基于尿素?zé)峤獾牟裼蛙囄矚鈨艋b置的設(shè)計(jì)研究*

劉存山

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808)

0 引言

近幾年來,隨著汽車保有量的不斷增加(2010年我國汽車保有量已突破1億輛)、能源的日益枯竭以及環(huán)境的日益惡化,我國的霧霾問題越來越嚴(yán)重。目前，我國柴油車保有量的比重仍在快速增長，控制柴油車的排放已到了刻不容緩的地步，積極研究開發(fā)符合環(huán)保要求的低排放、低污染柴油車是市場的必然趨勢(shì)。

柴油車排氣控制方法一般可分為機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化。前者主要指改善燃油和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新；后者是指在廢氣排空前進(jìn)行凈化處理。實(shí)際上后者是主要的有效凈化方法?，F(xiàn)有柴油車尾氣凈化器基本上都采用催化劑凈化的模式，而且多數(shù)的柴油車尾氣凈化器只能進(jìn)行單一凈化，不能對(duì)尾氣進(jìn)行多效的全面凈化處理[1]。本文的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，研究一種基于尿素?zé)峤獾牟裼蛙囄矚鈨艋椒ㄒ约皟艋b置，使其可大幅抑制NOx等多數(shù)有害氣體的排放。

1 基于尿素?zé)峤獾牟裼蛙囄矚鈨艋b置的凈化原理

由于柴油車尾氣排放的有害成分中碳煙微粒(PM)和NOx相對(duì)較高，HC和CO的排放相對(duì)較少，所以在設(shè)計(jì)柴油車尾氣凈化器時(shí)需重點(diǎn)考慮碳煙微粒(PM)和NOx的凈化模塊。本文設(shè)計(jì)的主要凈化模塊有：①凈化碳煙微粒(PM)的模塊：直流/側(cè)流式熱反應(yīng)器；②凈化NOx的模塊：文丘里管式的EGR裝置[2]、干粉尿素噴射器(SCR)、催化轉(zhuǎn)化器；③凈化HC和CO的模塊：二次空氣供給+直流式熱反應(yīng)器、催化轉(zhuǎn)化器。在基于尿素?zé)峤獾牟裼蛙囄矚鈨艋b置中,干粉尿素SCR裝置的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

1.1 尿素SCR凈化NOx原理

1.1.1 尿素的熱解

尿素在排氣管中需要分解為NH3，然后NH3再與排氣管中的NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)。尿素干粉的熱解主要分以下三步[3]：

(1) 尿素干粉加熱，變成固態(tài)或熔融態(tài)：

(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) 氣態(tài)時(shí)的HNCO比較穩(wěn)定，但在SCR氣化室中比較容易水解成NH3和CO2：

HNCO+H2O→NH+CO2.

1.1.2 尿素?zé)峤夂髢艋疦Ox的原理

柴油機(jī)在工作時(shí)，干粉尿素?zé)峤夂笊傻腘H3噴射到SCR裝置中會(huì)發(fā)生以下兩個(gè)反應(yīng)[4]：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O.

(1)

2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O.

(2)

由于柴油機(jī)排氣中的NO占NOx的90%左右，所以方程式(1)為SCR內(nèi)進(jìn)行的主要反應(yīng)，反應(yīng)過程中NH3與NO以1∶1的比例發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隨后NO被凈化生成水和氮?dú)?。其次SCR內(nèi)的NO、NO2也可同時(shí)與NH3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它們的化學(xué)計(jì)量比為2∶1∶1(如方程式(2)所示)，NO、NO2被凈化后同樣會(huì)生成干凈的水和氮?dú)狻?/p>

1.2 EGR凈化NOx原理

廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(Exhaust Gas Recirculation)簡稱EGR，是將柴油機(jī)或汽油機(jī)產(chǎn)生的廢氣的一小部分再送回氣缸。再循環(huán)廢氣由于具有惰性將會(huì)延緩燃燒過程，也就是說燃燒速度將會(huì)放慢從而導(dǎo)致燃燒室中的壓力形成過程放慢，這就是氮氧化合物會(huì)減少的主要原因[5]。另外，提高廢氣再循環(huán)率會(huì)使總的廢氣流量(mass flow)減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會(huì)相對(duì)減少。

