SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶結(jié)石研究

桑心成

（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京　110114）

SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶結(jié)石研究

桑心成

（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京110114）

隨著汽車排放法規(guī)的嚴(yán)格要求，SCR后處理系統(tǒng)在重型柴油機得到了廣泛的應(yīng)用。文章基于SCR系統(tǒng)在重型柴油機上試驗及實際應(yīng)用過程中，出現(xiàn)尿素噴嘴座結(jié)石、尿素噴嘴座結(jié)晶問題、排氣管路結(jié)晶結(jié)石問題以及控制策略問題，利用稱重方法以及紅外法對尿素結(jié)晶結(jié)石進行分析，提出了解決SCR系統(tǒng)結(jié)晶結(jié)石方法。

SCR系統(tǒng)；尿素；結(jié)晶結(jié)石

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，柴油機排放控制已經(jīng)收到國家環(huán)保部門的重視。選擇性催化還原技術(shù)（SCR）是針對柴油車尾氣排放中NOx的一項處理工藝，即在催化劑的作用下，噴入還原劑氨或尿素，把尾氣中的NOx還原成N2和H2O。催化劑有貴金屬和非貴金屬兩類。該技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于柴油機尾氣后處理，通過優(yōu)化噴油和燃燒過程，盡量在機內(nèi)控制微粒PM的產(chǎn)生，而后在機外處理富氧條件下形成的氮氧化物，即使用車用尿素（車用尿素在一定溫度下分解生成氨）對氮氧化物（NOx）進行選擇性催化還原，從而達到既節(jié)能、又減排的目的，該項技術(shù)是歐洲主流技術(shù)路線，歐洲長途載貨車和大型客車幾乎全部采用這一技術(shù)。

系統(tǒng)的基本工作原理是：尾氣從渦輪出來后進入排氣混和管，在混和管上安裝有尿素計量噴射裝置，噴入尿素水溶液，尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反應(yīng)后生成NH3，在SCR系統(tǒng)催化劑表面利用NH3還原NOx，排出N2，多余的NH3也被還原為N2，防止泄漏。一般情況下，消耗100L燃油的同時會消耗5L液體尿素水溶液。

在SCR中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2

NOx還原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

NH3氧化：4NH3+3O2→2N2+6H2O

在SCR系統(tǒng)中發(fā)生的復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)包括：尿素水溶液的噴射、霧化、蒸發(fā)、尿素的水解和熱解氣相化學(xué)反應(yīng)以及NOx在催化劑表面與NH3發(fā)生的催化表面化學(xué)反應(yīng)。

1　尿素結(jié)晶結(jié)石的現(xiàn)狀

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，重型車市場的要求也越來越高，在日益嚴(yán)峻的排放法要求下，選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction以下簡稱SCR）后處理系統(tǒng)應(yīng)用變得很普遍，SCR后處理系統(tǒng)利用尿素噴射系統(tǒng)對發(fā)動機尾氣進行處理，可將發(fā)動機排出的有害的NOx氣體轉(zhuǎn)化為N2。

尿素作為還原的主要催化劑，由于本身的化學(xué)特性，其存在很大的結(jié)晶風(fēng)險。尿素結(jié)晶會造成整個后處理系統(tǒng)的不正常工作，當(dāng)OBD系統(tǒng)監(jiān)測到排放不滿足法規(guī)要求時，會對車輛進行扭矩限制，影響車輛運行以及客戶使用。

2　尿素結(jié)晶結(jié)石現(xiàn)象分析

2.1尿素結(jié)晶結(jié)石問題

（1）噴嘴座尿素結(jié)晶問題。由于SCR系統(tǒng)在尿素噴嘴孔附近的結(jié)構(gòu)變化以及尿素的化學(xué)特征，在尿素噴嘴座孔附近形成尿素結(jié)石，導(dǎo)致尿素?zé)o法完成正常的霧化，尿素不能完全霧化分解將導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率降低，嚴(yán)重時尿素液滴以液態(tài)的形式流出，受熱水分蒸發(fā)，在噴嘴附近形成結(jié)晶，隨著結(jié)晶體逐漸長大堵塞尿素噴嘴座孔。結(jié)晶詳細位置如圖1所示。

圖1　尿素結(jié)晶位置及結(jié)晶現(xiàn)象

（2）噴嘴座尿素結(jié)晶問題。噴嘴座結(jié)構(gòu)本身易導(dǎo)致如下問題：在尿素噴入點后出現(xiàn)局部渦流或者氣體流速較低的區(qū)域，尿素溶液噴霧在此聚集形成濕壁，32.5%的尿素水溶液受排氣加熱后水分蒸發(fā)，形成結(jié)晶，結(jié)晶體逐漸長大。尿素結(jié)晶體受熱或有水存在的條件下可以發(fā)生分解，但如果結(jié)晶體發(fā)生質(zhì)變，形成聚合物，即結(jié)石現(xiàn)象，不會再發(fā)生分解。如圖2所示不同形狀的管路對結(jié)晶位置造成的影響。

