浅析柴油机SCR系统尿素结晶机理和解决思路

周明胜 曲兴年 李元臻 陈修娟

摘要： 針对柴油机选择性催化还原（SCR）系统出现的尿素结晶问题，在尿素结晶形成机理分析的基础上，提出影响尿素结晶的关键因素，通过一系列改进措施，在满足排放法规的前提下，降低了结晶风险区域尿素喷射量，增强了废气与氨气的混合均匀性，进一步改善了流动的均匀性，提升了抗结晶风险的能力。结果表明，能够有效解决尿素结晶问题。

Abstract： In view of the urea crystallization problem in the selective catalytic reduction system of diesel engine， on the basis of the analysis of the mechanism of urea crystallization formation， the key factors affecting urea crystallization are put forward， and through a series of improvement measures， the urea injection volume in the crystallization risk area is reduced under the premise of meeting the emission regulations， which enhances the mixed uniformity of exhaust gas and ammonia gas， further improves the uniformity of exhaust gas flow and enhances the resistance to crystallization risk. The results show that， it can effectively solve the problem of urea crystallization.

关键词： 柴油机;选择性催化还原;尿素结晶

Key words： diesel engine;selective catalytic reduction;urea crystallization

中图分类号：TK421+.5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）19-0010-03

0  引言

柴油机以其扭矩大油耗低的优势，被广泛应用于交通运输、农业机械、工程机械等领域，但是柴油机尾气中的污染物对大气危害日益严重[1]。柴油机排气具有温度低、氧气含量高等特点，使得去除NOx的难度很大，因而高效去除柴油机排气中的NOx一直是催化化学研究的难点和热点。选择性催化还原（SCR）技术是目前满足排放法规降低NOx的重要技术路线[2]。现有SCR技术主要通过尿素喷射系统喷射车用尿素水溶液，在催化剂的作用下，把柴油机尾气中的NOx还原成N2和H2O。使用SCR技术，随之带来的问题就是尿素结晶问题[3]。尿素结晶问题不但能够使后处理不能正常工作，结晶严重时会直接影响整车的动力性、经济性和排放水平[4]。

本文主要从结晶的形成机理出发，分析影响结晶的关键影响因素，结合试验研究，通过控制尿素喷射量和优化SCR系统硬件等手段解决结晶问题。

1  结晶形成机理

1.1 SCR催化转化器中主要化学反应

①尿素的分解。

尿素液滴的水汽蒸发，变成固态或熔融态。

（NH2）2CO（aqueous）→（NH2）2CO（molten）+xH2O（1）

尿素在排气管中分解成等量的NH3和HNCO（异氰酸）

（NH2）2CO（molten）→NH3+HNCO（2）

虽然HNCO气态时非常稳定，但是在SCR催化转化器里非常容易水解成NH3和CO2

HNCO+H2O→NH3+CO2（3）

②NH3选择性催化还原反应。

在柴油机正常工况下，SCR催化转化器中主要存在两种NH3选择性催化还原反应，其中最主要的反应如下式（通常称为标准反应），从方程中可知，NH3和NO的化学计量比为1：1，NH3只转化了NO而不没有和NO2反应。第二个反应如式（5），其反应速度比标准反应（4）快近十倍，称为快反应。

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（4）

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O（5）

③氨的吸附与解吸附。

按Eley-Rideal机理定义反应过程，NH3分子吸附到催化剂活性中心位，和气态的NO和NO2反应。吸附过程表示如下：

NH3+S→NH3（ads）（6）

1.2 结晶机理  尿素水溶液理论上在SCR催化转化器中经过热解最终生成NH3和HNCO（异氰酸），但实际过程中可能会掺杂着一些其余的化学反应参与。当尿素水溶液分解后生成HNCO（异氰酸），在150℃-190℃左右，HNCO（异氰酸）一定条件下能够与尿素反应生成缩二脲（N3H5（CO）2）。随着温度升高，在250℃-300℃左右能够反应生成三聚氰酸一酰胺（C3N3（OH）2NH2），三聚氰酸二酰胺（C3N3OH（NH2）2）、三聚氰胺（C3N3（NH2）3）等。随着这些在尿素分解过程中产生的副产物不断沉积在SCR催化转化器的内壁上，导致了结晶的生成。所以结晶的主要是以缩二脲和三聚氰胺等为主的混合物，其中以缩二脲为主的结晶成分分解温度较低，而以三聚氰胺等为主的结晶成分分解温度相对比较高。

1.3 影响因素  结合结晶生成的机理，尿素在分解过程中的反应相对比较复杂，而结晶的生成受当时的反应温度、气体混合物的混合均匀性和流动的均匀性等影响比较大。将这些主要影响因素转换成发动机的排气温度、排气流量、尿素喷射量以及SCR系统硬件等因素。其中排气温度、排气流量和尿素喷射量决定了不同区域的结晶风险程度，SCR系统硬件（包括喷射系统、混合器和载体尺寸等）代表了其抗结晶风险的能力。

