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船舶低速柴油机高压SCR系统结构优化及数值模拟

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摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 柴油机NOx排放控制技术

1.3 SCR技术及应用现状介绍

1.4 国内外SCR系统的数值研究

1.4.1 国内的研究现状

1.4.2 国外的研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 SCR系统工作原理及数学模型介绍

2.1 SCR系统工作原理

2.1.1 SCR系统工作过程及化学反应

2.1.2 SCR系统的主要影响因素

2.2 SCR系统的评价指标

2.3 SCR反应系统数值模型选择

2.3.1 基本控制方程

2.3.2 湍流模型

2.3.3 离散相模型

2.3.4 多孔介质模型

2.3.5 组分运输与化学反应模型

2.3.6 数值求解方法

2.4 本章小结

第3章 静态混合器对尿素分解过程影响的研究

3.1 静态混合器的评价指标

3.2 静态混合器的设计选型

3.3 网格划分和数值边界条件

3.3.1 静态混合器网格划分

3.3.2 数值计算边界条件

3.4 静态混合器对尿素分解过程的影响

3.4.1 静态混合器对速度场的影响

3.4.2 静态混合器对浓度场的影响

3.4.3 静态混合器对压降的影响

3.4.4 静态混合器对尿素分解过程影响

3.4.5 静态混合器在不同负荷下的对比分析

3.5 本章小结

第4章 SCR系统流场优化研究

4.1 SCR反应器几何模型

4.2 网格划分及边界条件

4.2.1 网格划分

4.2.2 数值模型及边界条件

4.3 SCR反应器流场分析及优化

4.3.1 初始SCR反应器流场分析

4.3.2 弯管处导流装置设计方案

4.3.3 扩口管段导流装置设计方案

4.4 SCR系统压降分析

4.5 最优方案

4.6 本章小结

第5章 SCR系统催化还原反应过程分析

5.1 运行参数

5.2 还原剂量的确定

5.3 SCR系统催化还原过程分析

5.3.1 不同负荷下SCR系统相关参数

5.3.2 SCR系统沿程压力变化分析

5.3.3 催化还原反应对组分浓度的影响

5.3.4 催化反应反应速率分析

5.3.5 SCR脱硝效率及氨逃逸

5.4 本章小结

结论与展望

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

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摘要

随着自然界环境逐渐恶化,国际海事组织对船舶柴油机NOx排放的标准越来越严格。SCR技术作为国内外公认最成熟有效的NOx排放控制技术,能够满足IMO TierⅢ排放法规要求,已广泛应用到船舶柴油机领域。本文在TierⅢ排放法规背景下,以某型船用柴油机为研究对象,采用CFD数值仿真的方法,对SCR系统的尿素溶液蒸发分解过程和催化还原过程进行研究,并从SCR系统流场、催化剂迎风面处NH3浓度分布均匀性及系统压降等角度,优化SCR系统结构,以满足SCR系统设计使用和NOx排放控制要求。
  本文首先以SCR蒸发混合器为研究对象,选用了两种静态混合器并构建其三维仿真计算模型,从蒸发混合器出口处速度均匀性、NH3浓度均匀性和压降等角度,研究不同类型静态混合器对尿素溶液蒸发分解过程的影响情况。仿真结果表明:静态混合器对出口处速度均匀性影响较小;导流板不规则布置的静态混合器2使出口处NH3浓度均匀性提高了8.2%;静态混合器使系统压降略微升高。
  其次,本文在SCR蒸发混合器基础上,以SCR系统整体为研究对象,从催化剂迎风面处速度均匀性和系统压降等角度,对整个SCR系统流场进行优化。在初始SCR系统的结构基础上,采取添加导流装置的方法优化流场,并讨论了导流装置结构外形、尺寸参数对流场分布的影响情况和优化效果。仿真结果表明:方案11的优化效果最好,并且在初始方案的基础上,催化剂迎风面处速度均匀性提高了16%,系统压降降低了419.5Pa。
  最后,本文以流场最优方案的仿真计算模型为研究对象,从NH3、NO、NO2等质量浓度沿程变化情况和不同负荷下脱硝效率等角度,对SCR催化还原过程进行相关研究。仿真结果表明:在SCR反应器内,SCR催化还原反应过程与实际情况基本一致;并且按照E3循环计算的NOx加权排放值为2.665g/kWh,满足TierⅢ排放法规要求。
  本文的研究成果可以为船舶低速柴油机高压SCR系统的设计优化提供参考,并为SCR系统进一步研究打下基石。

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