基于尿素热解的柴油车尾气净化装置的设计研究*

刘存山

(东莞职业技术学院，广东 东莞 523808)

0 引言

近几年来,随着汽车保有量的不断增加(2010年我国汽车保有量已突破1亿辆)、能源的日益枯竭以及环境的日益恶化,我国的雾霾问题越来越严重。目前，我国柴油车保有量的比重仍在快速增长，控制柴油车的排放已到了刻不容缓的地步，积极研究开发符合环保要求的低排放、低污染柴油车是市场的必然趋势。

柴油车排气控制方法一般可分为机内净化和机外净化。前者主要指改善燃油和优化发动机设计与创新；后者是指在废气排空前进行净化处理。实际上后者是主要的有效净化方法。现有柴油车尾气净化器基本上都采用催化剂净化的模式，而且多数的柴油车尾气净化器只能进行单一净化，不能对尾气进行多效的全面净化处理[1]。本文的主要目的在于克服现有技术的不足与缺点，研究一种基于尿素热解的柴油车尾气净化方法以及净化装置，使其可大幅抑制NOx等多数有害气体的排放。

1 基于尿素热解的柴油车尾气净化装置的净化原理

由于柴油车尾气排放的有害成分中碳烟微粒(PM)和NOx相对较高，HC和CO的排放相对较少，所以在设计柴油车尾气净化器时需重点考虑碳烟微粒(PM)和NOx的净化模块。本文设计的主要净化模块有：①净化碳烟微粒(PM)的模块：直流/侧流式热反应器；②净化NOx的模块：文丘里管式的EGR装置[2]、干粉尿素喷射器(SCR)、催化转化器；③净化HC和CO的模块：二次空气供给+直流式热反应器、催化转化器。在基于尿素热解的柴油车尾气净化装置中,干粉尿素SCR装置的设计是关键。

1.1 尿素SCR净化NOx原理

1.1.1 尿素的热解

尿素在排气管中需要分解为NH3，然后NH3再与排气管中的NOx发生氧化还原反应。尿素干粉的热解主要分以下三步[3]：

(1) 尿素干粉加热，变成固态或熔融态：

(NH2)2CO(aqueous)→(NH2)2CO(molten)+xH2O.

(2) 尿素分解成等量的NH3和HNCO：

(NH2)2CO(molten)→NH3+HNCO.

(3) 气态时的HNCO比较稳定，但在SCR气化室中比较容易水解成NH3和CO2：

HNCO+H2O→NH+CO2.

1.1.2 尿素热解后净化NOx的原理

柴油机在工作时，干粉尿素热解后生成的NH3喷射到SCR装置中会发生以下两个反应[4]：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O.

(1)

2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O.

(2)

由于柴油机排气中的NO占NOx的90%左右，所以方程式(1)为SCR内进行的主要反应，反应过程中NH3与NO以1∶1的比例发生化学反应，随后NO被净化生成水和氮气。其次SCR内的NO、NO2也可同时与NH3发生化学反应，它们的化学计量比为2∶1∶1(如方程式(2)所示)，NO、NO2被净化后同样会生成干净的水和氮气。

1.2 EGR净化NOx原理

废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation)简称EGR，是将柴油机或汽油机产生的废气的一小部分再送回气缸。再循环废气由于具有惰性将会延缓燃烧过程，也就是说燃烧速度将会放慢从而导致燃烧室中的压力形成过程放慢，这就是氮氧化合物会减少的主要原因[5]。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量(mass flow)减少，因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。

1.3 二次空气供给净化CO、HC原理

二次空气供给净化CO、HC的工作原理是将新鲜空气送入发动机排气管内，从而使尾气中的HC和CO进一步氧化和燃烧，即把导入空气中的氧在排气管内与排气中的HC和CO进一步化合形成水蒸气和二氧化碳，从而降低了排气中的HC和CO的排放量[6]。

1.4 催化转化器氧化还原NOx、CO、HC原理

催化转化器主要利用催化剂使汽车排气中的CO、HC、NOx相互之间发生氧化还原反应生产无害的CO2、H2O、N2。催化转化器为三效催化转化器[7]，通常其外部为不锈钢壳体，内部为贵金属铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)制成的蜂窝状催化剂载体。

1.5 侧流式、直流式热反应器净化PM和CO、HC原理

首先，含有大量碳烟微粒的柴油车尾气经排气管直接进到本文研究的净化器中，通过侧流式热反应器上的侧流孔将粒径较大的碳烟微粒滤掉除去，粒径较小的微粒会随着高温条件下的热降解而大部分除去。侧流式热反应器还可氧化除去排气中部分的HC和CO；然后，尾气进入直流式热反应器，通过热反应器导流板上设置的吸附孔可以将排气中的碳烟微粒吸附而除去。同时平行设置的导流板可对经过EGR和二次空气供给装置后的排气进行整流，使其均匀地进入下一个净化模块，增加催化器的排气净化作用[8]。

