引起的。
而在SCR处理系统中，影响其净化排放的主要影响因素有喷射粒径，管道温度，长度，直径，喷射嘴角度，混合器外形，排气温度等因素。管道越长，其反应越充分，但当气流到达尾部，温度降低也会影响其反应，所以其长度要适宜，当在1.5米的长度下，还原剂的分布均匀性最好。在传统结构中，长管的作用主要是为尿素的分解反应以及氨气与尾气的充分混合提供一定的时间与空间。否则，尿素液滴还未及时分解成氨气便被吹到载体内，不利于接下来选择性催化还原反应的进行。管道越长则尿素的分解和氨气的混合效果更好。但同时越长的管道会造成管道下游更多的温度损失，这同样对选择性催化还原反应不利。在短距螺旋混合器后加装锥形板混合器，通过引导气流向不同方向运动，可以使其反应更加充分，锥形板混合器的类型有叶片式和刀片式，相比于加装锥形板混合器的传统结构，当气流抵达尾部时便难以保持其混合效果，从而影响反应分解，其中，结构上加装叶片式锥形板混合器的NH3最为均匀，其氨气浓度分布均匀性系数达到0.97以上，颗粒越大，反应越不均匀，而尿素水溶液的喷射量对其转化效率影响不大，喷射器的角度也很重要，如果不合适会导致未完成反应产生结晶，当喷射角度在0到90度之间，并且喷射方向与气体流动方向一致，变化趋势不明显，当与排气方向相反，角度为60度，NH3分布最均匀，分布均匀性最好，达到0.875，接触更充分，管道直径越大，NH3分布均匀性变差，排气温度越高，尿素转换效率越高，但当超过400摄氏度时，变化并不明显，排气流量越大，转换效率下降，环境温度越高，转换效率增大。
在温度控制方面，Jibing Jiang[17]等人提出了一种新型的排气温度控制设计，用于帮助SCR系统消除柴油车中的NOx排放。通过理论和数值方法证明了排气温度控制的动态特性。证明了预热条件将大大节省温度控制系统的预热时间，ETC测试所需的工作条件将显著影响新设计的起点。最后，通过特定实验因素验证的模拟SCR模型来评估温度控制后的NOx减排。提高的NOx减排效率可超过90%，工作性能更稳定，满足严格的排放法规，具有更环保和可持续的实际应用。
在模型设计方面，Andreas Aberg[18]等人通过模拟全尺寸SCR单体的输出进行了验证，该单体处理来自欧洲瞬态循环（ETC）的真实发动机气体。该方法在估计参数方面是成功的。分析了单通道模型的预测能力，发现与传质相关的简化模型给出的排放损失信息最低。
在喷射角度和速度方面，Azael-Capetillo[17]等人通过CFD商业代码对汽车SCR系统的尿素水喷射进行了多相模拟分析。对于所分析的操作点，只有喷射速度和喷射角度对NH3和壁膜形成的性能有显著影响。二阶相互作用显示出最小的影响。结果表明，回归预测的性能与CFD计算的性能之间具有良好的一致性。其中包括:SCR是一种持续的技术，其中化学反应在200-400摄氏度的低温范围内发生。NH3被用作尿素SCR的还原。该催化剂的低温性能通过NO2/NOx比得到改善。与SCR装置的喷射距离是另一个需要优化的因素。SCR控制方法用于控制NOx和NH3的过量。在寒冷条件下，使用混合器，该混合器通过撞击其壁而有利于喷雾的蒸发。壁温是决定液滴撞击后是否会沉积、飞溅或反弹的重要因素。尿素SCR中的一个常见问题是NH3、热管理和尿素定量给料系统的预饱和有助于系统实现98%的NOx转化率。催化剂中水分的存在是SCR在冷启动条件下应用的障碍。
在尿素喷雾和催化器材料等方面，研究发现使用混合结构能够促进尿素的分解，使氨气与尾气混合均匀，可以减少结晶物质的产生，提高氮氧化物转化效率。通过在钒基材料以及铁铜复合材料等各种基质的催化剂内添加不同元素或等离子体，来提升催化剂整体的还原性。同时，催化剂载体会受到各种元素的毒化作用影响，例如硫元素与氨气与金属阳离子相互作用，会形成硫酸盐或亚硫酸盐，从而堵塞催化剂的空隙，并且该反应不可逆。此外，新老催化剂的催化效率也不一致。因此提升催化剂的抗毒性和抗老化能力可以保证催化剂在实际工况下长时间高效使用。
由于车辆在部分工况下排气温度较低，因此提升SCR载体的在低温下的催化剂活性非常重要。其主要方法是通过添加比例合适的不同的元素来提升催化剂的低温催化活性。Boxiong[17]等人通过在催化剂内添加摩尔比达到1:1的Zr和Ce元素，使催化剂能够获得较高的低温氮氧化物转化效率。Wang[18]等人发现Cu2O/AC催化剂在Cu元素负载量达到8%时拥有最好的脱硝效率。
本文主要就NH3-SCR中使用最广泛的Urea-SCR进行研究，Urea-SCR技术虽然能有效降低NOx排放，但是在实际应用中仍有很多待解决的问题，如SCR入口前速度和NH3浓度分布不均匀，导致NOx转化率降低；尿素(Urea)喷雾液滴容易粘附在排气管壁面而形成液膜，产生尿素结晶、缩二脲(biuret)、三聚氰酸(CYA)和三聚氰酸一酰胺(ammelide)等沉积物，导致尿素分解不完全和NOx转化率降低，甚至可能引发排气管堵塞和排气背压增加，发动机不能正常运行等严重后果，这些问题可以通过改变喷射口角度，延长排气管长度，增加锥型板混合器等方法加以改善。
1.3课题研究内容及方法
本文主要对流体控制方程理论进行相关阐述，并通过对SCR催化还原系统的研究，对SCR系统工作原理，组成结构，以及对NOx的催化还原，相关的化学反应进行研究，通过Fluent软件对SCR（尿素选择性催化还原技术）系统进行仿真模拟，其主要研究内容如下：
1.SCR系统组成及工作原理。通过对其主要组成结构，工作过程及工作原理进行研究，SCR系统尿素供给系，电控系统，空气供给系，化冰装置，催化还原装置的部件组成，通过对其工作原理的分析，对其常见问题进行研究，如结晶及NH3分布不均，可以通过调整喷嘴角度及管道温度进行调节。
2.SCR系统的数值模拟分析。通过对流体控制方程及层流和湍流模型的分析，对SCR系统的化学反应及工作原理进行研究，并通过Fluent流体仿真对管道内混合气的速度，密度，压力，温度等情况进行仿真模拟。
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