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船用柴油机SCR系统喷雾、混合及消声性能研究-轮机工程专业论文
万方数据
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同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。
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武汉理
武汉理工大学博士学位论文
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
I
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
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