船舶低速柴油机SCR系统设计及试验验证
时间：2020-12-18 20:02:57 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：
由于船舶机舱空间狭小，船用二冲程柴油机SCR反应器及其管路布置较为困难，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。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°、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，且整套系统压降控制在1 400 Pa以下。对6S35MEB9船用柴油机全尺寸SCR系统进行100 h台架试验，在中国船级社NOx排放指南要求的E3推进工况下，实现原机NOx比排放量由18.15 g/（kW·h）减少至3.17 g/ （kW·h） 。本设计为实船SCR系统的配备提供了理论和应用基础。
关键词：
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： U664.121.1； TK421.5
文献标志码： A
Abstract：
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， 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， when the blade angle of the mixer is 15° and the expansion angle of the diffuser is 75°， the SCR system of 6S35MEB9 marine diesel engine can achieve a good mixing of reducing agent and exhaust smoke in short distance， 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， 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：
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）），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， UreaSCR）技术[1]。然而，在实际船舶应用中，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]。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，国内外学者[47]对SCR反应器中催化剂性能、反应器结构及其控制策略等进行了大量的研究。文献[810]利用数值模拟结合试验验证的方法，研究了SCR系统中尿素溶液的雾化混合性能。文献[11]在SCR反应器前加装混合器并对其进行了测试，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。文献[3]通过建立SCR系统三维动态数学模型，对SCR系统尿素溶液雾化过程和混合过程进行了模拟，结果表明，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，提高SCR系统脱硝的效率。
本文以6S35MEB9船用二冲程低速柴油机为研究对象，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，对混合器、导流器参数进行优化后，搭建SCR反应系统，随后进行台架试验来验证本设计是否满足tierⅢ的要求。
1数学模型和评价指标
1.1SCR系统
SCR系统主要包括混合段、扩张段、SCR反应器和收缩段。反应器尺寸为4 770 mm×2 048 mm×2 086 mm。催化剂双排布置，每排催化剂前布置吹灰管路。仿真模型采用六面体和四面体混合网格，网格节点数为4 046 614，网格单元数为14 757 491。SCR反应器的网格划分见图1。
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、尿素水溶液蒸发与分解、催化还原化学反应等，其反应机理十分复杂[12]。该系统数学模型主要包括连續性方程、动量守恒方程、能量守恒方SCR反应器网格划分示意图
