尿素系统优化及催化器的研发探讨.pdf

江苏大学 硕士学位论文 尿素SCR系统优化及催化器的研发探讨 姓名：罗晶 申请学位级别：硕士 专业：热能与动力工程 指导教师：王谦 20090604 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了柴油机尾气后处理技术选择性催化还原技术( S C R ) 。该技 术原理是利用还原剂在催化剂的作用下，在富氧的环境内将氮氧化物选择性还原 生成氮气和水。本文对此技术进行了详细的研究。研究成果对于S C R 系统在中重 型客车上具有主要意义。 本文研究了S C R 系统的特性，其主要包括喷射单元、催化器、控制系统。 针对6 缸柴油机的S C R 系统利用C F D 软件，建立了尾气管内流动、混合数学模 型，并模拟了尿素喷雾，蒸发的过程及与尾气混合的分布场，通过模拟结果，对 喷嘴的安装位置和尾气管道的布置进行了优化，实验结果表明催化剂的转换效率 有明显的提高。 本文以车用6 缸发动机为对象进行了催化器的匹配研究，主要从涂层、载体， 封装三个方面进行选择匹配，经过大量资料和模拟结果的分析，选择涂层为T i 0 2 一V 2 0 5 ，载体为堇青石4 0 0 7 ，桶式封装的催化器。该催化器可以满足中重型发动 机的主要排气温度范围内高效的转换效率，较小的排气背压，而且还具有性价比 高，便于安装等优点。 尿素的喷射策略也是S C R 技术的主要问题之一。本文通过实验研究，制定 了在发动机不同的转速、扭矩下合理的尿素喷射量。通过发动机的E S C 和E T C 试验研究表明，N O x 的排放可以降低6 5 ，并有效控制了N H 3 的二次污染。 关键词：柴油机，选择性催化还原，催化器，尿素喷射策略 江苏大学硕士学位论文 A B S T R A C T S C R ( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) i sc u r r e n t l yc o n s i d e r e d o n eo ft h em o s t e f f e c t i v ed i e s e la f t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s W i t ht h ea i do fc a t a l y s t ，r e d u c i n ga g e n t a n dN O xr e a c t e di n t on i t r o g e na n dw a t e r A na f t e rt r e a t m e n ts y s t e mb a s e do nt h eS C R p r o c e s sc a nr e d u c et h eN O x e m i s s i o n so fh e a v y - d u t yd i e s e le n g i n e st ov a l u e sb e l o w t h ef o r t h c o m i n gC h i n aI V 、Ve m i s s i o ns t a n d a r d s T h er e s e a r c hi sm a i n l ya b o u tS C Rs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c I ti sc o m p o s e do f d o s i n gv a l v e ，c a t a l y s ta n dc o n t r o lu n i t W i t ht h e a i do fC F D ，a3d i m e n s i o nm o d e lh a s b e e nm a d et os e tu pt h ef l o wo fd i e s e lS C R s y s t e m s ，m i x e d m a t h e m a t i c a lm o d e la n d s i m u l a t eu r e as p r a y , e v a p o r a t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no fm i x e dg a sf i e l d A c c o r d i n gt o r e s u l t s ，d o