淺析柴油機(jī)SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶機(jī)理和解決思路

周明勝 曲興年 李元臻 陳修娟

摘要： 針對(duì)柴油機(jī)選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)出現(xiàn)的尿素結(jié)晶問題，在尿素結(jié)晶形成機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出影響尿素結(jié)晶的關(guān)鍵因素，通過一系列改進(jìn)措施，在滿足排放法規(guī)的前提下，降低了結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域尿素噴射量，增強(qiáng)了廢氣與氨氣的混合均勻性，進(jìn)一步改善了流動(dòng)的均勻性，提升了抗結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)的能力。結(jié)果表明，能夠有效解決尿素結(jié)晶問題。

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.

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī);選擇性催化還原;尿素結(jié)晶

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

中圖分類號(hào)：TK421+.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0010-03

0? 引言

柴油機(jī)以其扭矩大油耗低的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等領(lǐng)域，但是柴油機(jī)尾氣中的污染物對(duì)大氣危害日益嚴(yán)重[1]。柴油機(jī)排氣具有溫度低、氧氣含量高等特點(diǎn)，使得去除NOx的難度很大，因而高效去除柴油機(jī)排氣中的NOx一直是催化化學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是目前滿足排放法規(guī)降低NOx的重要技術(shù)路線[2]?，F(xiàn)有SCR技術(shù)主要通過尿素噴射系統(tǒng)噴射車用尿素水溶液，在催化劑的作用下，把柴油機(jī)尾氣中的NOx還原成N2和H2O。使用SCR技術(shù)，隨之帶來的問題就是尿素結(jié)晶問題[3]。尿素結(jié)晶問題不但能夠使后處理不能正常工作，結(jié)晶嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放水平[4]。

本文主要從結(jié)晶的形成機(jī)理出發(fā)，分析影響結(jié)晶的關(guān)鍵影響因素，結(jié)合試驗(yàn)研究，通過控制尿素噴射量和優(yōu)化SCR系統(tǒng)硬件等手段解決結(jié)晶問題。

1? 結(jié)晶形成機(jī)理

1.1 SCR催化轉(zhuǎn)化器中主要化學(xué)反應(yīng)

①尿素的分解。

尿素液滴的水汽蒸發(fā)，變成固態(tài)或熔融態(tài)。

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

尿素在排氣管中分解成等量的NH3和HNCO（異氰酸）

（NH2）2CO（molten）→NH3+HNCO（2）

雖然HNCO氣態(tài)時(shí)非常穩(wěn)定，但是在SCR催化轉(zhuǎn)化器里非常容易水解成NH3和CO2

HNCO+H2O→NH3+CO2（3）

②NH3選擇性催化還原反應(yīng)。

在柴油機(jī)正常工況下，SCR催化轉(zhuǎn)化器中主要存在兩種NH3選擇性催化還原反應(yīng)，其中最主要的反應(yīng)如下式（通常稱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)），從方程中可知，NH3和NO的化學(xué)計(jì)量比為1：1，NH3只轉(zhuǎn)化了NO而不沒有和NO2反應(yīng)。第二個(gè)反應(yīng)如式（5），其反應(yīng)速度比標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)（4）快近十倍，稱為快反應(yīng)。

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（4）

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O（5）

③氨的吸附與解吸附。

按Eley-Rideal機(jī)理定義反應(yīng)過程，NH3分子吸附到催化劑活性中心位，和氣態(tài)的NO和NO2反應(yīng)。吸附過程表示如下：

NH3+S→NH3（ads）（6）

1.2 結(jié)晶機(jī)理? 尿素水溶液理論上在SCR催化轉(zhuǎn)化器中經(jīng)過熱解最終生成NH3和HNCO（異氰酸），但實(shí)際過程中可能會(huì)摻雜著一些其余的化學(xué)反應(yīng)參與。當(dāng)尿素水溶液分解后生成HNCO（異氰酸），在150℃-190℃左右，HNCO（異氰酸）一定條件下能夠與尿素反應(yīng)生成縮二脲（N3H5（CO）2）。隨著溫度升高，在250℃-300℃左右能夠反應(yīng)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。隨著這些在尿素分解過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物不斷沉積在SCR催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)壁上，導(dǎo)致了結(jié)晶的生成。所以結(jié)晶的主要是以縮二脲和三聚氰胺等為主的混合物，其中以縮二脲為主的結(jié)晶成分分解溫度較低，而以三聚氰胺等為主的結(jié)晶成分分解溫度相對(duì)比較高。

1.3 影響因素? 結(jié)合結(jié)晶生成的機(jī)理，尿素在分解過程中的反應(yīng)相對(duì)比較復(fù)雜，而結(jié)晶的生成受當(dāng)時(shí)的反應(yīng)溫度、氣體混合物的混合均勻性和流動(dòng)的均勻性等影響比較大。將這些主要影響因素轉(zhuǎn)換成發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度、排氣流量、尿素噴射量以及SCR系統(tǒng)硬件等因素。其中排氣溫度、排氣流量和尿素噴射量決定了不同區(qū)域的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)程度，SCR系統(tǒng)硬件（包括噴射系統(tǒng)、混合器和載體尺寸等）代表了其抗結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)的能力。

2? 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備? 試驗(yàn)使用一臺(tái)電控高壓共軌缸內(nèi)直噴柴油機(jī)和SCR系統(tǒng)進(jìn)行，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)。其中SCR系統(tǒng)包括SCR催化轉(zhuǎn)化器、氮氧傳感器、上游溫度傳感器、尿素噴嘴、尿素泵、尿素箱、尿素管等。試驗(yàn)所用設(shè)備包括湘儀電力測(cè)功機(jī)、ABB進(jìn)氣流量計(jì)、HORIBA氣體分析儀，AVL瞬時(shí)油耗儀等。

