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作者无:未知

  摘要潭:   由于船舶机舱空间狭屑鲜璐ァ,船用二冲程柴油机SCR反应器及其管路布置较为困难册遣,利用CFD对柴油机100%负荷工况下SCR反应器前混合段内雾化后的尿素溶液与排烟的混合过程进行模拟贡。通过模拟得到6S35MEB9船用柴油机SCR系统在混合器叶片角度为15°外码烫、导流器扩展角度为75°时可以实现短距离内还原剂与排烟的良好混合踢恋扫,且整套系统压降控制在1 400 Pa以下响抹估。对6S35MEB9船用柴油机全尺寸SCR系统进行100 h台架试验妊剐梅,在中国船级社NOx排放指南要求的E3推进工况下北蚊,实现原机NOx比排放量由18.15 g/(kW?h)减少至3.17 g/ (kW?h) 丸。本设计为实船SCR系统的配备提供了理论和应用基础尉槽然。
  关键词喂仙:
  船舶低速柴油机; SCR系统; 混合器; 导流器; 优化; 试验验证
  中图分类号膘: U664.121.1; TK421.5
  文献标志码秀: A
  Abstract化浮:
  In view of the fact that the arrangement of the twostroke diesel engine SCR reactor and its pipe is difficult due to the narrow space in a ship engine room芹稀, CFD is used to simulate the mixing process of atomized urea solution and exhaust gas in the mixing section before SCR reactor under 100% load condition of diesel engine. The simulation results show that胖去, when the blade angle of the mixer is 15° and the expansion angle of the diffuser is 75°鸵箔挺, the SCR system of 6S35MEB9 marine diesel engine can achieve a good mixing of reducing agent and exhaust smoke in short distance庙耗, and the pressure drop of the whole system is controlled less than 1 400 Pa. Through 100 h bench scale test for the fullscale SCR system of 6S35MEB9 marine diesel engine under the E3 propulsion condition required by the NOx emission guidelines of China Classification Society皇, the NOx brake specific emission of the original engine is reduced from 18.15 g / (kW?h) to 3.17 g / (kW?h). The design provides a theoretical and practical basis for the real ship SCR system.
  Key words但荤:
  marine slow speed diesel engine; SCR system; mixer; diffuser; optimization; test verification
  0引言
  为使船用二冲程低速柴油机NOx排放量达到《MARPOL公约》附件VI规定的排放要求(比排放量限值为3.4 g/(kW?h))伍吮司,目前最有效的机外控制技术之一是尿素选择性催化还原(urea selective catalytic reduction碱垂, UreaSCR)技术[1]伎歉蔽。然而陛贤脯,在实际船舶应用中午嫌,船舶柴油机SCR系统的初次安装成本和使用成本远远高于其他废气处理技术[23]惦篓摧。为节约船舶所有人成本并确保SCR系统在全寿命期内高效运行膜咐扫,国内外学者[47]对SCR反应器中催化剂性能碴箱缄、反应器结构及其控制策略等进行了大量的研究嵌钠五。文献[810]利用数值模拟结合试验验证的方法猜些抽,研究了SCR系统中尿素溶液的雾化混合性能仆梆。文献[11]在SCR反应器前加装混合器并对其进行了测试碍,证明加装混合器能够提高SCR系统的NOx转化效率并减少氨气泄漏际朝逃。文献[3]通过建立SCR系统三维动态数学模型脊,对SCR系统尿素溶液雾化过程和混合过程进行了模拟口糯,结果表明降,高压喷射加静态混合器可显著提高SCR系统的气液混合均匀度蔚蛙喝,提高SCR系统脱硝的效率喘镣。
