国六SCR催化剂的性能试验研究

马义 陈奥林 况文字 雷本刚 杨细元

摘要：选择性催化还原技术（SCR）是国六柴油机控制NOx排放的主要技术，为了对比国外后处理厂家和国内后处理厂家的铜基分子筛SCR催化剂性能，搭建了SCR催化剂的小样测试台架，对两种SCR催化剂进行了小样性能测试分析，包括稳态测试，瞬态测试，并介绍了相应的测试流程方法。测试内容覆盖了温度扫描，空速扫描，氨氮比扫描，NO/N0x比例扫描，NO氧化效率，标准SCR转化效率，氨氧化效率和氨存储。试验结果表明，两种催化剂在不同试验条件下所呈现的性能变化规律基本一致，国外催化剂的NOx转化效率比国内催化剂高3%左右，200C条件下国外催化剂的氨存储量比国内催化剂高0.5g/L，两种催化剂的性能差异主要集中在低温区域。

关键词：选择性催化还原;后处理;铜基分子筛;小样评价

中图分类号：TK421.5

文献标识码：A

文章编号：1005-2550（2019）06-0002-06

Experimental Study on the Performance of SCR Catalyst for CN 6

MA Yi， CHEN Ao-lin， KUANG Wen-yu， LEI Ben-gang， YANG Xi-yuan

（ Dong Feng Special Equipment Division， Wuhan 430056 China ）

Abstract： Selective catalytic reduction technology （SCR） is the main technology for controlling NOx emission in diesel engines of CN 6. In order to compare the performance of Cu-zeolite SCR catalysts between foreign and domestic after treatment manufacturers， a sample test bench for SCR catalysts was set up， and the performance of two kinds of SCRcatalysts was tested and analyzed， including steady-state test and transient test. The test covers temperature scanning， space velocity scanning， ammonia nitrogen ratio scanning， NO/NOx ratio scanning， NO oxidation efficiency， standard SCR conversion efficiency， ammonia oxidation efficiency and ammonia storage capacity. The test results show that the performance of the two catalysts are basically the same under different test conditions. The NOx conversion efficiency of foreign catalysts is about 3% higher than that of domestic catalysts. The ammonia storage capacity of foreign catalysts is 0.5g/L higher than that of domestic catalysts at 200 C.The performance differences of the two catalysts are mainly concentrated in the low temperature region.

Key Words： Selective catalytic reduction; after treatment; Cu- zeolite; samples assessment

馬义

毕业于武汉理工大学动力机械及工程专业，硕士研究生学历现就职于东风汽车集团有限公司特种装备事业部，任主管工程师，主要研究方向为：动力总成性能设计，已发表论文3篇。

前言

车用柴油机的排放物主要是NOx和PM，国六柴油机控制NOx排放的主流技术路线是选择性催化还原技术【1-4】（Selective Catalytic Reduction，SCR），其中SCR催化器主要由载体和涂层组成。载体方面，目前无论是国外后处理厂家还是国内后处理厂家，基本采用康宁公司或者NGK公司提供的400目堇青石载体;涂层方面，涂层材料一般采用低温活性和水热稳定性良好的铜基小孔分子筛【5-6】，如Cu-SSZ-13。由于涂层配方和涂覆工艺的复杂性，而每个后处理厂家都有自己专用的催化剂涂覆工艺，因此不同后处理厂家提供的SCR催化剂性能差异主要来源于涂层。本文选取了两个后处理厂家的SCR催化剂方案样品，一个是国外知名后处理厂家和另一个是国内知名后处理厂家，将这两个厂家提供的SCR催化剂进行小样性能测试试验，在不同空速、氨氮比，NO/NO，比例条件下转化效率以及氨存储能力等方面进行分析评价。

