SCR技術(shù)用于柴油發(fā)動機中的對策

王蹐尹 彭金艷 蘇歡

摘要：在一些國家和地區(qū)，中型柴油車和重型柴油車的排放量在柴油機排放量中所占有的比例可以達到70%，因此，對這類柴油機需要高度控制，采取有效的措施降低排放量。柴油機運行的過程中所排放的廢氣中存在有害物質(zhì)，所以會污染環(huán)境，對環(huán)境造成一定程度的破壞，這已經(jīng)引起各國的重視，而且著手治理這方面問題。中國對于此也制定了相應(yīng)的控制措施，避免對環(huán)境造成嚴重的污染。本論文著重于研究SCR技術(shù)用于柴油發(fā)動機中的對策。

關(guān)鍵詞：SCR技術(shù);柴油發(fā)動機;對策

中圖分類號：U262.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0061-03

0? 引言

中國的社會經(jīng)濟發(fā)展速度不斷加快，人們對生態(tài)環(huán)境保護高度重視。為此，出臺相關(guān)法律法規(guī)，嚴格限制柴油機排放標準，并提出嚴格要求，即柴油發(fā)動機排放尾氣的時候需要按照排放法規(guī)制定相應(yīng)對策執(zhí)行，特別是NOX排放，考慮到其對空氣環(huán)境的污染以及對人體健康的威脅，對于排放的限值嚴格要求，這對于企業(yè)而言是非常大的挑戰(zhàn)，因此，本文主要研究選擇性催化還原技術(shù)在柴油機排氣處理后的應(yīng)用，基于SCR系統(tǒng)的基本介紹減排柴油發(fā)動機有害氣體的類型，分析SCR系統(tǒng)的控制技術(shù)，提出柴油發(fā)動機排放尾氣的處理中應(yīng)用SCR技術(shù)的有效措施。

1? SCR系統(tǒng)的基本介紹

1.1 SCR技術(shù)的工作原理

SCR系統(tǒng)是用于處理柴油機廢氣的裝置，在超過300攝氏度的溫度且低于400攝氏度的溫度環(huán)境中，將化學(xué)反應(yīng)原理充分利用，使尿素或者氨氣等還原劑與廢氣中的NOX之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使排放物中有氮氣和水蒸氣產(chǎn)生，并不會對空氣環(huán)境造成污染。SCR的主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

4NO+4NH3+02→MN2+6H2O+HEAT

6NO2+8NH3→7N2+I2H2O+HEAT

6NO+4NH3→6H20+5N2+HEAT

1.2 SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

SCR系統(tǒng)是有兩個系統(tǒng)所構(gòu)成，即尿素系統(tǒng)和反應(yīng)器。從反應(yīng)器的組成情況來看，以陶瓷催化元件為主，還包括尿素系統(tǒng)的儲存系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。在實際的工作中，當SCR系統(tǒng)達到一定的溫度之后，如果溫度不合適，會對系統(tǒng)的工作產(chǎn)生不良影響。由于柴油機有不同的類型，其排放期間有很大的溫差，所以需要采用不同的SCR裝置，通常而言，四沖程柴油機和二沖程柴油機都是比較常用的。（圖1：SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）

1.3 SCR系統(tǒng)的運行流程

首先將固體尿素和淡水在一定溫度下充分攪拌，所形成的混合溶液經(jīng)過測量之后，質(zhì)量分數(shù)為40%，然后放入儲存柜以備使用。然后，使用尿素供給泵將尿素溶液送入計量模塊中的儲存柜，感應(yīng)的時候可以發(fā)揮氧化鋯傳感器的作用，了解SCR反應(yīng)之前和之后煙氣中所含有的NOX量，將有關(guān)的數(shù)據(jù)向計算機中傳輸，計算機通過比較傳感器的測量值以及估計值，將尿素溶液實際使用量的指示給出來，將標準量的尿素溶液與風機提供的熱風混合在一起，經(jīng)過熱解之后，向柴油機排氣管中注入[1]。這個時候，柴油機排氣管中的尿素溶液在高溫環(huán)境中發(fā)生分解反應(yīng)，就會有NH3和H2O生成，與廢氣充分混合，保持混合均勻之后，進入到SCR反應(yīng)器中。此時催化劑發(fā)揮催化作用，催化劑中的NOX在NH3的作用下還原，成為N2和H2O，這兩項物質(zhì)不會對環(huán)境造成污染。（圖2：SCR系統(tǒng)的運行流程）

