影响柴油机Urea-SCR催化器转化效率的因素分析

李旭南

(广西玉柴动力股份有限公司，广西 玉林 537000)



影响柴油机Urea-SCR催化器转化效率的因素分析

李旭南

(广西玉柴动力股份有限公司，广西 玉林 537000)

为了能够更好地分析影响SCR催化器氮氧化物转化效率的根本因素，笔者充分运用数值仿真与试验方法，对SCR催化器载体表面的催化还原反应进行分析与探讨，以期获得更多的内部化学反应信息，从而在设计与优化SCR催化器上提供有益的参考建议。

柴油机Urea-SCR系统；SCR催化器；转化效率；因素分析

因为柴油机工况复杂多变且在排气温度、尾气流量、污染物浓度等方面具有较大的波动性，因此，进一步做好车载SCR技术，确保SCR催化剂转化效率的稳定性具有十分重要的现实意义。

1 柴油机Urea-SCR系统

图1为某型号柴油机Urea-SCR后处理系统示意图，通过该结构示意图可以清楚看到，空压机和空气罐能够为压缩空气计量泵提供足够的空气，计量泵则发挥着对尿素溶液进行运送、控制喷射量的重要作用。在作业过程中，其基本流程为:电控单元在计量泵的控制下，将尿素从尿素泵中抽出，经加压、过滤、喷射等环节的处理，与压缩后的空气进行混合，后通过喷嘴直接喷入到排气管内。可将热电偶传感器分别布置在SCR催化的上游与下游位置，以此实施检测SCR催化器的温度，测量其是否得以发生反应。将Adblue传感器安装在尿素罐之上则是为了对尿素中的温度、质量、液位进行实时监测。将NOX、NH3传感器加装在SCR控制系统的前后端以此检测发动机在排放过程中NOX、NH3的浓度。

1.发动机 2.尿素罐 3.尿素液位传感器 4.压缩空气 5.空气泵 6.计量泵 7.喷射控制单元 8.仪表盘 9.NH3传感器 10、15.NOx传感器 11、16.温度传感器 12.SCR催化器 13.混合器 14.喷嘴图1 Urea-SCR后处理系统示意图Fig.1 Urea-SCR post-process system

2 SCR催化器CFD建模

众所周知，现如今SCR催化器的载体结构主要呈现出方形孔道蜂窝状，普通的SCR催化器所拥有的孔数大概在4 500～5 000。所以，如若模拟整个SCR催化器载体之内的化学反应过程，实际的计算量过于巨大。因此，笔者简化了计算所需模型，选择了SCR催化器载中单独一个孔作为建模基准，并且假设尾气在进入催化载体前期，就已经顺利完成了雾化过程，进行了均匀混合。

在CFD建模过程中，首先应该考虑的重要因素就是所造成的压力损失。催化器内所发生的催化还原反应以及发生催化还原反应过程中各个物质能量之间的转换，其基本参数如下:进气流量0.24 kg/s，在不考虑回流的前提下出口边界就是压力出口；进口气体组分别为:NOX=1 000*10-6，O2=10%，H2O=2%，CO2=8%，CO=5*10-6，N2为平衡气体；时间属性为稳态；化学反应模型主要层流有限速率模型。

3 模拟与试验计算结果

为了能够对建模本身的正确性进一步实施验证，从而制定出最为科学、合理的建模参数，笔者实施了发动机台架试验，表1为某试验发动机在空速40 000 h-1时试验工况所得的相关测试数据。

表1 试验工况

3.1 基于温度对SCR催化器转化效率所造成的影响

在对比表1中6种工况下所得的试验结果后，得出了催化器NOX的转换效率，如图2所示。通过对图2的分析可以得知，通过模拟计算与试验结果计算所得出的数值基本上一致，因此，化学反应机理被证明是正确的。所以，模型中的反应常数可以作为本次研究的基础参数，对SCR催化器实施进一步的研究与分析。因为在发动机尾气之中总氮氧化物含量90%都是NO，所以，在分析NOX转换效率时可以根据NO的浓度变换实行进一步的剖析，图3为NO浓度对比图。由图3可知，随着温度的不断变化，NOX的转换效率也相应发生着变化，即:温度高，催化剂的活性也就越高，转换的效率也就越高，反之亦然。同时，由图3还可得知，当温度升高至350℃时，SCR的转化效率也随之达到了巅峰状态，并且转化效率达到80%时所需要的时间仅为0.04 S。

图2 空速40000h-1时的试验、模拟结果比较Fig.2 The test, simulation results comparison when airspeed at 40 000 h-1

图3 NO浓度分布对比Fig.3 Comparison of NO concentration distribution

3.2 基于空速对SCR催化器转化效率所造成的影响

在对SCR催化器进行设计的过程中，要重点考量空速问题，这是因为其不仅是设计催化器过程中的一个重要参数，其同时也是催化器性能评价的一个重要指标。尤其是通过建模计算可以得知，当柴油机的排气温度高于350℃时，转换效率受到空速的影响较小，但当柴油机的实际排气温度低于350℃时，那么空速则会对转换效率产生十分巨大的影响。因此，为了有效提高转化效率，在低温作业条件下必须进一步增大催化器体积，从而减少NOX的排放量。

3.3 基于NO2对NOX的转化效率所造成的影响

正是因为总氮氧化物含量90%都是NO，所以，将尾气中的NO2体积分数进行加大则已经成为进一步提高低温特性的重要方法。结合上一节中的建模模型则可以计算出当温度为250℃时，NO2/NOX的体积比，从0%～100%时NOX的转化效率如图4所示。由图4可知，当NO2/NOX的体积比是1时，SCR催化剂的低温性能将被大大提高。

图4 空速40 000 h-1时NOX转化效率随NO2比例变化Fig.4 NOX conversion efficiency changes with the NO2 ratio when airspeed at 40 000 h-1

4 结语

SCR催化器的转化效率会受到温度的巨大影响，其中350℃是SCR催化器的最佳反应温度。在低温时，空速会对SCR催化器的转化效率产生影响，此时则应该进一步增大催化器体积，从而有效降低低温时对SCR催化器的转化效率所带来的影响。不断加大NO2浓度虽然会将SCR催化器的转换效率有所提高，但为了获得最大效果，还必须要将NO2/NOX的体积比控制在50%以内。

[1] 辛喆，张寅，王顺喜，等.柴油机Urea-SCR催化器转化效率影响因素研究[J].农业机械学报，2011，42(09):30-34.

[2] 焦运景，纪晓静，纪丽伟.柴油机Urea-SCR系统NOx转化效率影响因素研究[J].柴油机设计与制造，2015，(02):16-19.

Analysis of factors affecting the conversion efficiency of diesel engine Urea-SCR catalyst

LI Xu-nan

(Guangxi Yuchai Power Co., Ltd., Yulin 537000, China)

In order to better analyze the fundamental factors influencing the nitrogen oxide conversion efficiency of SCR catalyst, the author fully uses the numerical simulation and test method to analyze and discuss the catalytic reduction of SCR catalyst carrier surface in order to obtain more internal chemical reaction information, so as to provide useful reference recommendations to the design and optimization of SCR catalyst.

Diesel engine Urea-SCR system; SCR catalyst; Conversion efficiency; Factor analysis

2017-02-21

李旭南(1984-)，男，本科，助理工程师。

TK421

A

1674-8646(2017)10-0092-02