柴油机Urea-SCR系统NOx转化效率影响因素研究



柴油机Urea-SCR系统NOx转化效率影响因素研究

焦运景1,2,3，纪晓静1，纪丽伟1

（1.上海柴油机股份有限公司，上海200438；

2.天津大学机械工程学院，天津300072；

3.北华航天工业学院，廊坊0650003）

摘要概述了尿素选择性催化还原（Urea-SCR）技术的机理及其基本化学反应。在发动机台架试验的基础上，应用数值计算软件，针对发动机不同工况进行了数值计算,详细分析研究了氨氮比、排气温度及空速对催化转化效率的影响。通过数值计算，得出氨氮比的变化对氮氧化物（NOx）转化效率的影响规律，可快速确定柴油机指定工况下的NOx最大转化效率，将氨泄漏量控制在最低范围内；随着排气温度升高，NOx转化效率呈先升高后下降的趋势；随着空速的增大，转化效率有所降低，且变化程度随着排温的变化而有所不同。。

关键词：柴油机氮氧化物选择性催化还原转化率

来稿日期：2015-05-18上海市博士后科研资助计划资助，项目编号：14R21420600；河北省自然科学基金资助，项目编号：E2015409022；廊坊市科技支撑计划项目，项目编号：2014011054

1　引言

面对日益严格的柴油机排放法规，尤其是欧Ⅴ排放标准对NOx的排放限值又有大幅度降低，要求NOx排放限值由欧Ⅳ的3.5 g/(kW·h)降到2.0 g/(kW·h)。柴油机的主要污染物为碳烟微粒和NOx，因二者之间存在此消彼长的关系，仅通过优化缸内燃烧无法实现同时降低碳烟和NOx。与缸内燃烧优化相结合的柴油机后处理技术是解决这一难题的有效途径。其中尿素选择性催化还原（Urea-SCR）技术，因其具有高效率、高选择性、高经济性、耐硫等优点是公认的未来柴油机排放升级降低NOx排放的关键技术[1-3]。

2　Urea- SCR系统工作原理及基本化学反应

NH3-SCR脱除柴油机排气中NOx的反应是一种气－固非均相催化反应。其反应机理的研究及数学模型的建立，是提高SCR催化转化效率、优化转化器设计并进行运行分析的基础。

2.1 Urea-SCR系统工作原理

Urea-SCR系统是控制柴油机排放后处理的一种装置，其示意图如图1所示。它是将浓度为32.5%尿素水溶液喷射到排气管中，尿素水溶液在排气高温下分解为氨气和二氧化碳，氨气在催化剂的作用下，与NOx发生还原反应，将NOx还原为无害的氮气和水，从而降低柴油机的NOx排放。

图1　SCR系统原理示意图

2.2基本化学反应[2]

2.2.1氨气的生成

尿素水溶液喷射进排气管后，在排气管和催化转化器中，尿素水溶液首先蒸发析出尿素颗粒，通过尿素热解反应，生成了等摩尔的氨气和异氰酸：

异氰酸进一步发生水解反应：

2.2.2 NOx的催化还原反应标准SCR反应：

快速SCR反应：

反应式（3）和（4）是NOx的催化还原反应中的主要反应，在NH3选择性还原NOx的同时，同样会发生如下副反应：

在柴油机的尾气排放中，NOx以NO为主，NO通常占NOx含量的85%~95%。因此在NOx的催化还原反应式（3）是最主要的反应，但是反应式（4）的反应优先级比式（3）高，废气中的NO2和一部分NO能够通过反应式（4）快速被消除。经过反应式（3）和（4）的反应，大部分的NOx被转化为无害的N2和H2O。

3　Urea- SCR系统一维数值计算

一维计算忽略了径向流量、组分浓度、壁面传热梯度，计算省时；在验证模型可靠的基础上，可以对SCR催化器进行广泛的变参数模拟计算，研究催化转化器的性能，分析不同参数对催化转化效率的影响。

3.1 SCR试验系统介绍

本文以上柴公司的6114车用柴油机的后处理系统为研究对象，在试验的基础上，对影响SCR催化转化率的主要因素进行详细分析，旨在优化后处理系统，提高其转化效率。所用催化剂主要结构参数如表1所示。

表1　催化剂主要结构参数表

由于柴油机的每一工况都对应特定的排气温度和排气流量，因此，柴油机工况决定了SCR催化器的反应温度和反应时间。为确定模拟计算条件，在发动机台架测量了ESC工况下柴油机排温和空速范围。排放测试按新排放13工况测试标准来进行。在13工况中，不考虑第1个怠速工况。图2和图3分别为不同工况下的排温分布和空速分布。