2? 減少排放柴油發(fā)動機有害氣體量的方式

目前，實際使用柴油機的時候，會排放出大量的氣體，其中含有有害物質(zhì)，對環(huán)境造成污染，影響大氣環(huán)境質(zhì)量，而且嚴重威脅人們的健康。在柴油機運行的過程中，所排放的主要氣體為碳氧化物。在處理排放氣體的時候，可以采用兩種處理方式：第一種是煙氣脫硝的處理方式;第二種是燃燒控制方式。

對這兩種方式進行簡要介紹，煙氣脫硝的處理方式中需要采用兩種技術(shù)，即選擇性非催化還原技術(shù)、SCR技術(shù)和熱碳還原法;燃燒控制方式的應(yīng)用非常廣泛，主要包括廢氣再循環(huán)技術(shù)和均質(zhì)充量壓燃技術(shù)。

3? SCR系統(tǒng)的控制方式

柴油機在運行的過程中，程序是非常復(fù)雜的，而且還會影響到排氣溫度以及空氣的流量。因此，對尿素溶液噴射采用動態(tài)控制的方式，就是SCR控制系統(tǒng)在運行的過程中可以起到動態(tài)控制的作用，發(fā)揮其功能，保證 SCR系統(tǒng)處于良性運行狀態(tài)。如果噴射的尿素溶液量嚴重不足，碳氧化物要進行轉(zhuǎn)化必然會受到影響，碳氧化物的還原效果會有所降低[2]。如果注入很大量的尿素溶液，會產(chǎn)生氨泄露的問題，當氨在空氣中揮發(fā)，會刺激到人體的呼吸道，也會對暴露在空氣中的金屬物腐蝕，此時就需要從實際情況出發(fā)選用科學(xué)有效的控制方式，并不斷優(yōu)化控制系統(tǒng)，也就是說，在開展控制工作中，可以采用閉環(huán)系統(tǒng)，也可以采用開環(huán)系統(tǒng)。當應(yīng)用閉環(huán)控制系統(tǒng)的時候，處于尿素溶液的開口的位置，積極可以實現(xiàn)檢測，最大限度地實現(xiàn)碳氧化物轉(zhuǎn)化，最大限度地控制氨氣泄漏問題。（圖3： SCR系統(tǒng)的控制流程）

解析SCR系統(tǒng)的控制流程：啟動SCR系統(tǒng)的控制流程，先對尿素泵進行溫度測試，對尿素泵的溫度做出判斷，看其是否低于解凍溫度。當尿素泵進入到加熱解凍狀態(tài)之后，查看尿素泵的解凍是否完成，當解凍完成之后開始計時，查看是否已經(jīng)接收到啟動信號，檢查計時的時長是否已經(jīng)超過預(yù)設(shè)時長，對尿素進行二次溫度測量，查看尿素的溫度是否低于解凍溫度，此時需要考慮兩種情況，如果尿素的溫度是低于解凍溫度，尿素泵不能啟動，如果尿素的溫度是不低于解凍溫度，就可以啟動尿素泵，整個的控制流程結(jié)束。

4? 柴油發(fā)動機中SCR技術(shù)的應(yīng)用

SCR技術(shù)的應(yīng)用減少了柴油機車輛的排放量，特別是柴油發(fā)動機型汽車在行駛的過程中，應(yīng)用該技術(shù)能夠有效地減少尾氣的排放量。實際上，SCR系統(tǒng)最早應(yīng)用于燃煤熱電廠，其所發(fā)揮的主要作用是處理碳氧化物[3]。德國是第一個使用SCR系統(tǒng)的國家，其首先在熱電廠應(yīng)用SCR技術(shù)，獲得了明顯成效，之后這項技術(shù)所應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，而且發(fā)展迅速，在高排放柴油機中應(yīng)用。SCR技術(shù)在中國的應(yīng)用始于2008年，有關(guān)的環(huán)境保護部門制定了詳細的排放控制政策，這就意味著應(yīng)用SCR技術(shù)已經(jīng)進入到關(guān)鍵階段，這個時候，SCR技術(shù)最適合我國國情的，主要體現(xiàn)為如下幾個方面：