圖2　管路對結(jié)晶的影響

（3）排氣管路結(jié)晶問題。由于尿素噴嘴座在排氣管上的布置不合理，凸出太長，導(dǎo)致尿素液滴不斷噴射到壁面上，水分蒸發(fā)后結(jié)晶體析出，形成結(jié)石現(xiàn)象，并且不斷聚集，堵塞排氣管。噴嘴座焊接時，如果內(nèi)部焊渣現(xiàn)象嚴(yán)重，為尿素液滴形成結(jié)晶結(jié)石現(xiàn)象提供了支撐條件，如圖3所示是排氣管路的結(jié)晶位置及現(xiàn)象。

圖3　排氣管路的結(jié)晶位置及現(xiàn)象

（4）控制策略問題。尿素的噴射與化學(xué)反應(yīng)與排氣溫度及環(huán)境溫度密切相關(guān)，尿素的凝點是-11℃，低于該溫度時候，尿素呈現(xiàn)固體狀態(tài)。環(huán)境溫度低于-7℃時候，尿素加熱系統(tǒng)起作用對尿素進行加熱。如果環(huán)境溫度傳感器測量值漂移或者溫度傳感器受其他因素影響不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致尿素結(jié)晶。另尿素的最低反應(yīng)溫度約200℃，低于200℃的尿素噴射是不合理的，可以通過對后處理排氣管和SCR箱進行保溫處理，達到提高排氣溫度的目的。尿素管路中殘留的尿素溶液通過控制程序要及時清理，否則會因為水的蒸發(fā)導(dǎo)致尿素結(jié)晶。所以停機之后，尿素系統(tǒng)要進行30秒的吹掃或者倒吸功能，從而避免標(biāo)定導(dǎo)致的結(jié)晶問題。

2.2尿素結(jié)晶結(jié)石的原因分析

（1）系統(tǒng)布置：排氣管布置不合理，在尿素噴入點后出現(xiàn)局部渦流或者氣體流速較低的區(qū)域，尿素溶液噴霧在此聚集形成濕壁，受熱水分蒸發(fā)，形成結(jié)晶。

（2）噴射系統(tǒng)：尿素噴射系統(tǒng)故障，噴射霧化不良，嚴(yán)重時以液態(tài)的形式流出，尿素不能完全霧化分解，而殘留在排氣管壁上出現(xiàn)結(jié)晶，或者大的液滴到達催化劑表面仍不能完全分解，在催化劑表面形成結(jié)晶。

（3）運行狀況：由于運行線路交通復(fù)雜，車輛低速行駛，頻繁停車，造成發(fā)動機運行負(fù)荷低，排氣溫度低，再加上外界氣溫低，排氣管壁溫度低，噴出的尿素不容易分解，在排氣管內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)晶。

（4）控制策略：不合理的尿素噴射標(biāo)定策略也會導(dǎo)致尿素結(jié)晶結(jié)石現(xiàn)象的發(fā)生。尿素啟噴溫度過低和低溫下尿素噴射量過大，不利于尿素液滴的霧化和快速分解，均會加劇在排氣管和催化劑上的尿素結(jié)晶。

3　尿素結(jié)晶結(jié)石機理研究

為了降低尿素的結(jié)晶結(jié)石風(fēng)險，基于不同的側(cè)重點，試驗了多套方案，或改變尿素噴射系統(tǒng)硬件、或改變排氣管材料和制造工藝、或加速尿素溶液水解霧化。多套方案經(jīng)過大量的軟件模擬以及道路試驗驗證挑選一套最好的方案。

本項目采用先進的軟件模擬以及試驗驗證相結(jié)合，在試驗中不斷改進系統(tǒng)設(shè)計，最終達到方案最優(yōu)。本項目一旦解決尿素結(jié)晶結(jié)石，可大面積應(yīng)用于車輛后處理系統(tǒng)，降低了車輛排放，也降低了車輛故障率。

尿素分解產(chǎn)物隨溫度的不同有所變化，如圖4所示。尿素水溶液生成氨氣的過程中，會發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)過程中會生成多種中間產(chǎn)物，如縮二脲、三聚氰酸等。而附著在排氣管路及催化劑表面的尿素結(jié)晶在高溫下會縮合成縮二脲、三聚氰酸，甚至?xí)扇矍桎@等，形成結(jié)石，在更高溫度下也會發(fā)生分解，但上述中間產(chǎn)物分解的速度如果小于形成的速度，則結(jié)石不斷積累，增加了尿素水溶液碰壁的幾率，加速了結(jié)晶結(jié)石等沉積物的形成。尿素分解的中間產(chǎn)物如圖5所示。