1.3 二次空氣供給凈化CO、HC原理

二次空氣供給凈化CO、HC的工作原理是將新鮮空氣送入發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管內(nèi)，從而使尾氣中的HC和CO進(jìn)一步氧化和燃燒，即把導(dǎo)入空氣中的氧在排氣管內(nèi)與排氣中的HC和CO進(jìn)一步化合形成水蒸氣和二氧化碳，從而降低了排氣中的HC和CO的排放量[6]。

1.4 催化轉(zhuǎn)化器氧化還原NOx、CO、HC原理

催化轉(zhuǎn)化器主要利用催化劑使汽車排氣中的CO、HC、NOx相互之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)無害的CO2、H2O、N2。催化轉(zhuǎn)化器為三效催化轉(zhuǎn)化器[7]，通常其外部為不銹鋼殼體，內(nèi)部為貴金屬鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)制成的蜂窩狀催化劑載體。

1.5 側(cè)流式、直流式熱反應(yīng)器凈化PM和CO、HC原理

首先，含有大量碳煙微粒的柴油車尾氣經(jīng)排氣管直接進(jìn)到本文研究的凈化器中，通過側(cè)流式熱反應(yīng)器上的側(cè)流孔將粒徑較大的碳煙微粒濾掉除去，粒徑較小的微粒會(huì)隨著高溫條件下的熱降解而大部分除去。側(cè)流式熱反應(yīng)器還可氧化除去排氣中部分的HC和CO；然后，尾氣進(jìn)入直流式熱反應(yīng)器，通過熱反應(yīng)器導(dǎo)流板上設(shè)置的吸附孔可以將排氣中的碳煙微粒吸附而除去。同時(shí)平行設(shè)置的導(dǎo)流板可對(duì)經(jīng)過EGR和二次空氣供給裝置后的排氣進(jìn)行整流，使其均勻地進(jìn)入下一個(gè)凈化模塊，增加催化器的排氣凈化作用[8]。

2 基于尿素?zé)峤獾牟裼蛙囄矚鈨艋b置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 凈化裝置總體設(shè)計(jì)

基于上述凈化原理設(shè)計(jì)的柴油車尾氣凈化裝置由套筒、側(cè)流式熱反應(yīng)器、EGR(排氣再循環(huán))和二次空氣供給裝置、直流式熱反應(yīng)器和金屬蜂窩載體催化器以及尿素干粉熱解SCR六個(gè)模塊組成。其中，側(cè)流式熱反應(yīng)器、EGR和二次空氣供給裝置、直流式熱反應(yīng)器和金屬蜂窩載體催化器、尿素干粉熱解和等離子凈化5個(gè)凈化模塊依次連接，均設(shè)置于套筒內(nèi)。

基于尿素?zé)峤獾牟裼蛙囄矚鈨艋b置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。套筒1具有進(jìn)氣端11、排氣端12及連接進(jìn)氣端11和排氣端12的內(nèi)部排氣通道。套筒1的進(jìn)氣端11通過法蘭盤固定連接到柴油車的排氣管上，排氣端12設(shè)有后端蓋給予保護(hù)及穩(wěn)固套筒1內(nèi)的部件。側(cè)流式熱反應(yīng)器2對(duì)進(jìn)氣端11輸入的尾氣凈化除去部分HC和CO。金屬蜂窩載體催化器5設(shè)置在套筒1的排氣端，可增加有害尾氣成分的活性，使其在較低的溫度條件下發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被除去。二次空氣供給裝置3是將排氣再循環(huán)技術(shù)和二次空氣供給技術(shù)結(jié)合在一起的文丘里管式二次空氣供給裝置，套筒1的周壁上設(shè)有配合二次空氣供給裝置3工作的進(jìn)氣孔13,進(jìn)氣孔13根據(jù)需要在套筒一周上均勻設(shè)置。直流式熱反應(yīng)器4設(shè)有若干塊具有吸附能力的導(dǎo)流板42，導(dǎo)流板42由振動(dòng)馬達(dá)41驅(qū)動(dòng)而達(dá)到自身的共振。尿素干粉熱解模塊7將粉末狀尿素?zé)峤獬蒒H3和CO2并間歇性噴入套筒1的排氣通道，對(duì)尾氣進(jìn)行還原，使其生成N2和O2等無害氣體。凈化裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油車排氣中的CO、HC、NOx、碳煙微粒等多種有害氣體成分的協(xié)調(diào)凈化處理，達(dá)到全面高效的復(fù)合式凈化處理。

2.2 尿素干粉熱解的原理設(shè)計(jì)