其一，該系統(tǒng)的應(yīng)用中可以有效地節(jié)約燃料，SCR系統(tǒng)的油耗也比較少，略低于EGR+DPF系統(tǒng)，其尿素水溶液消耗也少，能在油耗上得到有效補償;而且，如果能從現(xiàn)在開始采用SCR技術(shù)，發(fā)揮其節(jié)能減排的作用，在未來很長一段時間內(nèi)都可以滿足排放法規(guī)的有關(guān)要求，直至引進歐V排放標準，甚至更高的排放標準[4]。

其二，在EGR+DPF系統(tǒng)中，將冷卻器的容積增加其中。相比之下，SCR系統(tǒng)只需增加1個儲槽，不會對其他的設(shè)計產(chǎn)生不良影響[5]。

其三，發(fā)動機沒有很高的復(fù)雜性，應(yīng)用SCR系統(tǒng)可以滿足國三標準，同時也可以滿足國四標準，部分地區(qū)可以提前將該系統(tǒng)系統(tǒng)引進，做好調(diào)試工作和試運行的各項指標符合要求之后，就可以投入使用。

5? 處理柴油機尾氣的時候應(yīng)用SCR技術(shù)

處理柴油機尾氣的時候應(yīng)用SCR技術(shù)，主要體現(xiàn)在四個方面，即二沖程柴油機中應(yīng)用SCR技術(shù)、四沖程柴油機中應(yīng)用SCR技術(shù)、催化反應(yīng)器應(yīng)用SCR技術(shù)以及對SCR系統(tǒng)造成影響的因素[6]。具體如下：

5.1 二沖程柴油機中應(yīng)用SCR技術(shù)

一般來說，二沖程柴油機的排氣溫度不能超過400攝氏度，但增壓器出口溫度低于SCR系統(tǒng)的實際工作范圍，僅在230攝氏度和260攝氏度之間。因此，對于二沖程柴油機來說，SCR系統(tǒng)應(yīng)該安裝在增壓器的前面，因為它的進氣壓力明顯高于四沖程柴油機的SCR系統(tǒng)，所以也稱為“高壓SCR系統(tǒng)”[7]。這種系統(tǒng)需要根據(jù)柴油機的起動、減速、加速等不同工況進行控制和調(diào)整，對柴油機的工作產(chǎn)生很大的影響。

5.2 四沖程柴油機中應(yīng)用SCR技術(shù)

四沖程柴油機的排氣溫度超過400攝氏度，當增壓器出口的廢氣溫度低到一定程度的時候，也可以保證溫度不會超出SCR系統(tǒng)運行范圍。所以，為了減少SCR系統(tǒng)對柴油機的影響，有必要將SCR系統(tǒng)安裝在增壓器出口和排汽鍋爐之間，即低壓SCR系統(tǒng)[8]。SCR系統(tǒng)安裝在四沖程柴油機上比較簡單，技術(shù)也比較成熟，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

5.3 催化反應(yīng)器應(yīng)用SCR技術(shù)

在SCR系統(tǒng)的運行過程中，最重要的設(shè)備是催化反應(yīng)器，它主要為NOX催化還原反應(yīng)提供可靠的反應(yīng)場所、反應(yīng)條件以及催化劑。目前，金屬氧化物是比較常用的催化劑，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，催化劑可以劃分為兩種，即蜂窩型催化劑和波紋板型催化劑，其中，蜂窩型催化劑是比較常用的。反應(yīng)器的尺寸的設(shè)計需要根據(jù)實際的空間布局和催化劑用量進行，以避免出現(xiàn)不完全反應(yīng)的問題，確保其價值充分發(fā)揮。

