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原文传递船用柴油机SCR系统喷雾、混合及消声性能研究

论文题名：	船用柴油机SCR系统喷雾、混合及消声性能研究
关键词：	船用柴油机;选择性催化还原;计算流体力学;消声性能
摘要：	随着世界航运业的发展，港口和周边地区的空气污染愈来愈严重。中国港口地区的人口密度高、船舶活动频繁，船舶排放对城市居民的健康影响更大。国际海事组织（IMO）在全球范围内设定了四个排放控制区（ECA），对ECA内停靠和航行船舶的NOX排放进行严格限制。作为IMO的成员国之一，中国签署了《防止船舶污染国际公约》（MARPOL公约），应执行国际船舶的环保要求。　　SCR（选择性催化还原）技术凭借 NOX转化效率高、燃油经济性好及适用范围广等优势成为国内外实现IMO Tier III标准的主要技术方案。与车用SCR相比，船用SCR的运行温度较低，燃油的硫含量较高，同时受到安装空间的限制。因此，在船用SCR系统的实际运行中，易造成NOX排放偏高和NH3泄漏，并伴随着催化剂劣化等问题。本文通过仿真与试验相结合的方法，围绕尿素水溶液的喷雾特性、喷雾与排气的混合和催化器的消声性能等关键技术展开研究，使得船用SCR同时实现NOX排放和排气噪声的控制。主要研究内容如下：　　（1）在SCR系统中尿素水溶液以喷雾的形式进入排气管，喷雾对尿素水溶液的蒸发、分解以及沉积物的生成均有影响。船用SCR的工作环境具有排气流量大、排气温度低等特点，其对尿素喷嘴的雾化特性提出了更高的要求。本文通过建立喷嘴内气液两相流和喷嘴出口流场的耦合模型，对喷嘴的内部流动及喷雾发展过程进行研究。激光粒度分析仪和高速摄像机的试验结果表明，该模型可以准确描述尿素水溶液的雾化过程，并用于SCR排气流场的数值模拟。与此同时，研究双流体喷枪和格兰富喷嘴在不同条件下的沉积物生成过程和雾化效果。对比结果表明，双流体喷枪可以有效隔绝尿素水溶液与排气的传热，从而避免尿素沉积物的生成；在空气消耗量和尿素喷射量一致的前提下，双流体喷枪的雾化粒径小于格兰富喷嘴，这有利于提高尿素水溶液的蒸发和分解速率、提升船用SCR的低温性能。　　（2）船舶柴油机长期运行在中、低负荷工况，排气温度较低，尿素得不到充分的蒸发和分解；排气流场的不均匀性使得局部氨不足或氨过量，进而造成NOX转化效率下降和NH3泄漏升高。对于船用SCR，提高尿素的蒸发分解速度以及与排气的混合均匀性是一项艰巨的挑战。本文采用三维CFD方法研究船用SCR系统的流场特性，具体包括催化剂布置、壳体外形和流场优化装置对 SCR性能的影响等，并对结构优化结果进行排放试验。仿真和试验结果表明， SCR壳体的扩压管角度和收缩管角度分别为60°和75°时，流场均匀性和压力损失的综合效果较好；本文设计的8叶片锥形混合器可使NOX转化率提高14.3％，氨泄漏降低25ppm，而压降仅为3.43kPa；安装船用 SCR系统后，NOX比排放从原机的9.38 g/(kW·h)下降到0.37 g/(kW·h)，可以满足 IMO Tier III标准。　　（3）考虑到空间限制的问题，在船舶运行中通常采取船用SCR替代排气消声器的方式，因此消声性能也是衡量船用SCR优劣的重要指标。与传统排气消声器不同，船用SCR需要兼顾降NOX的能力，结构尺寸、排气背压和流场不均匀性等都会影响其消声特性。本文通过在SCR系统内部加入锥形挡板、内插管、穿孔管和穿孔板等消声元件，进行船机SCR与消声器的一体化设计，并综合比较不同设计方案的传递损失、NOX转化效率和压力损失。利用 AVL BOOST软件建立某船用柴油机的热力学模型，预测柴油机的排气噪声，并采用两负载法获取噪声源阻抗；采用传递矩阵与有限元结合的方式建立催化器的声学模型，并通过在有限元网格中定义各向异性的流体性质，模拟流场特性对声传播的影响。仿真与试验结果表明，本文提出的基于流场特性的声学模型可以在一定频率范围内准确的模拟船用SCR系统的消声性能；与原SCR系统相比，集成式催化消声器的插入损失从23.5 dB(A)上升到32.8 dB(A)，NOX转化效率从82.5%上升到89%，可以同时满足NOX排放和噪声限值要求。
作者：	陈悦
专业：	轮机工程
导师：	吕林
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文