s i n gv a l v ei n s t a l l a t i o np o s i t i o na n de x h a u s tp i p el a y o u th a v eb e e no p t i m i z e d I tw i l ln o to n l yb et oi m p r o v eS C Rc o n v e r s i o nr a t i ob u ta l s oa v o i dc r y s t a l l i z a t i o n p h e n o m e n a I nt h i sp a p e r , 6 - c y l i n d e re n g i n ev e h i c l e sh a v eb e e nt a r g e t e dt om a t c ht h es t u d yo f c a t a l y t i cc o n v e r t e r s Aa p p r o p r i a t ec a t a l y s ti sn e e d ，m a i n l yt a k i n gi n t oa c c o u n tc o a t ， c a r d e r , e n c a p s u l a t i o n A c c o r d i n gt ol o t so fi n f o r m a t i o na n ds i m u l a t e dr e s u l t s ，ab a r r e l c a t a l y s tw i t hT i 0 2 - V 2 0 54 0 0 7 i sc h o o s e d T h ec a t a l y s tc a nk e 印h i g l lc o n v e r s i o n r a t i oa tt h em a i nt e m p e r a t u r er a n g eo fe n g i n ee x h a u s t ，a n dc a nc a u s es m a l l e r b a c k p r e s s u r e I ti sc o s t - e f f e c t i v ea n de a s yt oi n s t a l l a t i o n U r e ad o s i n gs t r a t e g yi sak e yp r o b l e m B yt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h ，ad o s i n g s t r a t e g yh a sb e e ns e td o w nu n d e rt h ed i f f e r e n ts p e e da n dt o r q u e T h ee n g i n ew i t hS C R c a nr e d u c eN O xe m i s s i o nb y6 5 a n dr e d u c eN H 3 s l i pi nE T C a n dE S C K E YW O R D S ：d i e s e l ，s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ，c a t a l y s t ，u r e ad o s i n gs t r a t e g y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囤。 学位论文作者签名：丐孙 冲年b 月7 E l f 摹 ，扩 夕日 ： 月 名签 年 币 J y教导匕日。-r 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：丐昆 日期：冲年1 月7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百了匕 在诸多环境问题中，大气污染是一个十分严重的问题。由于人类活动和自然 过程导致某些物质介入到大气中，使大气中固有的正常成分中增加了新的有毒有 害成分积累到足够的浓度，从而对人类活动，动植物以及大气环境造成危害，同 时这些新的有毒有害成分之间会发生相互反应，导致危害更重的一次污染，如光 化学污染。 目前全球汽车保有量已近7 亿辆，汽车己成为人类最重要的运输工具和代步 工具，它提高了社会的生产效率，改善了人们的生活质量。