2 基于尿素热解的柴油车尾气净化装置结构设计

2.1 净化装置总体设计

基于上述净化原理设计的柴油车尾气净化装置由套筒、侧流式热反应器、EGR(排气再循环)和二次空气供给装置、直流式热反应器和金属蜂窝载体催化器以及尿素干粉热解SCR六个模块组成。其中，侧流式热反应器、EGR和二次空气供给装置、直流式热反应器和金属蜂窝载体催化器、尿素干粉热解和等离子净化5个净化模块依次连接，均设置于套筒内。

基于尿素热解的柴油车尾气净化装置整体结构如图1所示。套筒1具有进气端11、排气端12及连接进气端11和排气端12的内部排气通道。套筒1的进气端11通过法兰盘固定连接到柴油车的排气管上，排气端12设有后端盖给予保护及稳固套筒1内的部件。侧流式热反应器2对进气端11输入的尾气净化除去部分HC和CO。金属蜂窝载体催化器5设置在套筒1的排气端，可增加有害尾气成分的活性，使其在较低的温度条件下发生氧化还原反应而被除去。二次空气供给装置3是将排气再循环技术和二次空气供给技术结合在一起的文丘里管式二次空气供给装置，套筒1的周壁上设有配合二次空气供给装置3工作的进气孔13,进气孔13根据需要在套筒一周上均匀设置。直流式热反应器4设有若干块具有吸附能力的导流板42，导流板42由振动马达41驱动而达到自身的共振。尿素干粉热解模块7将粉末状尿素热解成NH3和CO2并间歇性喷入套筒1的排气通道，对尾气进行还原，使其生成N2和O2等无害气体。净化装置可实现对柴油车排气中的CO、HC、NOx、碳烟微粒等多种有害气体成分的协调净化处理，达到全面高效的复合式净化处理。

2.2 尿素干粉热解的原理设计

尿素干粉热解模块处于排气管中后端，其控制电磁阀采用直流24 V电压，干粉尿素喷射装置示意图如图2所示。尿素干粉热解模块7具有便于尿素干粉置放的添加盒72及将粉末状尿素热解成NH3和CO2的气化室76，添加盒72与气化室76之间通过可通断的电磁阀连接，气化室76具有喷射开关761，该喷射开关761连接到套筒1的排气通道。添加盒72与气化室76之间有主电磁阀73和喷射电磁阀74串联连接，并在主电磁阀73和喷射电磁阀74之间的管道中设置负压系统，该负压系统具有吹气电磁阀71和抽负压电磁阀75。喷射开关761是一气压阀门开关，在压力超过预紧力时就打开喷射，否则常闭。

1-套筒;2-侧流式热反应器;3-EGR与二次空气供给装置;4-直流式热反应器;41-马达；42-导流板；5-金属蜂窝载体催化器;6-等离子电极管;7-干粉尿素SCR装置;11-进气端;12-排气端；13-进气孔；761-喷射开关

71-吹气电磁阀;72-尿素添加盒;73-主电磁阀;74-喷射电磁阀;75-抽负压电磁阀;76-气化室;77-压力传感器;761-喷射开关

具体工作流程如下：①初始状态：抽负压电磁阀75打开，管路系统无压力；②启动发动机时：主电磁阀73打开，放入一定量尿素粉末后关闭，同时抽负压电磁阀75延时关闭，打开喷射电磁阀74，同时打开吹气电磁阀71，将粉末状尿素吹入气化室76后延时数秒后关闭；③系统运转后稳态时：高温的尾气加热气化室76，将粉末状尿素热解成NH3和CO2，在压力传感器77监测下，当气压达到一定压力后开始从喷射开关761间歇性喷入；④气化室压力降低时：当气化室76内的压力降低到一定时，喷射电磁阀74、抽负压电磁阀75打开，系统抽负压，压力降至一定值，喷射电磁阀74和抽负压电磁阀75关闭，主电磁阀73打开，释放一定量粉末尿素，以后至步骤②重复整个流程，主电磁阀73和喷射电磁阀74的打开由压力传感器77给予工作信号。上述电磁阀和传感器均设置直流电压24 V，24 V直流电源来自于柴油车使用的24 V蓄电池电源。尿素干粉热解模块7间歇性将热解粉末状尿素所得的NH3和CO2喷入套筒1的排气通道，对尾气进行还原，使其生成N2和O2等无害气体。

3 结论

本文设计的基于尿素热解的柴油车尾气净化方法和净化装置与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1) 采用侧流式热反应器、二次空气供给装置、直流式热反应器、催化转化器、尿素干粉热解模块对柴油车排气中的CO、HC、NOx、碳烟微粒等多种有害气体成分进行协调净化处理，达到全面高效的复合式净化处理，而非市面上单一排气净化装置可比拟。

(2) 尿素干粉热解模块将粉末状尿素热解成NH3和CO2并间歇性喷入套筒的排气通道，使有害排放物分子经过等定向链式化学反应，重新组合形成无毒害的气体分子。本文中设计的尿素干粉热解装置将尿素用于柴油车净化NOx，使用更加方便，尿素添加周期更长。

本发明的结构简单可靠，能全面净化柴油机尾气中的固体微粒、HC、CO、NOx净化效果良好，可广泛作为各种柴油机的尾气处理净化装置。