船用低速柴油机SCR喷雾及反应仿真分析

摘要

NOx是船舶柴油机的主要污染物之一。近年来随着航运业的高速发展，船舶柴油机的NOx排放也日益严重。选择性催化还原(SCR)技术是国内外公认最成熟、有效的NOx排放后处理技术，能大幅减少船用柴油机燃烧生成的氮氧化物，满足IMO TierIII排放法规要求。
　　出于安全考虑，船用SCR系统中还原剂氨气通常以尿素水溶液的形式喷射到发动机排气管道，在蒸发管内分解生成还原剂氨气。SCR系统工作性能的优劣主要取决于尿素分解的完善程度、反应器内的排气流动状态及NOx还原反应的进行程度。SCR系统的不良设计会导致NOx转化效率偏低，不能满足排放要求或造成氨气过量泄漏。
　　本文以6S50ME-C船用低速二冲程柴油机SCR系统为研究对象，对SCR系统喷雾过程及反应过程进行了仿真计算，对影响SCR转化效率的关键因素进行了分析，以期辅助船用低速二冲程柴油机SCR系统的设计制造。本文主要进行了以下研究工作：
　　(1)进行了SCR系统流动过程的仿真分析，分析了SCR系统内排气流速的均匀性。研究发现，排气在催化剂表面的不均匀度小于10％，催化剂床层中的排气流动速度在设计的允许值范围内，催化剂的活性得到充分利用。
　　(2)构建了描述SCR系统的计算模型，进行了SCR系统雾化过程的仿真分析。研究发现，尿素溶液的喷入会引起排气温度的略微下降；空气辅助喷嘴具有较好的雾化效果，系统中尿素基本分解完成，并且NH3的浓度分布均匀性能满足设计要求。
　　(3)进行了SCR系统化学反应过程一维仿真计算。研究发现，加权平均的NOx转化效率为77.9%，排放满足MARPOL73/78附则Ⅵ中Tier III排放水平。
　　(4)进行了6S50ME-C柴油机 SCR系统台架试验，加权转化效率的试验结果为79.8%，与仿真计算结果吻合良好，并且经认证试验，获得了中国船级社排放符合性声明。
　　本文的研究对低速柴油机SCR系统的开发具有一定的借鉴和指导意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 SCR原理及反应过程

1.3 船用低速柴油机SCR技术发展概述

1.4 尿素溶液雾化及SCR反应国内外研究现状

1.5 本论文主要工作

第2章 船用柴油机SCR数学模型

2.1 基本控制方程

2.2 喷雾计算模型

2.3 液滴破碎模型

2.4 液滴湿壁模型

2.5 尿素蒸发及热解模型

2.6 多孔介质模型

2.7 本章小结

第3章 船用二冲程柴油机高压SCR系统流场及尿素雾化分解反应分析

3.1 船用二冲程柴油机高压SCR仿真模型

3.2 SCR系统初始及边界条件

3.3 仿真结果分析

3.4 本章小结

第4章 SCR催化还原反应一维仿真分析

4.1 模型建立

4.2 计算边界及设计目标

4.3 仿真结果分析

4.4 本章小结

第5章 船用低速柴油机SCR试验研究

5.1 尿素溶液喷嘴试验台设计

5.2 低速机SCR试验台架设计

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