圖4　尿素在不同溫度的不同產(chǎn)物

圖5　尿素分解的中間產(chǎn)物

（1）結(jié)晶結(jié)石成分熱重分析。試驗臺架數(shù)據(jù)顯示，溫度升高至410℃時，90%左右的沉積物已經(jīng)分解。尿素噴嘴位置和尿素噴嘴座下端沉積物熱分解過程基本相同，說明兩者組分也基本相同，尿素沉積物的質(zhì)量在190℃時開始略有下降，350℃開始大幅下降，420℃時基本下降到原質(zhì)量的10%，500℃時下降到原質(zhì)量的5%左右，700℃時下降到原質(zhì)量的1.5%左右，之后基本保持不變。沉積物245℃以上溫度區(qū)間的熱分解過程基本類似，說明采集的三個不同位置的尿素沉積物主要成分是相同的。試驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　臺架耐久試驗數(shù)據(jù)

（2）結(jié)晶結(jié)石成分紅外分析。三個不同位置的尿素沉積物加熱分解過程中吸收光譜均只產(chǎn)生一個較大峰值，沉積物分解產(chǎn)物出現(xiàn)峰值處的光譜吸收圖與異氰酸的光譜吸收圖類似。同時尿素分解產(chǎn)物出現(xiàn)兩個峰值處的光譜吸收圖分別與氨氣和異氰酸的光譜吸收圖類似，如圖7所示。

圖7　沉積物紅外光譜分析

通過熱重紅外聯(lián)用技術(shù)分析可知，采集不同位置的尿素結(jié)晶結(jié)石的主要成分是尿素和三聚氰酸。

4　解決措施及實施進度

4.1解決措施

（1）在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上，通過對噴嘴座減薄處理，使噴嘴噴孔凸出邊沿，降低噴孔附近的結(jié)晶風(fēng)險。

（2）設(shè)計結(jié)構(gòu)更加合理的一體式噴射段，通過鑄造工藝完成，消除套管結(jié)構(gòu)對尿素沉積的物理影響。

（3）將尿素噴嘴座布置在一設(shè)計成喇叭口形式的裝置上，集成在SCR箱進口處，讓尿素直接噴射到大空間中，空間長度超過尿素液滴的貫穿度，消除尿素結(jié)晶的物理依附條件，另外，由于噴射段封裝在SCR箱內(nèi)部，可保持熱量不會散失，這可以消除環(huán)境溫度對結(jié)晶的影響。

4.2實施進度

（1）集成式SCR箱。噴嘴座集成在SCR箱進口處：為了縮短排氣管路、降低管路走向?qū)Y(jié)晶的影響，采取集成式SCR箱，最大限度地降低了氨氣在管路中的碰壁及沉積現(xiàn)象。如圖8所示。

圖8　集成式SCR箱

（2）改進噴嘴座結(jié)構(gòu)。降低噴嘴溫度及噴嘴安裝位置，通過以下三個方向可以降低噴嘴結(jié)晶風(fēng)險：如圖9為噴嘴安裝座的優(yōu)化對比，左圖為改進前結(jié)構(gòu)，右圖為改進后結(jié)構(gòu)。將端蓋內(nèi)側(cè)厚度由10mm減至3mm，使噴嘴孔凸出在臺外，噴嘴座套管凸出排氣管壁盡量短，連接套管選擇常用管件，禁止對內(nèi)表面加工。

圖9　噴嘴安裝座的優(yōu)化對比

（3）優(yōu)化控制邏輯。根據(jù)尿素溶液的物理特性和水解條件，合理的噴射工況對結(jié)晶故障的降低起到很大作用。根據(jù)柴油機工作特性，尿素噴射時刻以及尿素噴射量要合理匹配，避免尿素結(jié)晶和過量的尿素造成氨氣的二次污染。

5　結(jié)語

文章針對SCR系統(tǒng)在重型柴油機的臺架試驗以及應(yīng)用過程出現(xiàn)尿素在噴嘴附近以及排氣管路中結(jié)石結(jié)晶問題，對尿素結(jié)石結(jié)晶機理進行分析。尿素結(jié)晶結(jié)石的主要成分是尿素和三聚氰酸，尿素結(jié)晶結(jié)石形成的主要原因：尿素噴射量過大，尿素啟噴溫度低，噴射系統(tǒng)霧化不良，尿素液滴未完全分解既發(fā)生碰壁現(xiàn)象等。減少尿素液滴的碰壁和提高尿素啟噴溫度是減少結(jié)晶結(jié)石的有效手段。

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Research on Selective Catalytic Reduction about Crystal Stones

SANG Xin-cheng

（Beijing Foton Daimler Automotive co.，LTD，Beijing 110114，China）

As the vehicle emission regulations strictly requirements，SCR system has been widely used in heavy-duty diesel engine.Based on the SCR system on heavy duty diesel engine test and actually application，this paper points out the problems and control strategies，such as urea nozzle block stones，urea crystallization of the nozzle seat，exhaust line crystal stones，analyzes urea crystal stone by usingweighing method and infrared，and puts forward measures to solve crystal stone SCR system.

SCR system；urea；crystal stones

U464.172

A

2095-980X（2016）09-0031-03

2016-08-04

桑心成（1985-），男，河南淮陽人，主要研究方向：車輛工程。