  本文以6S35MEB9船用二冲程低速柴油机为研究对象案伤赌,利用CFD对柴油机100%负荷工况下SCR反应器前混合段内雾化后的尿素溶液与排烟的混合过程进行模拟匹别发,对混合器史肺、导流器参数进行优化后烷色凛,搭建SCR反应系统谢宿胖,随后进行台架试验来验证本设计是否满足tierⅢ的要求芍枢。
  1数学模型和评价指标
  1.1SCR系统
  SCR系统主要包括混合段陌擅、扩张段闻堡、SCR反应器和收缩段搂。反应器尺寸为4 770 mm×2 048 mm×2 086 mm翱促私。催化剂双排布置狠隶需,每排催化剂前布置吹灰管路捞。仿真模型采用六面体和四面体混合网格面,网格节点数为4 046 614丁浪疏,网格单元数为14 757 491变烹。SCR反应器的网格划分见图1澎。
  1.2控制方程
  UreaSCR系统的物理化学反应包括系统内部的传热传质兄拇、尿素水溶液蒸发与分解啃胎、催化还原化学反应等两娄,其反应机理十分复杂[12]新时。该系统数学模型主要包括连?m性方程挖腊、动量守恒方程驰悸、能量守恒方SCR反应器网格划分示意图   程和湍流方程怂。这里孝隙苫,湍流方程采
  用kεf湍流模型[13]匣喂,其k方程烷舅桅、ε方程伯芳、ζ方程和f方程分别为
  dkdt=Pk-ε+xk(v+Cμζkts)kxk
  dεdt=Cε1Pk-Cε2εT+xkv+Cμζktsσεεxk
  dζdt=f-ζkPk+xkv+Cμζktsσζζxk
  f-L22f2xk2=C1-1+C′1Pkε2/3-ζts+C2Pkk
  式中坦乖卤: k为湍动能;Pk为应力项;ε为湍动能耗散率;v为运动黏度; ζ为黏度尺度比;ts为湍流时间尺度;T为流体温度;L为湍流长度尺度;f为松弛因子;σε和σζ分别为ε方程和ζ方程所对应的普朗特数;C1瞥溪篮、C′1猩畔颁、C2唤沟、Cε1芦、Cε2屉、Cμ为经验常数晶申。
  1.3催化反应器多孔介质模型
  SCR催化剂主要有蜂?C式催化剂和板式催化剂2种铰。本系统选用蜂窝式催化剂酒彻瘁,它属于多孔介质娠锌。对多孔介质的仿真主要设置两个阻力系数陀港佰,即黏性阻力系数和惯性阻力系数魄反。这里懒沉,组分传输方程尺滥什、连续性方程汾、在惯性坐标
  系i方向上的动量守恒方程[13]分别为
  φgρgωm蓟慰脸,gt=
  φgρgωm棠,gμgz+φgρgzρgDeffωm仕伍惶,gz+Mm噬旅痊,gl(vl熊溜,kl(cm颓哀,Ts))
  ρt+xi(ρui)=S
  t(ρui)+xj(ρuiuj)=-pxi+τijxj+ρgi+Fi
  式中能技:φg为催化剂孔道体积分数;ρg为气体密度;ωm苹,g为气体中组分m的质量分数;μg为气体平均速度;Deff为气体的平均扩散速度;Mm练,g为气体中组分m的摩尔质量;l为反应l的反应速率;vl痢,k为反应l中组分m的当量系数;cm为组分m的浓度;Ts为催化剂温度;ρ为流体密度;ui和uj分别为流体在i令安脐、j方向上的速度分量;S为流体常数;ρ为流体密度;p为流体在i方向上的压力;τij为应力张量分量;gi为流体在i方向上的重力加速度;Fi为流体在i方向上受的力千。
  1.4评价标准及目标
  尿素溶液与排烟的混合均匀性对SCR系统工作性能的影响较为明显彼。为对比各种几何参数猴,如混合器叶片角度浦、导流器扩张角度等因素对流动的影响灰刹胶,须给出流动均匀性的评判准则些,以便对不同参数方案的流动均匀性进行比较尽令。
  均匀性指数[14]是用于评价流体在各截面上的浓度和速度均匀分布情况的鲍十,用γ表示腾:
  γ=1-Ni=1αi-Xi2X
  式中天皆:αi为网格i的流体浓度或速度;为截面上的流体平均浓度或平均速度;Xi为网格i的面积;X为截面面积;N为截面上网格总数嚎淖。γ的取值范围为0~1巾加呈,γ值越大尘,截面处的浓度或速度越均匀鄙。
  本设计确保催化剂入口截面处还原剂质量浓度均匀性指数大于0.85弛顶蝗,SCR反应器入口截面处尿素溶液与排烟混合组分的速度大小偏差在-10%~10%范围内佛附购。
  压降计算公式为
  ΔP=Pin-Pout
  式中帮卯警:ΔP为压强损失;Pin为进口压强;Pout为出口压强革。
  为降低SCR系统本身对主机工作性能的影响炭鹃花,本设计确保整个SCR系统压降低于1 500 Pa柏屉。
  2混合器裸、导流器设计与优化
  2.1边界条件
  对6S35MEB9船用二冲程低速柴油机在100%负荷工况下SCR反应器进行模拟端囊,该工况下的功率为3 250 kW慈唬,NOx的比排放量为18.15 g/(kW?h)瑞鞭。排烟的入口流速为21.942 m/s书,温度为225 ℃;质量分数为40%的尿素溶液的质量流量为69 kg/h;尿素喷嘴有6孔藐窟盯,孔径为1.4 mm;雾化空气压力为2.4 bar(1 bar≈1×105 Pa);催化剂黏性阻力系数为2 000 001 m-2棉,惯性阻力系数为861 m-1里,孔隙率为0.88抒贡渐。