1试验方案

1.1试验装置

搭建了SCR催化剂小样测试系统【7】，如图1所示。从整块SCR催化剂中间提取直径/怅度为25.4mm/101.6mm尺寸的催化剂小样，将催化剂小样用石英棉包裹后放人钢管内形成反应器装置，把该装置放人管式马弗炉内进行加热升温，升温速率控制59C/min，同时通过电脑程序控制配气系统输出反应所需各种气体的流量，模拟发动机排气组成，气体经混合器充分混合后通入催化剂反应装置与催化剂进行化学反应，反应器出口气体成分由傅里叶红外光谱仪进行分析测定，反应器人口和出口均安装温度传感器进行温度监测，所有测试数据由电脑程序自动记录。

1.2试验内容及方法

同时选取国外后处理厂家（催化剂A）和国内后处理厂家（催化剂B）的两种铜基分子筛SCR催化剂小样，首先将催化剂在550°C温度下进行24小时的老化稳定处理，然后进行小样性能评价试验，性能试验分为稳态性能评价试验和瞬态性能评价试验。

稳态试验包括：温度扫描，空速扫描，氨氮比扫描，NO/NOx比例扫描试验，主要是为了评价不同温度，空速，氨氮比和NO/NOx比例条件下SCR催化剂的NOx转化效率。

稳态试验测试条件：气体组成为10%O2，10%H，O，10%CO，，200x10*NOx，200x0～NH3（随氨氮比调整），N，为平衡气;温度扫描的范围175%C～550%C，其中175C～250C温度区间，每隔25°C测一次;250°C～550°C温度區间，每隔50°C测一次;空速扫描的范围为40000h”，50000h"'，60000h+;氨氮比扫描范围为0.8，1.0，1.2，1.5;NO/NOx比扫描的范围1.0，0.75，0.5，0.25。进行温度和空速扫描时，氨氮比和NO/NOx比例控制为1.0，进行氨氮比扫描和NO/NOx比扫描时，空速控制为60000h-1。

瞬态试验是通过四工况法来评价催化剂的氨存储能力，NO和氨氧化性能以及NOx转化效率，四工况法测试流程示意见图2。四个工况即为四个阶段，第一阶段为NO清扫，只通人N0气体，主要.评价NO氧化性能;第二阶段为以NO为主的“标准SCR反应”，同时通人N0和NH，两种气体，主要评价NOx转化效率，氨氧化性能以及动态氨存储性能;第三阶段为NH，存储，只通入NH气体，主要评价氨氧化性能和未参与反应的氨存储性能;第四阶段为NO清扫，只通人N0气体，主要评价总的氨存储量（图2中区域①和区域②的阴影部分）和NO氧化性能。

瞬态测试条件为：气体空速控制60000h'，气体组成为10%O2，10%H，0，10%CO2，200x10^NO，200x10°NH，N，为平衡气，温度覆盖200%C，300°C和400°C。

2试验结果

2.1稳态试验结果

2.1.1温度与空速扫描

国外与国内厂家两种SCR催化剂的温度扫描、空速扫描测试对比结果见图3。图3a，图3b，图3c分别为空速40000h”，50000h-1，60000h条件下NOx转化效率随温度变化曲线，从图可以看出，两种催化剂的高效率温度区间基本一致，在225C～450°C温度范围内，NOx转化效率都达到90%以上，200C的催化剂A转化效率达到82%～87%，催化剂B转化效率78%～82%。而在200°C以.下和500°C以上区域两种催化剂的转化效率都呈现迅速下降的趋势。随着空速增加，反应物在催化剂内停留的时间变短，两种催化剂效率都略有下降，但下降幅度远小于温度变化带来的影响。催化剂A在不同的空速和温度下的转化效率比催化剂B平均高3%左右。

此外，进行温度和空速扫描时，控制的氨氮比和NO/NOx比例为1.0，进行氨氮比和NO/NOx扫描时控制的空速为60000h-1，因此后续氨氮比和NO/NOx为1.0的扫描测试结果可借用图3c。

