学术报告

研究主要作者、研究单位及发表信息

这项研究的主要作者包括 Zhijun Chen, Zhi Li, Xiayi Hu, Zhongjun Wang 等，作者分别隶属于武汉理工大学船舶与海洋工程学院、湘潭大学化学工程系、Northumbria University 机械与土木工程学院、Northern Border University 化学系等多个机构。本研究发表于 Alexandria Engineering Journal，2024年6月15日上线，为开放获取文章，授权方式为 CC BY License。

研究背景与目的

本研究属于船舶排放控制领域，聚焦于选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）技术，以提高船舶尾气处理系统的脱硝效率（denitrification efficiency, denox）。随着海运行业的发展，船舶氮氧化物（NOx）的排放量快速上升，造成严重空气污染以及人体健康威胁。氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的关键前体物，并且会导致臭氧层的消耗。因此，为了保护环境，国际海事组织（IMO）规定了严苛的 NOx 排放标准。

选择性催化还原技术成为目前唯一被 IMO 批准的减排技术，其具有较高的脱硝效率、灵活性和燃料适应性。然而，现有研究对于 SCR 系统的结构参数及运行参数对性能的影响尚未深入，特别是对喷嘴位置、喷孔数、喷射角度与温度协同作用的探索仍有许多空白。本研究通过三维仿真建模与发动机试验，在分析影响因素的基础上，提出优化设计方案并验证其可行性。

研究目的包括： 1. 探讨SCR系统中尿素喷射结构参数和运行参数对脱硝效率的影响。 2. 提供理论依据支持未来SCR系统的优化设计。 3. 开发并验证详细的三维模拟模型，用于研究系统内复杂的物理与化学反应过程。

研究方法与工作流程

三维仿真建模

研究采用 AVL FIRE 软件进行三维计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）建模，用于仿真 SCR 反应器内部的流场和化学过程。以下是主要建模假设： 1. 尾气被视为理想气体。 2. 系统忽略整个过程中温度损失，即假设绝热条件。 3. 气流为稳定、不可压缩且无旋，遵从连续性方程、动量方程与能量方程。

研究选择了 k-ε 湍流模型进行流体建模，该模型在计算稳定性和工程适用性上具有较大优势。催化剂建模方面，基于 Arrhenius 定律和 Eley-Rideal 机制，构建了多步化学反应动力学模型，涵盖尿素热解、氨气生成及其与 NOx 的还原反应。喷雾蒸发过程使用多组分模型，考虑了尿素水溶液的蒸发及热分解。

网格与几何建模

SCR 系统几何模型包括排气管、扩展管、催化剂、收缩管和出口管。具体规格如下： - 排气管直径500mm，长度5000mm； - 催化剂反应器尺寸为705×705×1600 mm； - 几何建模通过网格划分进行离散化，最终选择约156,000个网格单元，以平衡计算精确性与资源消耗。

模型验证

研究通过催化剂气体分布测试和 SCR台架实验验证模型的可靠性： 1. 催化剂气体分布测试： 使用 V2O5/TiO2 基催化剂，测定不同温度（220℃-420℃）、氨氮比（ANR）及气体小时空速（GHSV）条件下的脱硝效率，并优化模型参数。 2. SCR 台架实验： 在柴油发动机不同负载（10%-100%）条件下，评估SCR系统的实际脱硝性能，并与仿真结果相比较。

主要结果

1. 尿素喷射结构参数效果：

   • 喷孔数量： 喷嘴孔数增加到4个后，NH3 分布均匀性显著改善，进一步增加到6个效果提升有限，最佳孔数为4。
   • 喷射角度： 75°的喷射角实现 NH3 最优分布均匀性，过大或过小的角度均降低脱硝效率。
   • 喷嘴到催化剂距离： 当距离为8倍管径（8d）时，尿素蒸发完全，NH3 分布均匀性最高，10d提升有限。

2. 运行参数对脱硝效率的影响：

   • 温度： 催化剂的最佳工作温度范围为300℃-420℃；低于250℃时，催化效率较低。
   • GHSV： 高 GHSV 会降低脱硝反应时间，削弱低温效率；在300℃以上，高速仍可保持效率稳定。
   • ANR： 适当提高 ANR 至1.1可显著提升脱硝效率，但过高的 ANR 则效果有限且易造成氨泄露。

3. 实验验证：

   • 数值模拟结果与实际试验结果较为一致，最高误差不超过4.3%，验证了模型的精度。
   • 在75%负载条件下，实验脱硝效率达79.19%，表明 SCR 系统对 NOx 减排具有显著效果。

研究结论与价值

本研究通过仿真与实验结合分析了 SCR 系统关键参数的影响，提出了优化设计方案，显著提升了脱硝效率。这一研究成果具有以下科学与应用价值： 1. 科学意义： 为尿素-SCR 过程机理研究提供了精准的三维建模和实验数据支持。 2. 工程应用： 提供了优化喷嘴结构与运行参数的理论依据，可用于船舶尾气处理系统的设计与改进，提高燃料经济性与脱硝性能。 3. 政策意义： 支持更高效的技术部署以满足 IMO Tier III 排放标准，推动绿色航运发展。

研究亮点与创新

1. 研究全面优化了尿素喷射系统的关键参数（喷孔数、喷射角、喷嘴位置），提出明确且可行的设计标准。
2. 将 CFD 建模与多变量实验结合，不仅精准还原了催化器内部复杂的反应过程，还提供了多种关键参数对效率影响的定量分析。
3. 发现了不同温度、ANR、GHSV 参数间的协同作用，这为 SCR 系统多因素优化设计提供了理论支持。

展望与未来研究方向

进一步研究建议： 1. 探讨 SCR 系统在极端天气和高湿度等特殊环境下的性能表现； 2. 优化催化剂体积、活性组分与微结构设计； 3. 探索 SCR 与其他减排技术（如废气再循环EGR和颗粒捕集器DPF）的集成优化效果。