5.4 對SCR系統(tǒng)造成影響的因素

采用SCR系統(tǒng)減少排放量，對于應(yīng)用有很高的要求，因此SCR系統(tǒng)的實際減排所獲得的效果通常會受很多因素的影響，具體如下：

其一，SCR系統(tǒng)受到溫度因素的影響。采用SCR系統(tǒng)進行還原反應(yīng)的時候，需要考慮溫度問題，必須有一定量的氧氣，并保證溫度合適。如果反應(yīng)溫度覅長高，可能導(dǎo)致NH3自燃，不能與NOX發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果反應(yīng)溫度非常低，反應(yīng)速度就會降低，當達到一定程度之后，化學(xué)反應(yīng)就會停止，在進行實際反應(yīng)的過程，會有蒸汽產(chǎn)生，對SCR催化劑起到一致作用，使其失去活性，導(dǎo)致反應(yīng)不完全[9]。

其二，影響柴油質(zhì)量的因素。在SCR系統(tǒng)的實際使用過程中，柴油機所使用的柴油質(zhì)量會大大影響SCR系統(tǒng)運行中所發(fā)揮的性能。例如，柴油中的硫含量可能會將裝置中的催化劑毒化，使其不能很好地發(fā)揮催化作用，SCR系統(tǒng)的運行效率降低，減排能力也相應(yīng)地降低。

6? SCR技術(shù)的應(yīng)用前景

SCR系統(tǒng)的應(yīng)用中，可以有效降低柴油機的NOX排放，其降低量高達80～95%，符合相關(guān)排放標準，并且SCR系統(tǒng)的使用中不會對柴油機造成太大的改變，也不會影響燃油的經(jīng)濟性。SCR系統(tǒng)在實際應(yīng)用中能夠很好低發(fā)揮其應(yīng)用價值。比如，在造船行業(yè)應(yīng)用SCR系統(tǒng)，可以很好地發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用SCR系統(tǒng)的時候，依然會存在一些問題，比如，在初始安裝SCR系統(tǒng)的時候，需要投入的資金量比較大，而是設(shè)備的體積也非常大，需要占用很大的空間，這些必然會在一定程度上制約了SCR系統(tǒng)的發(fā)展。此外，SCR系統(tǒng)還會存在廢氣溫度無法有效控制的問題，催化劑失去了活性，由此會使SCR系統(tǒng)在運行的過程中催化還原能力降低。因此，在實際選擇SCR系統(tǒng)減少排放量的的過程中，應(yīng)注意幾個問題：

其一，在實施認證測試的時候，所用催化劑都要能夠很好地發(fā)揮功能，SCR系統(tǒng)各單元的性能良好，SCR反應(yīng)器所具備的NOX減排率符合有關(guān)的標準，同時還選用能夠與柴油機充分結(jié)合的產(chǎn)品，充分發(fā)揮各種裝置的作用;

其二，在布置系統(tǒng)的時候，有關(guān)人員需要對SCR系統(tǒng)布置情況深入了解，明確設(shè)置的區(qū)域，同時還要采取有效的方法在機艙內(nèi)布置反應(yīng)器，使SCR系統(tǒng)的安裝量減少，避免占用很大的空間，同時投入的資金量也大大減少。

7? 結(jié)束語

通過上面的研究可以明確，柴油機在運行的過程中所釋放的有害氣體有一定的毒性，不僅會污染空氣，還會對人體健康造成威脅。采用SCR技術(shù)可以有效地解決這方面的問題。從中國當前的發(fā)展情況來看，人們對于環(huán)境保護方面的問題高度重視，所以制定了對NOX的排放嚴格限制的標準，這對于企業(yè)的發(fā)展是一種挑戰(zhàn)。應(yīng)用SCR技術(shù)可以使NOX排放量降低。在處理柴油機尾氣的時候應(yīng)用該技術(shù)，可以使NOX的排放與有關(guān)的排放標準相符合，其使用價值非常大。所以，企業(yè)在生產(chǎn)運營中要使柴油發(fā)電機所排放的氣體符合排放標準，應(yīng)用SCR技術(shù)是非常必要的，可以使NOX的排放量大大降低，避免對生態(tài)環(huán)境造成污染，使環(huán)境保護工作做到位，對中國綠色戰(zhàn)略措施的有效實施起到一定的促進作用。

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