  2.2混合器叶片角度优化
  混合器安装在SCR反应器与尿素喷嘴之间的管路内套量镰,使混合气体产生强烈湍流趟愤,提高尿素溶液与排烟的混合均匀性瘟告。混合器由中间圆毂和8个带有角度的长方形叶片组成鼻垢,见图2绵埠祭。
  混合器叶片角度α是叶片截面与轴线的夹角疯芯。随着α增大藕笺,由混合器导致的SCR系统压降会急剧升高破盎,故选择α为10°鲍肉、15°虎、20°慷爸陆、25°进行比较研究袄。
  图3为计算得到的还原剂质量浓度均匀性指数闲库农、尿素溶液与排烟的混合组分速度均匀性指数和压降随α的变化曲线藤技。当α为15°时盟撂,这3个指标值分别为0.66河瓣涤、0.92和96 Pa阶斧。通过对图3的分析可知柑许,α的增加绵:一方面可以增大排烟湍流强度恒轻唱,有利于混合;另一方面会引起排烟旋流程度逐渐加剧啊仓,径向速度和切向速度增加外劣,导致速度均匀性降低窖吨赊。因此噶兽敞,综合考虑均匀性指数和合理的压降途钙誓,选择α为15°的混合器进行下一步优化技别。
  2.3导流器设计及优化
  导流器布置在混合器之后完,引导混合组分均匀地流向催化剂表面脖廊氏,进一步促进尿素溶液与排烟的混合箔讹。导流器三维结构见图4蹈。导流器扩张角度β(见图5)是影响混合的关键参数之一灿黔。由于受台架空间限制慕冲,选择扩张角度β为70°波臼、75°爬、80°进行比较研究茹拱邢。
  图6为还原剂质量浓度均匀性指数投悼讼、尿素溶液与排烟的混合组分速度均匀性指数和压降随β变化的曲线佛。当β为70°或75°时踢蜗,还原剂质量浓度均匀性
  指数和尿素溶液与排烟的混合组分速度均匀性指数相差较兴 ;当β为75°时这2个均匀性指数均比β为80°时的大膳裂肌,同时引起的压降较β为80°时的低36 Pa顷盆表。因此凄械,在减少反应器整体尺寸的前提下达,为保证尿素溶液与排烟的混合更加均匀并减小扩张段和导流器结构压降峭,选择β为75°辰伴。
  2.4混合器疗撩、导流器和反应器综合分析
  根据流场分析结论和实际安装条件铝篱,选定混合器叶片角度为15°鸽,导流器扩张角度为75°碑颗辱,混合器位于喷嘴前400 mm辨弊绩,尿素溶液喷嘴与反应器入口法兰之间的距离为3 000 mm旧方,进行系统整体混合均匀性分析凌。   图7和8分别为在混合器尿素喷嘴上游催化剂入口截面处还原剂质量浓度分布送、尿素溶液与排烟混合组分速度分布的云图寝看。计算结果表明鞠伍蕉,在催化剂入口截面处华薯,还原剂质量浓度均匀性指数为0.86萎零,混合组分速度均匀性指数为0.98肺坎,混合器和导流器压降为195 Pa亭,满足设计要求袭。
  2.5整体压降模拟分析
  压降是衡量SCR反应器功率损失的重要指标铃。由图9可知痞虹棚,反应器的入口压强为103 605 Pa急脆,出口压强为102 160 Pa饲蹈。含有混合器掸扣刊、导流器累、压缩空气管路附件的计算模型的进出口压差为1 445 Pa前拇,小于要求的1 500 Pa的标准谐届扳,因此整体压降满足设计要求啥酷改。
  3试验验证
  本SCR系统是针对MAN 6S35MEB9船用二冲程低速发动机在100%负荷工况下全尺寸设计的惮摊绅,为进一步验证SCR系统的反应效果关坤,进行100 h的耐久性试验溃辖,台架试验见图10趴。
  本次试验选用零号柴油示浓,委托上海沪江柴油机排放检测科技有限公司进行排放测试恳撇论,采用美国CAI600测试设备亭媒呻,在E3循环下对MAN 6S35MEB9发动机在25%次袍时、50%荣瑞赎、75%甩难砂、100%负荷工况下的SCR系统工作性能分别测试60 min篇。测试涵盖了柴油机本身所有的热工参数舅闭刑,SCR反应器压降椭购,尿素喷射量究,NOx僚、CO撤抒幕、CO2衡讨、CH的排放量未嚼慰,测试结果见图11和12垛本。结果表明嗅漆筐,本SCR系统将原机的比排放量由18.15 g/(kW?h)降至3.17 g/(kW?h)鹤,满足tier Ⅲ的标准告播。
  4结论
 ∏俊(1)随着混合器叶片角度的增加巷境淮,催化剂入口截面处还原剂质量浓度均匀性指数逐渐增大骆食,但排烟旋流程度逐渐加剧比寂,使混合器入口截面处尿素溶液与排烟混合组分速度均匀性指数降低晃恨,同时造成较大的压强损失(即压降)康。为合理控制SCR反应器整体压降诧暇,并提高还原剂质量浓度和混合组分速度在催化剂入口截面处的均匀性纯,选择混合器叶片角度为15°即可获得较好效果笑。
 《燃啊(2)在减少反应器整体尺寸的前提下识,为保证尿素溶液与排烟之间的混合更加均匀并减小扩张段和导流器结构压降寂少叛,选择导流器扩张角度为75°胎。
 】啊(3)对MAN 6S35MEB9船用低速发动机全尺寸SCR系统的台架测试表明砰册,该反应器设计较为合理帆,反应器的工作效率为75%~85%库欠。在氨逃逸体积分数低于1×10-5的前提下幕,该设计使原机排放满足tier Ⅲ的要求八,对其他船用柴油机的脱硝研发具有指导意义耿凶。
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