船用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)噴霧、混合及消聲性能研究.pdf

1、隨著世界航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，港口和周邊地區(qū)的空氣污染愈來(lái)愈嚴(yán)重。中國(guó)港口地區(qū)的人口密度高、船舶活動(dòng)頻繁，船舶排放對(duì)城市居民的健康影響更大。國(guó)際海事組織（IMO）在全球范圍內(nèi)設(shè)定了四個(gè)排放控制區(qū)（ECA），對(duì)ECA內(nèi)?？亢秃叫写暗腘OX排放進(jìn)行嚴(yán)格限制。作為IMO的成員國(guó)之一，中國(guó)簽署了《防止船舶污染國(guó)際公約》（MARPOL公約），應(yīng)執(zhí)行國(guó)際船舶的環(huán)保要求。
　　SCR（選擇性催化還原）技術(shù)憑借 NOX轉(zhuǎn)化效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好及適用范圍

2、廣等優(yōu)勢(shì)成為國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)IMO Tier III標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)方案。與車用SCR相比，船用SCR的運(yùn)行溫度較低，燃油的硫含量較高，同時(shí)受到安裝空間的限制。因此，在船用SCR系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，易造成NOX排放偏高和NH3泄漏，并伴隨著催化劑劣化等問(wèn)題。本文通過(guò)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，圍繞尿素水溶液的噴霧特性、噴霧與排氣的混合和催化器的消聲性能等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，使得船用SCR同時(shí)實(shí)現(xiàn)NOX排放和排氣噪聲的控制。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　

3、（1）在SCR系統(tǒng)中尿素水溶液以噴霧的形式進(jìn)入排氣管，噴霧對(duì)尿素水溶液的蒸發(fā)、分解以及沉積物的生成均有影響。船用SCR的工作環(huán)境具有排氣流量大、排氣溫度低等特點(diǎn)，其對(duì)尿素噴嘴的霧化特性提出了更高的要求。本文通過(guò)建立噴嘴內(nèi)氣液兩相流和噴嘴出口流場(chǎng)的耦合模型，對(duì)噴嘴的內(nèi)部流動(dòng)及噴霧發(fā)展過(guò)程進(jìn)行研究。激光粒度分析儀和高速攝像機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型可以準(zhǔn)確描述尿素水溶液的霧化過(guò)程，并用于SCR排氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬。與此同時(shí)，研究雙流體噴槍和格蘭

4、富噴嘴在不同條件下的沉積物生成過(guò)程和霧化效果。對(duì)比結(jié)果表明，雙流體噴槍可以有效隔絕尿素水溶液與排氣的傳熱，從而避免尿素沉積物的生成；在空氣消耗量和尿素噴射量一致的前提下，雙流體噴槍的霧化粒徑小于格蘭富噴嘴，這有利于提高尿素水溶液的蒸發(fā)和分解速率、提升船用SCR的低溫性能。
　　（2）船舶柴油機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在中、低負(fù)荷工況，排氣溫度較低，尿素得不到充分的蒸發(fā)和分解；排氣流場(chǎng)的不均勻性使得局部氨不足或氨過(guò)量，進(jìn)而造成NOX轉(zhuǎn)化效率下降和N

5、H3泄漏升高。對(duì)于船用SCR，提高尿素的蒸發(fā)分解速度以及與排氣的混合均勻性是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。本文采用三維CFD方法研究船用SCR系統(tǒng)的流場(chǎng)特性，具體包括催化劑布置、殼體外形和流場(chǎng)優(yōu)化裝置對(duì) SCR性能的影響等，并對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行排放試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明， SCR殼體的擴(kuò)壓管角度和收縮管角度分別為60°和75°時(shí)，流場(chǎng)均勻性和壓力損失的綜合效果較好；本文設(shè)計(jì)的8葉片錐形混合器可使NOX轉(zhuǎn)化率提高14.3％，氨泄漏降低25ppm，而壓

6、降僅為3.43kPa；安裝船用 SCR系統(tǒng)后，NOX比排放從原機(jī)的9.38 g/(kW·h)下降到0.37 g/(kW·h)，可以滿足 IMO Tier III標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）考慮到空間限制的問(wèn)題，在船舶運(yùn)行中通常采取船用SCR替代排氣消聲器的方式，因此消聲性能也是衡量船用SCR優(yōu)劣的重要指標(biāo)。與傳統(tǒng)排氣消聲器不同，船用SCR需要兼顧降NOX的能力，結(jié)構(gòu)尺寸、排氣背壓和流場(chǎng)不均勻性等都會(huì)影響其消聲特性。本文通過(guò)在SCR系統(tǒng)內(nèi)部加

7、入錐形擋板、內(nèi)插管、穿孔管和穿孔板等消聲元件，進(jìn)行船機(jī)SCR與消聲器的一體化設(shè)計(jì)，并綜合比較不同設(shè)計(jì)方案的傳遞損失、NOX轉(zhuǎn)化效率和壓力損失。利用 AVL BOOST軟件建立某船用柴油機(jī)的熱力學(xué)模型，預(yù)測(cè)柴油機(jī)的排氣噪聲，并采用兩負(fù)載法獲取噪聲源阻抗；采用傳遞矩陣與有限元結(jié)合的方式建立催化器的聲學(xué)模型，并通過(guò)在有限元網(wǎng)格中定義各向異性的流體性質(zhì)，模擬流場(chǎng)特性對(duì)聲傳播的影響。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于流場(chǎng)特性的聲學(xué)模型可以在一定頻