尿素干粉熱解模塊處于排氣管中后端，其控制電磁閥采用直流24 V電壓，干粉尿素噴射裝置示意圖如圖2所示。尿素干粉熱解模塊7具有便于尿素干粉置放的添加盒72及將粉末狀尿素?zé)峤獬蒒H3和CO2的氣化室76，添加盒72與氣化室76之間通過可通斷的電磁閥連接，氣化室76具有噴射開關(guān)761，該噴射開關(guān)761連接到套筒1的排氣通道。添加盒72與氣化室76之間有主電磁閥73和噴射電磁閥74串聯(lián)連接，并在主電磁閥73和噴射電磁閥74之間的管道中設(shè)置負(fù)壓系統(tǒng)，該負(fù)壓系統(tǒng)具有吹氣電磁閥71和抽負(fù)壓電磁閥75。噴射開關(guān)761是一氣壓閥門開關(guān)，在壓力超過預(yù)緊力時(shí)就打開噴射，否則常閉。

1-套筒;2-側(cè)流式熱反應(yīng)器;3-EGR與二次空氣供給裝置;4-直流式熱反應(yīng)器;41-馬達(dá)；42-導(dǎo)流板；5-金屬蜂窩載體催化器;6-等離子電極管;7-干粉尿素SCR裝置;11-進(jìn)氣端;12-排氣端；13-進(jìn)氣孔；761-噴射開關(guān)

71-吹氣電磁閥;72-尿素添加盒;73-主電磁閥;74-噴射電磁閥;75-抽負(fù)壓電磁閥;76-氣化室;77-壓力傳感器;761-噴射開關(guān)

具體工作流程如下：①初始狀態(tài)：抽負(fù)壓電磁閥75打開，管路系統(tǒng)無壓力；②啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)：主電磁閥73打開，放入一定量尿素粉末后關(guān)閉，同時(shí)抽負(fù)壓電磁閥75延時(shí)關(guān)閉，打開噴射電磁閥74，同時(shí)打開吹氣電磁閥71，將粉末狀尿素吹入氣化室76后延時(shí)數(shù)秒后關(guān)閉；③系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后穩(wěn)態(tài)時(shí)：高溫的尾氣加熱氣化室76，將粉末狀尿素?zé)峤獬蒒H3和CO2，在壓力傳感器77監(jiān)測(cè)下，當(dāng)氣壓達(dá)到一定壓力后開始從噴射開關(guān)761間歇性噴入；④氣化室壓力降低時(shí)：當(dāng)氣化室76內(nèi)的壓力降低到一定時(shí)，噴射電磁閥74、抽負(fù)壓電磁閥75打開，系統(tǒng)抽負(fù)壓，壓力降至一定值，噴射電磁閥74和抽負(fù)壓電磁閥75關(guān)閉，主電磁閥73打開，釋放一定量粉末尿素，以后至步驟②重復(fù)整個(gè)流程，主電磁閥73和噴射電磁閥74的打開由壓力傳感器77給予工作信號(hào)。上述電磁閥和傳感器均設(shè)置直流電壓24 V，24 V直流電源來自于柴油車使用的24 V蓄電池電源。尿素干粉熱解模塊7間歇性將熱解粉末狀尿素所得的NH3和CO2噴入套筒1的排氣通道，對(duì)尾氣進(jìn)行還原，使其生成N2和O2等無害氣體。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于尿素?zé)峤獾牟裼蛙囄矚鈨艋椒ê蛢艋b置與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1) 采用側(cè)流式熱反應(yīng)器、二次空氣供給裝置、直流式熱反應(yīng)器、催化轉(zhuǎn)化器、尿素干粉熱解模塊對(duì)柴油車排氣中的CO、HC、NOx、碳煙微粒等多種有害氣體成分進(jìn)行協(xié)調(diào)凈化處理，達(dá)到全面高效的復(fù)合式凈化處理，而非市面上單一排氣凈化裝置可比擬。

(2) 尿素干粉熱解模塊將粉末狀尿素?zé)峤獬蒒H3和CO2并間歇性噴入套筒的排氣通道，使有害排放物分子經(jīng)過等定向鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)，重新組合形成無毒害的氣體分子。本文中設(shè)計(jì)的尿素干粉熱解裝置將尿素用于柴油車凈化NOx，使用更加方便，尿素添加周期更長。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單可靠，能全面凈化柴油機(jī)尾氣中的固體微粒、HC、CO、NOx凈化效果良好，可廣泛作為各種柴油機(jī)的尾氣處理凈化裝置。