2  试验研究

2.1 试验设备  试验使用一台电控高压共轨缸内直喷柴油机和SCR系统进行，在发动机试验台架上进行试验对比试验。其中SCR系统包括SCR催化转化器、氮氧传感器、上游温度传感器、尿素喷嘴、尿素泵、尿素箱、尿素管等。试验所用设备包括湘仪电力测功机、ABB进气流量计、HORIBA气体分析仪，AVL瞬时油耗仪等。

2.2 试验方案  该试验主要利用解耦的原理对影响因素进行试验对比验证，试验方案见表1。试验所用路谱为整车采集的结晶严重的实际路谱工况（简称“结晶路谱”），结晶路谱包含360个工况点，发动机台架上运行完一个循环路谱需要6min，针对表中的三个方案在结晶工况循环运行100小时，每50个小时（500个结晶路谱循环）停机检查结晶情况进行分析，当运行前50h后，如果出现明显结晶则试验即可结束。在运行结晶路谱工况前，需确保SCR内无结晶，正式运行后，过程中的结晶无需清理。

3  试验结果与分析

3.1 尿素喷射量影响  针对结晶循环工况的落点，对SCR上游温度和废气量进行分析，在结晶循环工况区域对尿素喷射进行减喷，分别减喷10%和15%，对结晶情况进行验证。尿素喷射量减喷10%后的结晶情况如图1（a），50h后出现了结晶。尿素喷射量减喷15%后的结晶情况如图1（b），50h和100h后均未出现了结晶。试验验证尿素喷射量对结晶的影响比较大。尿素溶液进入混合器后部分液滴会与接触面接触，形成液膜，尿素结晶需要经历尿素液滴蒸发分解、尿素沉积、结晶生成和结晶分解这几个过程。在排气温度和流量一定的前提下，尿素喷射量过大会导致更多未能转化的尿素不断沉积形成尿素结晶。

3.2 SCR载体尺寸影响  通过增加SCR载体的长度来验证对尿素结晶的影响，增加载体长度后运行50h结晶路谱工况循环有轻微结晶（如图2（a）），100h后有明显结晶（如图2（b））。通过试验结果表明，对比原载体尺寸，增加适量载体长度能够一定程度上降低尿素结晶的风险。该SCR载体采用的材料是堇青石，这种材质具有相对较低的热膨胀系数，良好的热冲击性以及热稳定性。增加适量载体长度后，载体的体积随之变大，对于相同废气流量，其空速会变小，混合气体流场分布会趋于均匀，这样会对于提升氮氧的转化效率有利，进而提升尿素的利用率，减小尿素结晶的风险。

3.3 混合器对结晶的影响  新混合器增加了多孔板结构，在增加载体长度的基础上进行结晶路谱工况验证，50h和100h结晶路谱循环均未出现结晶，如图3。从试验的结果分析，混合器后端增加的多孔板结构能够降低尿素结晶风险，增加多孔板能够促进尿素水溶液分解产生的NH3更好的与废气混合，提升气体混合物流动的均匀性，降低尿素结晶风险。混合器是SCR系统重要的组成部件之一，它能够改变气体在管道内的流动状态，促使不同气体之间充分混合。SCR转换催化器前端气体如果出现混合不好，就会出现前端的气体浓度分布不均匀，进而使局部的氨分布过高或者过低，导致NOx转换效率的降低和氨泄漏增大，同时局部氨分布过多也会增加尿素结晶的风险。

综上所述，减少结晶风险区域尿素喷射量、增加SCR载体长度和优化混合器，在一定条件下，都能降低尿素结晶的风险。本次以结晶形成机理分析为基础，运用试验手段，综合采用减少尿素喷射量、增加适量载体长度和合理优化混合器结构三种措施解决尿素结晶问题。

4  结论

①结晶的形成原因比较复杂，在优化结晶时需要从排气温度、排气流量和气体混合浓度等多方面的因素出发，合理制定措施来降低结晶风险。②发动机的排放控制系统是为了满足排放达到排放法规要求的，对于结晶风险区域，要在满足排放法规的前提下尽可能少喷尿素，减少结晶风险，但过度减少尿素喷射量會导致排放不满足法规要求。③并不是载体长度越长越好，过长的载体长度不但使成本升高，同时还会因为载体长度增加导致的过大压力损失使发动机的性能恶化。

参考文献：

[1]中国机动车污染防治年报（2017）.中华人民共和国环境保护部（R）.北京：2017.

[2]帅石金，唐韬，赵彦光，等.柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J].汽车安全与节能学报，2012，3（3）：200-217.

[3]张纪元，李国祥，孙少军，等.重型柴油机Urea-SCR系统尿素沉积物的试验研究[J].车用发动机，2012（4）：43-47.

[4]苏长春.商用车后处理系统尿素结晶问题研究[J].汽车实用技术，2016（10）：223-226.