但随着汽车保有量的 增加，消耗了大量的石油资源，加剧了能源危机；同时，发动机燃烧后排放出的 氮氧化物( N O x ) 、碳氢化合物( H C ) 、一氧化碳( C O ) 、颗粒物( P 等也严重污 染了大气环境。尤其是人口稠密、交通发达的大城市的空气质量。2 0 0 5 年在全 球范围内监测的5 2 2 个城市中，空气质量达到一级标准的城市占4 2 ，二级标 准的城市占5 6 1 ，三级标准的城市占2 9 1 ，劣于三级标准的城市占1 0 6 。 广州、北京、宁波、上海、杭州、哈尔滨、乌鲁木齐、南京、成都和武汉等 大城市的空气中二氧化氮浓度较高。1 1 3 个大气污染防治重点城市中城市空气质 量为三级的占5 1 3 ，城市空气质量劣于三级的占6 2 。 2 0 0 5 年，全国开展酸阿监测的6 个市( 县) 中，出现酸雨的城市占5 1 3 ， 其中浙江省象山县、安吉县，福建邵武市，江西瑞金市酸雨频率为1 0 0 。 与2 0 0 4 年统计的5 2 7 个城市相比较，出现酸雨的城市比例增加了1 8 个百 分点；降水P H 年均值低于5 6 的城市比例增加了0 7 个百分点，其中P H 值小 于4 5 的城市比例增加了1 9 个百分点。酸雨频率超过8 0 的城市比例增加了2 8 个百分点。降水P H 年均值低的城市以及高酸雨频率的城市比例均比2 0 0 4 年有 所增加，表明2 0 0 5 年酸雨污染较2 0 0 4 年有所加重【。 目前，柴油机以其优良的燃油经济性与动力性能而备受青睐，但柴油机存在 的一个最大问题就是氮氧化物与颗粒排放严重【2 】，而N O x 的依旧是我们面对的 一大挑战。康明斯公司认为：“( 在欧阶段) 机内净化措施已经发展到了尽头， 江苏大学硕士学位论文 后处理器的使用是必不可少的。”在这种形势下，N O x 净化效率高而且在C O 排 放和油耗经济性方面具有优势的选择性催化还原( S C R ，S e l e c t i v eC a t a l y t i c R e d u c t i o n ) 系统越来越得到各发动机制造商的青睐，并把它作为机外净化的关键 技术之一进行研究和推广，已成为重型柴油机尾气处理的主要技术之一。 1 2 氮氧化物( N 0 x ) 生成机理 1 2 1N O 的生成机理 燃烧过程N O 的生成基本上分为3 种方式，根据产生机理的不同分别称之为 热力型( T h e m a l ) N O 、燃料( F u e l ) N O 以及瞬发( P r o m p t ) N O 跚。热力N O 主要是由 于火焰温度下大气中氮被氧化而成，当燃料的温度下降时，高温N O 的生成反应 会停止。燃料N O 是含氮燃料在较低的温度释放出来的氮所形成的；瞬发N O 是 形成热力和燃料N O 以外的其他机理所形成，主要是由于燃料产生的原子团与氮 气发生反应所产生。高温N O 的主要来源是发动机等大多数燃烧设备。燃料N O 主要来源是在低温燃烧条件下燃烧含有大量有机氮化物的燃烧设备。最高温度不 超过1 6 0 0 K 的湍流扩散火焰中瞬发N O 则成为N O 的主要来源。参与N O 生成的 化学原子团很多，反应过程十分复杂。此处仅对主要化学反应作一介绍。 1 ) 高温N O 的生成 在燃料空气混合气的燃烧过程中，分子氮被氧化为N O 的机理首先由泽尔多 维奇( Z e l d o v i c h ) 7 ：1 9 4 6 年提出，故从大气氮生成N O 的化学机理被称之为泽尔 多维奇( ( Z e l d o v i c h ) 机理。其后进一步完善，现在通常使用下列三个主要化学反应 方程描述N O 的生成和消失，也被称之为扩展的泽尔多维奇( z e l d o v i c h ) 机理哺1 ， 即 0 + N 2 = N O + N ( 1 - 1 ) N + 0 2 = N O + O ( 1 - 2 ) N + O H = H y l - - N O ( 1 - 3 ) 把质量作用定理用于式( 1 _ 1 ) ，( 卜2 ) ，( 1 - 3 ) 可得 d ( C n o ) d t = K h C o C N 2 + K 亿C N ( 勘+ K 8 C o C o H - I G o I C N o C N - - 瓯2 C N O C o K b 3 C N o C H ( 1 4 ) 2 江苏大学硕士学位论文 式( 卜4 ) 中C n o ，C o ，C N 2 ，C N ，C 0 2 ，C o ，C H 依次为各成分的物质的浓度，单 位m o l c m 3 ；l ( f ，K f l ，K u ，K 毋依次为化学反应方程式( 卜1 ) ，( 卜2 ) ，( 1 - 3 ) 的 正向反应速率常数；K b l ，K b 2 ，K b 3 依次为化学反应方程式( 1 _ 1 ) ，( 1 - 2 ) ，( 卜3 ) ， 的逆向反应速率常数。