摘 要

为了缓解NO_x排放对环境的污染问题，船舶柴油机TireⅢ排放法规相继在全球范围内实施，选择性催化还原（SCR）被公认为是目前最有前景的脱硝方案。催化器作为SCR系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到SCR系统的脱硝效率，因此，SCR催化器的选型设计成为SCR技术的研究重点，本文针对某二冲程柴油机的SCR催化器选型设计做了如下研究：

（1）分析了发生在SCR催化器内部的选择性催化还原反应机理；

（2）基于以上的反应机理，总结SCR催化器选型的关键因素以及催化器的性能评价指标；

（3）结合柴油机的机内排放水平，对SCR催化器开展选型设计研究，重点研究了催化剂的活性成分、载体尺寸和催化器的封装相关参数等。

通过以上研究，选取了V₂0₅-W0₃/Ti0₂作为催化剂的活性成分和涂层，选取蜂窝状堇青石作为载体，载体长度为1m，催化剂层数为2层，截面积为2.46m²,孔密度为40×40孔等。

选择不同的的催化器进出口端面锥角，进行催化器内部流场分布的仿真分析，仿真结果表明：在柴油机100%负荷下，进(排)气管锥角越小，催化器内部流场分布越均匀。

关键词：船舶柴油机；SCR系统；催化器选型设计；仿真分析

Abstract

In order to alleviate the NO_x emission of environmental pollution, diesel engine TireⅢ emission regulations one after another on a global scale, SCR is recognized as the most promising denitration scheme at present, catalytic converter is an important part of SCR system. Therefore, the selection design of the SCR catalytic converter has bean the research focus of SCR system. In the paper, I did the following research:

（1）The mechanism of selective catalytic reduction occurring inside the SCR catalyst is analyzed;

（2）Based on the above reaction mechanism, key factors of selection of SCR catalytic converter and performance evaluation indexes are summarized;

（3）Combine with the output of the diesel engine, the structure design of SCR catalyst was carried out, and the catalyst and shell parts were emphatically studied.

Based on the above studies, V₂O₅-WO₃ /TiO₂ was selected as the active component and coating of catalytic converter, and honeycomb cordierite was selected as the carrier, with a carrier length of 1m, a quantity of 2, a cross-sectional area of 2.46m², and a pore density of 40×40 holes.

Different cone angles at the inlet and the outlet of the catalyst were selected for simulation analysis of the flow field distribution in the catalyst. The simulation results show that the smaller the exhaust air pipe cone angle at 100% load of the diesel engine, the flow field distribution in the catalyst the more uniform.

Key Words: Marine diesel engine; SCR system; Catalyst selection design; Modeling and simulation

目录

第一章 绪论 7

1.1 背景 7

1.1.1 船舶造成的大气污染 7

1.1.2 排放法规的要求 7

1.1.3 柴油机排放控制技术 8

1.1.3.1 机内控制技术 8

1.1.3.2 机外后处理技术 8

1.1.4 研究意义 9

1.2 船用SCR催化器的研究现状 9

1.2.1 国外研究现状 9

1.2.2 国内研究现状 10

1.3 主要研究内容 11

第二章 SCR反应器的关键参数 12

2.1 SCR催化器内主要的化学反应 12

2.2 SCR反应机理和过程 13

2.3 影响催化器性能的关键因素 14

2.4 反应器性能评价指标 14

2.5 本章小结 15

第三章SCR催化器选型设计 16

3.1 催化器的设计要求 17

3.2 催化器总体设计思路 17

3.3 SCR催化剂的选型 18

3.3.1 SCR催化剂技术要求 18

3.3.2 催化剂的介绍 19

3.3.2.1催化剂分类 19

3.3.2.2催化剂活性成分 20

3.4 载体的介绍及尺寸设计 20

3.4.1 载体的介绍 20

3.4.2 载体尺寸设计 20

3.5 SCR催化器的封装设计 21

3.5.1 封装主体设计 22

3.5.2 管路设计 22

3.6 SCR催化器结构尺寸的初步确立 23

3.7 本章小结 23

第四章 SCR系统三维模型的建立以及数值模拟 24

4.1 数值模拟 24

4.1.1 Fluent软件的介绍 24

4.1.2 Fluent计算流程 24

4.2 仿真条件的假设与设置 24

4.2.1假设条件 24

4.2.2 基本守恒方程 25

4.2.3 湍流模型 25

4.2.4 多孔介质模型 26

4.2.5 边界条件的设定 27

4.3 催化器内部流场分析 27

4.3.1气体流速分析 27

4.3.2气体压力分析 30

4.4 催化器模型的建立 31

4.5 本章小结 32

第五章 总结与展望 33

5.1 本文总结 33

5.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

第一章 绪论

1.1 背景

1.1.1 船舶造成的大气污染

根据数据显示，在当今的国际贸易中，船舶的承担运输量超过80%。柴油机因其具有可靠性高、功率范围广和使用寿命长等优点，受到船舶行业的青睐。据统计，截止2018年2月，全球具有国际航行能力的船舶为79753艘，具有AIS船位的月活跃船舶37.89万艘^[1]。随着国际航运越来越频繁，船舶排放的废气引起的全球环境问题已经被人们所重视。

由于船舶柴油机的常用燃料一般为重柴油，重柴油成分要比轻柴油复杂的多，其燃烧生成物中有害物更多，污染性更大。在欧洲的主要港口地区，船舶的废气排放成为当地主要的污染源，个别地区污染比例甚至高达30%-40%。