2.1.2氨氮比扫描

两种SCR催化剂的氨氮比扫描测试对比结果见图4。图4a，图4b，图4c分别为氨氮比0.8，1.2，1.5条件下NOx转化效率随温度变化曲线，氨氮比为1.0的测试曲线见图3c。图4a可以看出，氨氮比0.8时，缺少足够的还原剂NH，最高转化效率受到限制，两种催化剂最高转化效率都为80%，整个温度区间的NOx转化效率都下降明显;图4b和图4c中的氨氮比大于1.0，过量的NH，可以显著提升中低温区域的NOx转化效率，催化剂A在氨氮比1.2的最高转化效率已接近100%，催化剂B在氨氮比1.5的最高转化效率接近100%，在200°C以下的低温区域提升效果更明显，但在500°C以上的高温区域，两种催化剂的随氨氮比增加转化效率有下降的趋势，这是因为有更多的NH，被氧化成NOx。不同氨氮比下催化剂A和催化剂B的转化效率变化趋势基本一致，但前者催化剂性能略好于后者。

2.1.3NO/NOx比例扫描

两种SCR催化剂的NO/NOx比例扫描的测试对比结果见图5。图5a，图5b，图5c分别为NO/NOx比例为0.75，，0.50，0.25条件下NOx转化效率随温度变化曲线。同样，NO/NOx比例为1.0的测试曲线见图3c。图5可知，随着NO/NOx比例减小，两种催化剂的NOx转化效率都呈现先增加再减小的趋势，这是因为NO/NOx比例减小使得NO，浓度增加，加快了催化剂内的化学反应，当NO/NOx比例减小为0.5时，化学反应速率最快，此时两种催化剂的NOx转化效率达到最高值，继续减小NO/NOx比例催化剂内的化学反应变慢，转化效率有所降低。NO/NOx比例小于1.0时，催化剂B在225°C～450°C温度区间内的转化效率水平与催化剂A基本相当，其他边界下催化剂A性能略好于催化剂B。

2.2瞬态试验结果

两种SCR催化剂的瞬态测试对比结果见图6，其中图6a为NO氧化效率，图6b为标准SCR反应的NOx转化效率，图6c为氨氧化效率，图6d为氨存储量。

图6a可知，两种催化剂的NO氧化效率总体相当，且都随温度的升高而升高，200°C和300°C条件下催化剂A的NO氧化效率比催化剂B高2%，400°C条件下前者比后者NO氧化效率低2%。

图6b可知，200C条件下催化剂A的NOx转化效率比催化剂B高6%，更高温度条件下的转化效率基本相同，催化剂性能随温度的趋势与上一节内容一致。

图6c可知，两种催化剂的氨氧化效率总体相当，且都随温度的升高而升高，200°C和300°C条件下催化剂A的氨氧化效率与催化剂B基本相同，400°C条件下前者比后者氨氧化效率低5%。

图6d可知，随着温度的升高，两种催化剂的氨存储量都呈现下降的趋势，200°C条件下催化剂A的氨存储量比催化剂B多0.5g/L，更高温度条件下于两种催化剂的氨存储量基本相同。

3结论

（1）两种SCR催化剂随温度，空速，氨氮比，NO/NOx比例变化时呈现的性能变化规律基本一致，两种催化剂的转化效率基本满足国六发动机主流技术路线对SCR后处理的需求。

（2）國外催化剂的NOx转化效率比国内催化剂平均高3%左右，主要差异集中在250°C以下的低温区域和4509以上的高温区域。

（3）国外催化剂的低温氨存储能力大于国内催化剂，在200C条件下的前者比后者多0.5g/L。

（4）从小样测试结果来看，国内后处理厂家的催化剂性能已接近国外后处理厂家水平，且国内催化剂具有很大的成本优势，但考虑到后处理总成的封装及一致性的差异，最终的催化剂性能还需要在发动机台架上开展进一步的后处理总成性能对比试验。

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专家推荐

逯海：

商用车实现国六排放标准限值，SCR系统对小样品性能试验装置是必不可少设备。在了解原机最终排放数据后，SCR最佳催化剂性能，就是要靠试验装置对小样性能测试分析技术筛选，在通过发动机试验标准的稳态测试、瞬态测试，最终用车用尿素对发动机排放的氮氧化物（NOx）进行选择性催化还原，从而达到既节能、减排的目的。目前该项技术广泛应用在用车发动机后处理系统之中是当今主流技术路线。