由图2和图3可知，在不考虑怠速工况的情况下，ESC工况的排温在280℃~510℃之间，空速范围在13 000 h-1~36 000 h-1范围内。

3.2计算模型的建立及模型验证

图2　ESC工况下排温分布

图3　ESC工况下空速分布

图4　催化转化器模型

图4为SCR催化器在BOOST软件的一维仿真模型。该模型主要包括3部分，第1部分是入口边界条件，需要定义入口温度、进气流量，各气体成分的浓度等。由于模型中不包括尿素的喷雾模型，所以入口的气体成分中，要输入相应工况下，尿素分解的HCNO和NH3的浓度。假设尿素全部蒸发，热解反应完全，理论上全部转化成了HCNO和NH3。第2部分定义催化器的物理特性以及化学反应速率参数。催化器物理特性包括催化器尺寸和密度，多孔载体的孔密度、质量热容及导热系数；化学反应速率的参数包括活化能和频率因子，校准化学模型的过程即是确定反应速率参数的过程。模型第3部分为出口条件，定义出口的压力、温度和排气成分。

图5为稳态工况下催化转化效率计算值与试验值的比较。由图5可知，在ESC工况下，试验值和计算值的整体趋势是一致的。工况2、8、10这3个工况时的计算值和试验值的误差是最小的，相对误差<4%，主要是因为这3个工况为3个不同转速时的全负荷工况；相对误差最大的工况为工况5、7和工况11，这3个工况为不同转速下的部分负荷工况；工况5和工况7分别为A转速下的50%负荷工况、25%负荷工况，工况11为C转速下的25%负荷。最大误差值低于10%。

图5　ESC工况下催化转化效率计算值与试验值

4　转换效率影响因素研究

4.1氨氮比对催化器转化效率的影响

氨氮比（即n(NH3)/n(NOx)）是SCR运行中一个非常重要的指标。一方面氨氮比对NOx转化率有较大影响，另一方面氨氮比直接决定还原剂NH3的用量。本计算在排气流量和排温一定的情况下，研究氨氮比对催化器转化效率的影响，可为尿素喷射量的控制提供理论支持。图6为不同氨氮比对催化器转化效

率的影响。总体趋势为随着氨氮比的提高，NOx催化转化效率提高。在低温条件下，NOx转化率随着氨氮比的增加趋于定值。如图中排温为310℃时，氨氮比为0.8时，其催化转化效率达到最高值67.6%。当NH3供给量超过这个临界点，将会使得NH3来不及反应而造成泄漏。当温度为370℃和430℃时，氨氮比接近1时达到最大值。高温时，NO转化率基本上与NSR成正比。当温度接近500℃时，如图中490℃和520℃，当氨氮比为1时，其NOx催化转化率明显低于370℃和430℃时的转化率；但从图中可以看出随着氨氮比的升高，NOx催化转化率一直处于缓慢上升状态。通过一维数值计算，可以快速确定柴油机指定工况下的最大转化率，将氨泄漏量控制在最低范围内。

图6　氨氮比对催化器转化效率的影响

4.2排气温度对催化器NOx转化效率的影响

图7为在氨氮比=1的条件下，空速范围为20 000 h-1~36 000 h-1，不同排气温度对催化器NOx转化效率的影响。由图可知，随着排气温度升高，NOx转化率呈先升高后下降的趋势。当温度小于400℃时，NOx转化率随着温度增加而增大，在400℃~425℃时达到最大值，分别为96.67%、93.43%和90.92%。主要原因在于，排气温度升高，NH3加速生成，且催化剂活性增强，NH3和NOx反应速率提高，相同情况下NOx转化率和NH3利用率提高。而当温度大于425℃时，随着排气温度的继续升高，NOx转化率降低。这主要是由于随着排气温度的升高，催化器入口处氨气的均匀性有所降低，同时高温下催化器内SCR反应速率有所减低，且容易发生氨气的氧化，所以NOx转化效率降低。可见，排气温度太低或者太高都会导致NOx转化率降低；排温太低还会导致NH3排放大幅升高，使尿素经济性下降，这和James Girard等人的发现是一致的[4-5]。

图7　排气温度对催化器转化效率的影响

图8为氨氮比=l、空速为30 000 h-1的条件下，不同排温下NOx转化率与反应时间的关系图。由图8可知，温度越高，SCR的初始反应速度越快，NH3与NO完全反应所需的时间越短。当排气温度低于300℃时，反应速度慢，且转化率低下，难以达到起燃特性要求。当排气温度高于370℃时，其反应速率大大提高，10 s内，就可达到起燃特性要求，20 s内，基本实现完全反应。由图中还可以发现一个现象，当排温大于460℃时，20 s内，转化效率达到最大值；但随着反应时间的增长，催化转化效率开始降低。这主要是由于过高的排温，使NH3发生了氧化反应，再次生成NOx化合物，使得催化转化率降低。当温度超过460℃后，温度越高，则随时间的增长，NOx催化转化率回落得越多。