反应速率常数如表1 - 1 所示【5 1 。 表1 - 1 扩展的泽尔多维奇( z e I d o v i c h ) 机理中的反应速率常数 符号速率常数( c m 3 m o l 。1 S 。1 )温度范围( K ) K f l 7 6 x 1 0 ”x e x p ( 一3 8 0 0 0 T ) 2 0 0 0 5 0 0 0 K n 6 4 x 1 0 9 x e x p ( 一3 1 5 0 T ) 3 0 0 3 0 0 0 K s 4 1 x 1 0 1 33 0 0 2 5 0 0 K b l 1 6 X 1 0 1 33 0 0 5 0 0 0 I 2 1 5 x 1 0 9 x T x e x p ( 1 9 5 0 0 T ) 1 0 0 0 3 0 0 0 K b 32 4 x 1 0 1 4 x e x p ( 2 3 6 0 0 T ) 2 2 0 0 4 5 0 0 注：T 为反应时的温度，单位为K 。 当化学反应方程式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 达到化学平衡时，同一反应的J 下向和 逆向反应速率相等，用下角e 表示各平衡时的含量，把K f l C 0 e C N 2 e ，C C 0 2 c ， K f 3 C N 。C o r n 分别记为：R 1 ，R 2 ，R 3 则有： R I = K n C o e C 姚= 瓯l C C ( 1 5 ) R 2 = K f 2 C N e C 0 2 e = K b 2 C N o e C o e ( 1 6 ) R 3 = K 4 3 C N e C O H e = K b 3 C N o e C H e ( 1 7 ) 在N O 的生成反应中，除N 和N O 的生成时间相对较长外，其他成分可 假定为瞬时平衡。由式( 卜4 ) 一( 1 一刀得： d C N o d t = R l ( 1 一C N CN e CN o CN O e ) + R 2 ( C g C N o - CN o CN 0 0 + R 3 ( C N C N e - C N o C N o e ) ( 1 8 ) 同理可得： d C N d t = R l ( 1 - C 们N e 。Cs o CN 0 0 一R 2 ( C N C N e CN o CN 0 0 - R 3 ( C N C N e C N o C n 0 0 ( 1 9 ) 实验证明，式( 1 - 8 ) 中C N 大大小于其他物质的含量( 摩尔分数约为1 0 。8 ) ， 故可假设d C N d t = 0 。则式( 卜9 ) 可得： 3 江苏大学硕士学位论文 C N C N e = ( R 1 + R 2 C N o C N o e + R 3 C N o C N O e ) ( R I C N o C N o e - R E - R 3 )( 1 - 1 0 ) 令A = C N C N e ，B - - C N o C N o e ，代入式( 卜8 ) ，( 卜1 0 ) 有 d C N o d t = R 1 ( 1 一A B ) + R 2 ( A B ) + R 3 ( A B ) ( 1 1 1 ) A - ( R l + R 2 B + R 3 B ) ( R I B R 2 一R 3 ) ( 1 1 2 ) 故d C N o d t = 2 R 1 ( 卜B 2 ) 1 + R 1 B ( R 1 + R 3 ) ( 1 1 3 ) 因为N O 的形成速度远远低于燃烧速度，大部分N O 是在燃烧完成后形成的。 在靠近火焰主要反应区的下游划出一个火焰后区，将形成过程与燃烧过程分开， 假设燃烧过程达到了平衡状态，由此便可以计算出N O 的形成速度。因此，把该 温度下的平衡常数值和0 2 、N 2 、O 及O H 的含量值代入式( 1 1 3 ) ，便可使N O 的 计算大大简化。 2 ) 燃料N O 的生成 燃料中的氮化物主要为含N 的环状化合物或链状化合物。这些氮化物中的N 与空气中的N 相比，其结合键较小，在燃烧时容易分解成N H 3 ，H C N 等低分子 含氮化合物。