2.2 試驗(yàn)方案? 該試驗(yàn)主要利用解耦的原理對(duì)影響因素進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，試驗(yàn)方案見表1。試驗(yàn)所用路譜為整車采集的結(jié)晶嚴(yán)重的實(shí)際路譜工況（簡(jiǎn)稱“結(jié)晶路譜”），結(jié)晶路譜包含360個(gè)工況點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上運(yùn)行完一個(gè)循環(huán)路譜需要6min，針對(duì)表中的三個(gè)方案在結(jié)晶工況循環(huán)運(yùn)行100小時(shí)，每50個(gè)小時(shí)（500個(gè)結(jié)晶路譜循環(huán)）停機(jī)檢查結(jié)晶情況進(jìn)行分析，當(dāng)運(yùn)行前50h后，如果出現(xiàn)明顯結(jié)晶則試驗(yàn)即可結(jié)束。在運(yùn)行結(jié)晶路譜工況前，需確保SCR內(nèi)無結(jié)晶，正式運(yùn)行后，過程中的結(jié)晶無需清理。

3? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 尿素噴射量影響? 針對(duì)結(jié)晶循環(huán)工況的落點(diǎn)，對(duì)SCR上游溫度和廢氣量進(jìn)行分析，在結(jié)晶循環(huán)工況區(qū)域?qū)δ蛩貒娚溥M(jìn)行減噴，分別減噴10%和15%，對(duì)結(jié)晶情況進(jìn)行驗(yàn)證。尿素噴射量減噴10%后的結(jié)晶情況如圖1（a），50h后出現(xiàn)了結(jié)晶。尿素噴射量減噴15%后的結(jié)晶情況如圖1（b），50h和100h后均未出現(xiàn)了結(jié)晶。試驗(yàn)驗(yàn)證尿素噴射量對(duì)結(jié)晶的影響比較大。尿素溶液進(jìn)入混合器后部分液滴會(huì)與接觸面接觸，形成液膜，尿素結(jié)晶需要經(jīng)歷尿素液滴蒸發(fā)分解、尿素沉積、結(jié)晶生成和結(jié)晶分解這幾個(gè)過程。在排氣溫度和流量一定的前提下，尿素噴射量過大會(huì)導(dǎo)致更多未能轉(zhuǎn)化的尿素不斷沉積形成尿素結(jié)晶。

3.2 SCR載體尺寸影響? 通過增加SCR載體的長(zhǎng)度來驗(yàn)證對(duì)尿素結(jié)晶的影響，增加載體長(zhǎng)度后運(yùn)行50h結(jié)晶路譜工況循環(huán)有輕微結(jié)晶（如圖2（a）），100h后有明顯結(jié)晶（如圖2（b））。通過試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比原載體尺寸，增加適量載體長(zhǎng)度能夠一定程度上降低尿素結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。該SCR載體采用的材料是堇青石，這種材質(zhì)具有相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù)，良好的熱沖擊性以及熱穩(wěn)定性。增加適量載體長(zhǎng)度后，載體的體積隨之變大，對(duì)于相同廢氣流量，其空速會(huì)變小，混合氣體流場(chǎng)分布會(huì)趨于均勻，這樣會(huì)對(duì)于提升氮氧的轉(zhuǎn)化效率有利，進(jìn)而提升尿素的利用率，減小尿素結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 混合器對(duì)結(jié)晶的影響? 新混合器增加了多孔板結(jié)構(gòu)，在增加載體長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)晶路譜工況驗(yàn)證，50h和100h結(jié)晶路譜循環(huán)均未出現(xiàn)結(jié)晶，如圖3。從試驗(yàn)的結(jié)果分析，混合器后端增加的多孔板結(jié)構(gòu)能夠降低尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，增加多孔板能夠促進(jìn)尿素水溶液分解產(chǎn)生的NH3更好的與廢氣混合，提升氣體混合物流動(dòng)的均勻性，降低尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)?；旌掀魇荢CR系統(tǒng)重要的組成部件之一，它能夠改變氣體在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，促使不同氣體之間充分混合。SCR轉(zhuǎn)換催化器前端氣體如果出現(xiàn)混合不好，就會(huì)出現(xiàn)前端的氣體濃度分布不均勻，進(jìn)而使局部的氨分布過高或者過低，導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)換效率的降低和氨泄漏增大，同時(shí)局部氨分布過多也會(huì)增加尿素結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，減少結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域尿素噴射量、增加SCR載體長(zhǎng)度和優(yōu)化混合器，在一定條件下，都能降低尿素結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。本次以結(jié)晶形成機(jī)理分析為基礎(chǔ)，運(yùn)用試驗(yàn)手段，綜合采用減少尿素噴射量、增加適量載體長(zhǎng)度和合理優(yōu)化混合器結(jié)構(gòu)三種措施解決尿素結(jié)晶問題。

4? 結(jié)論

①結(jié)晶的形成原因比較復(fù)雜，在優(yōu)化結(jié)晶時(shí)需要從排氣溫度、排氣流量和氣體混合濃度等多方面的因素出發(fā)，合理制定措施來降低結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。②發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制系統(tǒng)是為了滿足排放達(dá)到排放法規(guī)要求的，對(duì)于結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，要在滿足排放法規(guī)的前提下盡可能少噴尿素，減少結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，但過度減少尿素噴射量會(huì)導(dǎo)致排放不滿足法規(guī)要求。③并不是載體長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，過長(zhǎng)的載體長(zhǎng)度不但使成本升高，同時(shí)還會(huì)因?yàn)檩d體長(zhǎng)度增加導(dǎo)致的過大壓力損失使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能惡化。

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