图8　不同排温下NOx转化率与反应时间的关系

4.3不同尾气流速对催化器转化效率的影响

空速是根据柴油机排气后处理装置技术要求和试验方法对空速定义，指的是在温度为25℃和压力为100 kPa的标准状态下，排气容积流量（L/h）与催化剂载体容积（L）之比值。空速大小也是影响NOx催化转化率的重要因素。如果催化剂在较大的空速情况下仍然有较好的NOx催化转化性能，则可以减少催化剂用量，节约催化剂成本。

在氨氮比=1和特定的温度下，研究排气空速对催化器转化效率的影响，如图9所示。由图9可知，在低空速比的情况下，NOx催化转化率比较高，随着空速比的增加，NOx催化转化率降低。这主要是由于在相同的氨氮比及排气温度下，排气空速提高，虽然较快气流的速度会使催化剂颗粒表面的层流层变薄，提高气体的扩散性能，但NOx在SCR催化器中与NH3的反应时间缩短，所以NOx转化率随空速增大呈线性下降。由图9还可得出，当温度低于350℃时，随着空速的提高，NOx催化转化率几乎呈线性下降，说明在低温时，NOx催化转化率受空速的影响较大；当温度增大到一定程度后，空速的大小对转化率的影响变小。如图9所示，当温度在350℃~500℃之间时，其NOx催化转化率随空速的增大下降缓慢，NOx转化率的最大值与最小值差值在10%范围内。

5　小结

在试验的基础上，建立发动机催化还原后处理的一维计算模型，

图9　排气空速对催化器转化效率的影响

（1）随着氨氮比的提高，NOx催化转化效率提高；低温下，NOx转化率随着氨氮比的增加趋于定值，当NH3供给量超过这个临界值时，NH3泄漏将迅速增加。通过一维数值计算，可以快速确定柴油机指定工况下的最大转化率，将氨泄漏量控制在最低范围内。

（2）温度越高，SCR的初始反应速度越快，NH3与NO完全反应所需的时间越短，但过高的排温，使NH3发生了氧化反应，再次生成NOx化合物，使得催化转化率随着排温的继续升高而发生回落。因而随着排气温度升高，NOx转化率呈先升高后下降的趋势。

（3）在低空速比的情况下，NOx催化转化率比较高，随着空速比的增加，NOx催化转化率降低。低温时，NOx催化转化率几乎呈线性下降，当温度增大到一定程度后，空速的大小对转化率的影响变小。

参考文献

[1]中研普华报道：SCR将是未来国内柴油机排放升级主要技术方向[EB/OL]. [2013-11-06].中国行业研究网：http://www.chinairn. com/news/20131106/160042729.html.

[2] Helden R, Verbeek R, Willems F. Optimization of Urea SCR deNOxSystems for HD Diesel Engines [C]. SAE 2004-01-0154.

[3]董尧清，吴乐欣，刘永祥等.中重型车用柴油机实施欧Ⅳ排放的技术路径[J].汽车技术，2007（3）：1-4.

[4] Girard J, Snow R, Cavataio G, et al. The Influence of Ammonia to NOx Ratio on SCR Performance [C]. SAE 2007-01-1581.

[5] Lee J S, Baik D S, Lee S W. Evaluation of SCR System in Heavy-Duty Diesel Engine[C]. SAE 2008-01-1320.

Study on Influence Factors of NOConversion Efficiency of Diesel Urea-SCR System

Jiao Yunjing1,2,3, Ji Xiaojing1, Ji Liwei1

（1. Shanghai Diesel Engine Co. Ltd, Shanghai 200438, China;

2. Mechanical institute, Tianjin university, Tianjin 300072, China;

3. North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, China）

Abstract:This paper provides an overview of the mechanism of urea selective catalytic reduction (Urea-SCR) technology and the basic chemical reactions. Based on bench test, numerical calculation in different engine operating conditions is carried out. The effect of exhaust temperature, ammonia ratio and space velocity on conversion efficiency is studied through numerical simulation software. With the numerical calculation, the effect of ammonia ratio on de-NOxrate is obtained, with which the maximum conversion rate in specified conditions of diesel engine can be quickly determined to control the ammonia leakage in the lowest range. NOxconversion rate increases at first and then declines with exhaust temperature rising. The conversion efficiency reduces with the increase of space velocity and changes with exhaust temperature.

Key words:diesel engine, nitrogen oxides, selective catalytic reduction, conversion rate

作者简介：焦运景(1971-)，女，博士，研究方向为内燃机工作过程与排放控制。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.004