Modeling of deposit formation in SCR-systems

Abstract

Die Verschärfung der Grenzwerte für Stickoxidemissionen forciert die Weiterentwicklung von Abgasnachbehandlungssystemen mit selektiver katalytischer Reduktion. Von besonderem Interesse ist die langfristige Zuverlässigkeit von SCR-Systemen in Bezug auf ungünstige Betriebsbedingungen, wie hohe Einspritzraten der Harnstoff-Wasser-Lösung oder niedrige Abgastemperaturen. Beides kann zur Bildung von Feststoffablagerungen führen, die die Systemeffizienz durch Erhöhung des Abgasgegendrucks verringern und die Ammoniakbildung beeinträchtigen. Eine verlässliche, numerische Vorhersage der Ablagerungsbildung in SCR Systemen ist für die Optimierung des Systemdesigns wünschenswert. Jedoch stellt die umfassende Modellierung physikalischer und chemischer Prozesse im Auspuffrohr sowie deren unterschiedlichen Zeitskalen eine anspruchsvolle Aufgabe dar.Um den erforderlichen numerischen Ansatz zu entwickeln, werden detaillierte experimentelle und numerische Untersuchungen zu reaktiven, mehrphasigen Strömungen in SCR Systemen durchgeführt. Die wichtigsten Prozesse der Ablagerungsbildung werden unter einem breiten Spektrum realistischer Betriebsbedingungen, mit Hilfe einer optischen Box mit hitzebeständigem Glas, untersucht. Die gewonnenen experimentellen Daten ermöglichen ein besseres Verständnis des Sprayimpingments, der Wärmeübertragung beim Aufprall, der Bildung und Ausbreitung des Flüssigkeitsfilms und des Wachstums der festen Ablagerungen. Darüber hinaus werden die experimentellen Ergebnisse verwendet, um die relevanten numerischen Teilmodelle zu validieren und zu erweitern. Das daraus resultierende Simulationsmodell wird mit einem neuen Quellterm-Ansatz kombiniert, um die Simulationslaufzeit zu reduzieren.Die erhebliche Beschleunigung der CFD-Modellierung wird ermöglichten, mehrere Minuten eines Experiments in einer Simulation zu modellieren und damit die chemischen Reaktionen der Ablagerungsbildung zu berücksichtigen. Zwei unterschiedliche aus der Literatur bekannte Modellierungsansätze werden angepasst und in den CFD-Code integriert, um die Bildung von festen Ablagerungen aus Wandfilmen vorherzusagen. Die Simulationsergebnisse müssen hinsichtlich der Lage und Zusammensetzung der Ablagerungen mit den experimentellen Daten übereinstimmen.Die Arbeit wird auch eine Modellierungsmethodik für gestrickte WM-Substrate umfassen, die für ihr großes Potenzial zur Verringerung des Risikos der Ablagerungsbildung in SCR Systemen bekannt sind. Wesentliche Prozesse der Spray/WM-Interaktion, wie sekundäre Tröpfchenerzeugung, Wandfilmbildung und Wärmeaustausch, werden detailliert analysiert. Infolge wird ein numerisches Modell erstellt. Das Modell muss anhand von Messdaten validiert werden.

The permanently tightening emission regulations for nitrogen oxides pollutants force further development of mobile exhaust aftertreatment systems with selective catalytic reduction (SCR). Of particular interest is the long-term reliability of SCR systems with regard to unfavorable operating conditions, such as high injection rates of urea water solution (UWS) or low exhaust gas temperatures. Both may lead to the formation of solid deposits, which decrease system efficiency by increasing back pressure and impairing ammonia formation. A reliable numerical prediction of deposit formation in urea SCR systems is desired for the optimization of system design. However, comprehensive modeling of physical and chemical processes in the tailpipe, as well as the different time scale of involved phenomena, represents a challenging task.To develop the required numerical approach, detailed experimental and numerical research on multiphase, reacting flows in SCR systems should be performed. The most relevant processes of deposit formation should be investigated at a wide range of realistic operating conditions using an optical box with heat-resistant glass inserted in the exhaust line of a diesel engine. The obtained experimental data will provide a better understanding of spray/wall interaction, impingement heat transfer, the formation and propagation of liquid film, and the growth of solid deposits. Further, the experimental results will be used to validate and extend the relevant numerical sub-models. The resulting simulation model should be combined with a new source term approach to reduce the simulation run time.The considerable speed-up of the Computational Fluid Dynamic (CFD) modeling should made it possible to simulate several minutes of an experiment and thus take chemical reactions of deposit formation into account. Two different modeling approaches known from the literature will be adapted to be integrated into the CFD code to predict solid by-product formation from wall films. The simulation results should be in good agreement with the experimental data from the test bench regarding the position and composition of the deposits.The work will also include a modeling methodology for knitted wire mesh (WM) substrates, known for their great potential to reduce the deposit formation risk in SCR systems. Essential processes of spray/WM interaction, such as secondary droplet generation, wall film formation, and heat exchange, will be analyzed in detail. A numerical model derived from basic measurements will be set up in the following. The model should be validated against experimental data