柴油機(jī)尿素-SCR后處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

陳全征，曹鋼，鄒世凡，申夢(mèng)杰，王樂(lè)樂(lè)

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

1 引言

SCR后處理技術(shù)相比其他后處理技術(shù)具有燃油經(jīng)濟(jì)性好、安全系數(shù)高、硫敏感低等諸多優(yōu)勢(shì)，是目前國(guó)內(nèi)外主流的柴油機(jī)后處理技術(shù)[1]。本文綜述了尿素-SCR后處理技術(shù)的基本原理、研究現(xiàn)狀、技術(shù)瓶頸以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為科研工作者提供了較好的入門技術(shù)指導(dǎo)。

2 尿素-SCR技術(shù)的基本原理

柴油機(jī)尿素-SCR后處理系統(tǒng)是以 32.5%尿素水溶液作為還原劑，基于特定的噴射控制策略進(jìn)行噴射。噴入的尿素水溶液與柴油機(jī)排出的廢氣進(jìn)行混合。由于排氣溫度的影響，尿素水溶液發(fā)生熱解反應(yīng)，生成氨氣和異氰酸，生成物伴隨尾氣一起進(jìn)入SCR催化器，在催化劑的作用下，異氰酸會(huì)水解為氨氣和二氧化碳。氨氣在合適的溫度和催化劑的作用下，選擇性和一氧化氮發(fā)生反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?，排入空氣中。SCR的系統(tǒng)原理圖如圖1所示[2]。

尿素的熱解反應(yīng)為：

尿素的水解反應(yīng)為：

由于柴油機(jī)排氣中大部分是一氧化氮，此時(shí)催化器發(fā)生的主要的反應(yīng)為：

此反應(yīng)稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)，當(dāng)排氣溫度在300℃～500℃時(shí)，該反應(yīng)有較高的反應(yīng)速率，但是當(dāng)溫度低于 250℃時(shí)（冷啟動(dòng)或怠速工況下），反應(yīng)速率有明顯的下降，這也是柴油機(jī)尿素-SCR產(chǎn)生沉淀的原因之一。為了在排氣溫度較低的情況下柴油機(jī)SCR系統(tǒng)還能保持一個(gè)較高的催化反應(yīng)速率，相關(guān)業(yè)內(nèi)人士通過(guò)對(duì)催化反應(yīng)機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一氧化氮和二氧化氮的百分比為1:1時(shí)，一氧化氮有很高的反應(yīng)速率。由于反應(yīng)速率大約是標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)速率的17倍，因此該反應(yīng)稱為快速SCR反應(yīng)，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

3 尿素-SCR技術(shù)的研究熱點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)各大高校和研究單位的研究方向主要集中在混合器和催化劑的研究上。江蘇大學(xué)劉軍等人設(shè)計(jì)了一種新的催化器，該催化器加速了尿素的熱解和水解。湖南大學(xué)譚理剛等人基于fluent軟件對(duì)有無(wú)混合器的催化器和混合器的位置影響進(jìn)行了仿真，混合器使尾氣和氨氣混合的更加均勻，混合器的位置對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化率有重要影響。大連理工大學(xué)蘇慶運(yùn)等人基于fire和boost軟件對(duì)SCR系統(tǒng)內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)和流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了研究。浙江大學(xué)高翔等人對(duì)尿素SCR系統(tǒng)的新型催化劑進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種新的寬溫度窗口催化劑。

4 尿素-SCR技術(shù)的技術(shù)瓶頸

由于輕型柴油車的空間有限，其SCR催化轉(zhuǎn)化裝置通常設(shè)計(jì)的更加緊湊，例如縮短了催化劑載體的長(zhǎng)度，噴嘴和催化器之間的距離以及排氣管的長(zhǎng)度等，這樣就加大了排氣流場(chǎng)分布不均勻的可能性，使催化劑載體局部流速過(guò)快，縮短反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致 NOx 排放量上升。同時(shí)，催化器內(nèi)可供排氣與尿素水溶液混合的區(qū)域減少，不利于尿素?zé)峤馑夥磻?yīng)的充分發(fā)生，從而減少還原劑的生成量，降低催化轉(zhuǎn)化效率。

實(shí)際應(yīng)用中，特別是在低溫工況下，尿素不能很好的熱解水解，在噴嘴附近、排氣管管壁和催化器等位置會(huì)產(chǎn)生沉淀[3]，如圖2所示，該沉淀降低了NOx的轉(zhuǎn)化效率，增大了機(jī)動(dòng)車的排氣背壓，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

由于輕型車大多是奔跑在城市的道路上，中小負(fù)荷以及怠速工況是經(jīng)常發(fā)生的。頻繁的多工況就必須有一個(gè)嚴(yán)格而又精確的尿素噴射策略[4]。而且當(dāng)出售的車輛運(yùn)行一段時(shí)間之后，由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)各種控制元件損壞和催化劑老化等因素的影響，汽車的排放會(huì)有不同程度的惡化，甚至?xí)蟠蟪^(guò)法規(guī)要求。因此，進(jìn)行柴油機(jī)在線監(jiān)控與診斷技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的優(yōu)化也會(huì)是制約SCR系統(tǒng)快速發(fā)展的瓶頸。

另外高效、經(jīng)濟(jì)性好、耐用度高的催化劑的研究也是相關(guān)研究人員需要努力的方向。好的催化劑不僅能拓寬SCR催化器的溫度窗口，使輕型車更好的適應(yīng)城市的交通，而且還能保證較高的催化還原效率，避免氨氣的逃逸。催化劑載體的優(yōu)化也需要業(yè)內(nèi)人士的持續(xù)關(guān)注，一個(gè)好的催化劑載體能減小SCR系統(tǒng)的排氣背壓，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。

5 尿素-SCR技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

尿素-SCR技術(shù)是一種很有應(yīng)用前景的柴油機(jī)后處理技術(shù)，NOx轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%～90%。但該項(xiàng)技術(shù)的研究從未止步，主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步研究：

（1）加大對(duì)催化劑的研究力度，使新的催化劑有更高的低溫NOx轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)還要兼顧催化劑的抗硫中毒性能的提高。

（2）優(yōu)化噴嘴的安裝位置、安裝角度、數(shù)量等，使廢氣和尿素混合的更加的均勻，同時(shí)使催化器進(jìn)口氨氣的均勻性提高

（3）優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，例如在排氣管部分增加混合器[5]，該結(jié)構(gòu)能很好的提高尿素的熱解水解速率，使氨氣和廢氣混合的更加的均勻，縮短排氣管的長(zhǎng)度，使尿素-SCR的結(jié)構(gòu)更加的緊湊，節(jié)省了空間。