船用柴油机Urea-SCR系统喷雾特性试验研究
马哲树，刘吉财，刘少俊，陈苏蓉，侯小宇
【摘 要】针对某型柴油机满足IMO Tier III标准的要求，设计了两种(内混式和外混式)双流体喷嘴，并自行搭建了喷嘴雾化性能的试验台.对内混式和外混式两种喷嘴在不同的气体压力、液体流量、喷孔数量下的雾化特性进行了大量的试验研究.结果表明:随着气体压力的增大，雾化均匀性变差，当气体压力在0.3～0.4 MPa时，雾化均匀性最好;随着被雾化液体流量的增加，雾化的分布更加均匀;当喷孔数目为4个时，喷雾分布均匀性最好.综合两种双流体喷嘴的雾化特性，外混式双流体喷嘴的雾化锥角更大，雾炬更饱满. 【期刊名称】江苏科技大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2015(029)006 【总页数】4
【关键词】船用柴油机;SCR;双流体喷嘴;雾化
为了达到Tier III的排放标准［1］，世界上许多国家都在研究NOX排放的控制技术［2］，如代用燃料、进气加湿、改进喷油器结构、废气再循环、非选择性催化还原(NSCR)以及选择性催化还原(SCR).研究发现，SCR技术是目前唯一能够满足Tier III标准的潜在技术［3］.
SCR系统结构主要由喷射系统、催化反应系统及控制系统构成［4］.喷射系统决定着整个SCR系统的效率，喷入的尿素溶液雾化程度越好，反应越充分，降低NOX的效果越好.因此，喷射系统是整个SCR系统的核心，而喷嘴是其喷射系统的关键部件，决定了雾化效果的好坏.文献［5］中针对Urea-SCR系统的NOX转化效率容易受到排气温度的影响开发了一种新型的带有电加热装置的尿
素喷射装置，提高了低排气温度下Urea的分解效率.试验结果表明，在200℃的排气温度下NOX的转化效率依然接近100%.文献［6］中通过CFD模拟还原剂与排气的混合特性，优化了还原剂浓度的分布，从而实现了对Urea-SCR系统的优化设计.文献［7］中对重型柴油机Urea-SCR系统内部的尿素蒸发、热解及水解过程进行了CFD模拟，模拟中主要考虑了多相流模型和催化还原反应模型，结果表明:管壁的撞击作用及流场中的涡流有助于加强尿素液滴的蒸发、分解及混合.
文中针对某型柴油机的排气特性，按照Tier III排放标准设计了SCR系统及相匹配的两种双流体喷嘴(分别为内混式和外混式)，并在自行搭建的试验台上对两种双流体喷嘴的雾化特性进行了大量的试验研究，得到了两种喷嘴在不同的气体压力、液体流量、喷孔数量下的雾化锥角、雾炬及均匀性分布等，可为进一步发展面向该型柴油机的SCR系统提供依据.
1 双流体喷嘴设计
依据柴油机的主机参数、排放数据以及IMO Tier III标准的排放限值可计算出SCR系统单位时间的NOX脱除量，表1为主机参数［8］.
由于NH3具有强烈的刺激性气味，储存及运输不便，在研究中采用质量浓度为32.5%的尿素水溶液作为还原剂，其中尿素溶液的分解反应及催化还原反应为:
根据尿素水溶液的分解反应及催化还原反应方程式可计算得到所需的尿素溶液的喷射量.
1.1 外混式双流体喷嘴结构及工作原理
外混式双流体喷嘴的结构见图1.喷嘴包括内外两层通道，尿素溶液由内层通道
注入，压缩空气由外层通道进入.在液体出口处设置倒角，增大液体出口孔径，形成锥形，并在液体出口孔径的外围设置小的环隙，小的环隙与外层通道相通，压缩空气由小的环隙高速喷出，利用高压空气的喷散作用，以较高的速度夹带着液体喷出，使液体雾化为细小的喷雾液滴. 1.2 内混式双流体喷嘴结构及工作原理
内混式双流体喷嘴的结构见图2.由于外混式双流体喷嘴要使雾化浆滴达到较小的粒径需要较大的气液比，为了改善雾化质量，减小雾化能耗，对外混式喷嘴进行了改进设计，提出了内混式双流体喷嘴.在接近出口的地方增加小孔，使部分的高压空气预先混合，这样增加了气液均匀性，形成气液两相流，最后混合的液体以高速喷出喷口，实现一次雾化，其余的气体由环隙喷出去，在喷嘴处和液体相互碰撞，然后形成小的液滴，形成二次雾化.
2 试验系统
试验台主要包括雾化介质管路、压缩空气管路和测试系统3个部分(图3).与大气接通的水箱为试验系统提供相应流量的雾化介质.压缩空气管路中，空气压缩机产生压缩空气，玻璃转子流量计测定空气流量，再由压力变送器设定所需的空气压力，从而实现为总系统提供所需要的气体流量;喷雾的均匀性反映了液体从喷嘴喷出后在径向位置上的液体分布量的变化情况，液体分布量沿径向的变化越大，则均匀性较差，液体分布量沿径向的变化越小，则表示喷雾的均匀性越好.液体分布量则是由喷嘴下方的并排离心管收集，然后由量筒配合测量不同径向位置处的液体收集量，作出液体分布量与径向距离的折线图，从而可以依据折线图对喷雾的均匀性进行分析.
通过不同轴向和径向距离下喷雾分布的均匀性来评价雾化效果.对不同轴向距离
船用柴油机Urea-SCR系统喷雾特性试验研究