这些低分子含氮化合物的氧化反应速度很快，与燃烧反应具有相同 的数量级。燃料N O 在燃烧区中其含量会超过其平衡计算值，而在火焰后区含量 较小。燃料N O 在化学当量比及贫燃料混合气中生成较多，而在富燃料混合气中 生成较少。燃料N O 的生成量受温度的影响较小。在低温条件下，燃料N O 是 N O 的主要来源，在温度升高时，高温N O 的含量会逐渐升高，成为主要来源【6 】。 3 ) 瞬发N O 的生成 在富燃料混合气的火焰中，N O 的形成速度要远大于局部平衡值，并且在反 应区的附近有较高含量的氰化物，主要为分子N 2 与燃料中碳氧化合物分解生成 的碳氧原子团C H 、C 2 、C 等反应生成，这些氰化物与火焰中大量的O 、O H 等 进一步反应生成N O ，称之为瞬发N O 。 故影响瞬发N O 生成的主要因素有三个，第一是燃料中碳氢化合物分解为 C H 等原子团的多少；第二是C H 等原子团与N 2 反应生成氰化物的速率；第三是 氮化物之间相互转换的速率。瞬发N O 主要发生在预混合富燃料混合气中，并且 反应速度很快，与停留时间无关，也与温度、燃料类型、混合程度无关。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 2N O ：的生成机理 燃烧过程中生成的N O ，除与含N 原子中间产物反应还原为N 2 外，还可 以与各种含氮化合物生成N 0 2 。相对N O 的生成量而言，N 0 2 的生成量较少。 化学平衡计算表明，在一般火焰温度下，已燃气中N 0 2 的体积分数与N O 相 比应可忽略不计。柴油机在大部分工况下，N 0 2 与N O x 之比在0 1 以下，但 在小负荷下此比值最高可达0 3 左右。事实上，火焰中生成的N O 可以通过 反应 N O + H 0 2 2 N 0 2 + O H 迅速转变为N 0 2 ，但N 0 2 又会通过反应 N 0 2 + O = N O + 0 2 重新变为N O ，除非在火焰中生成的N 0 2 通过与较冷的气体混和而冻结。因 此，小负荷的柴油机产生相对较多的N 0 2 。 1 3 机动车排放法规发展 为保护大气环境，各国相继制定了日趋严格的排放法规，用以控制汽车污染 物排放。自上世纪6 0 年代，美国颁布洁净空气法案以来，全世界开始了控 制汽车排放的历程，经过几十年的努力，目前已经形成了以美国、欧洲和日本为 代表的三大汽车排放法规体系。世界上许多国家都不同程度地采用这些法规，我 国引用了欧洲排放标准体系并结合本国国情制订了内燃机排放法规。 G B l 7 6 9 1 - 2 0 0 5 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限 值及测量方法对我国第1 I I 阶段、第阶段和第V 阶段发动机和汽车排气污染 物的限值和测量方法提出了要求。表卜2 为欧洲稳态测试循环( E S C ) 对排气污染 物的限值，表1 - 3 为欧洲瞬态测试循环( E T C ) 对排气污染物的限值，表卜4 是型 式核准执行R 期1 8 】： 5 江苏大学硕士学位论文 表1 - 2E S C 和E L R 试验限值 一氧化碳碳氢化合物 氮氧化物 颗粒物 烟度 阶段( C O ) ( H C ) ( N O x ) ( P M ) m 一1 g k w h g k w hg k w hg k w h I 2 10 6 6 5 00 10 1 3 1 0 8 1 50 4 63 50 00 5 V 1 50 4 62 00 00 5 E E V1 50 2 52 0O 00 2 ( 1 ) 对每缸排晕低y - 0 7 5 d m 3 ，及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机 根据G B l 7 6 9 1 2 0 0 5 的要求，对于安装了先进的排气后处理装置包括N O x 催化器和( 或) 颗粒物捕集器的柴油机，应附加E T C 试验舰程测定排气污染物。 表1 - 3E T C 试验限值 非甲烷碳氢 一氧化碳 甲烷氮氧化物颗粒物 化合物 阶段 ( C o ) ( C H 4 ) 1 ( N O x ) ( P M ) ( N M H C ) g k w hg k w hg k w hg k w h g k w h 0 1 6 I5 50 7 81 65 0 0 2 1 3 4 00 5 51 13 50 0 3 V4 00 5 51 12 00 0 2 E E V3 00 4 00 6 5 2 0O 0 2 ( 1 ) 对N G 发动机 ( 2 ) 不适用于第1 I I ，和V 阶段的燃气发动机。 ( 3 ) 对每缸排量低于0 7 5 d i n 3 ，及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机 表卜4 型式核准执行日期 第1 I I 阶段第阶段第v 阶段 2 0 0 7 年1 月1 日2 0 1 0 年1 月1 日2 0 1 2 年1 月1 日 目前，我国对重型柴油机的排放限制将全面进入第阶段，N O x 和颗粒物的 6 江苏大学硕士学位论文 排放限值分别由7 0 9 k w h 和0 1 5 9 k w h 降低到5 0 9 k w h 和0 1g k w h 。我国 加快法规施行步伐，在北京、上海分别在2 0 0 8 年、2 0 0 9 年率先实行国法规， N O x 和颗粒物的排放限值进一步降低到3 5 9 k w h 和0 0 2 9 k w h ，进度如图卜1 所示。 螈一 I 巫正生竺靠I I I ( 0 7 2 0 0 00 1 0 20 30 40 50 60 7 0 8 0 91 0112 0 1 2 图卜1 中国排放法规实行进度 1 4 降低N 0 。排放的技术 1 4 1 燃油的改质 1 ) 减少燃油中芳香烃成分，可以减少N O x 的排放； 2 ) 根据燃油的馏程，合理提高燃油的十六烷值，能有效降低N O x 的排 放； 3 ) 进行柴油的乳化处理。在柴油中加入适当的乳化剂，通过乳化燃料 中水的汽化降低缸套的温度和燃烧温度，减少N O x 的排放哼1 。 1 4 2 机内净化 柴油机机内净化的核心是对燃烧过程进行优化，使发动机达到燃烧充分、工 作柔和、启动可靠、排放较少的要求。 1 ) 改进燃烧系统使燃烧室的形状、供油系统、进气流动的匹配最佳。 如采用分隔式燃烧室比同规格的直喷式燃烧室N O x 的排放低 1 3 - 1 2 。 7 江苏大学硕士学位论文 2 ) 利用增压中冷技术，N O x 的排放量可降低6 0 一7 0 。 3 ) 采用废气再循环( E G R ) 。E G R 是将一部分排气导入进气系统中，通 过降低燃烧室燃烧的最高温度来降低N O x 的排放。 4 ) 进气管喷水。向进气管喷水降低了柴油机燃烧温度，从而可以降低 尾气中N O x 的排放。 1 4 3 机外尾气后处理旧1 1 ) 非选择催化还原( N S C R ) 。将还原剂喷入排气管，在催化器的作用 下与N O 。反应。还原剂很容易直接被氧化，消耗量极大。 2 ) 选择性催化还原( S C R ) 。与N S C R 相似，只是加强了还原剂对N O x 的选择性，抑制了还原剂与氧气的反应。 3 ) N O x 吸附转化器。先将N O ；转化为N 0 2 并储存，再喷入还原剂还原。 但是转化器对硫敏感；吸附温度范围比较窄。 4 ) 微粒捕集器，过滤下来的颗粒与N 0 2 反应生成N O 和C 0 2 ，而其再 生技术成为一大难题。 经过对比分析，尽管S C R 技术初装费用较高以及需要添加还原剂等缺点， 但是由于该技术N O ；转化效率较高，基本在7 5 以上，可以满足欧，V 的要求， 以及提高了燃油经济性，对硫的含量不敏感等优点，所以S C R 技术将成为我国 的重型柴油机实现欧，V 排放法规的最主要机外尾气后处理技术。 目前，实现国I 、V 法规的技术路线主要有两条，如图1 - 2 所示。第一条为 E G R + P D F ( 废气再循环+ 颗粒捕捉器) 方案，一般采用延迟喷油时间，使N O x 降低，P M 升高，然后通过颗粒捕捉器降低P M 值，再利用E G R 减少部分N O x 的排放。缺点：油耗增加，输出功率变小。而且我困的柴油依赖进口，油质差含 硫量大，由于D P F 技术对硫比较敏感，所以我国目前的柴油品质阻碍了该技术 在我国发展；第二条为S C R ( 选择性催化还原技术) ，与I j 面路线相反，采用高 压喷射，喷射正时提前使颗粒P M 符合V 标准，再用S C R 技术降低氮氧化物 的排放。图卜2 这种方法能够满足P M 排放的限制( 如E u r o V ) ，由于喷射正 时提前，提高了燃油经济性。与增加了油耗的E G R 技术相比，U r e a S C R 更加有 优势，尤其是在重型卡车上的应用。同样在燃油经济方面，S C R 技术比其他氮 8 江苏大学硕士学位论文 氧化物降低技术更有优势。如氮氧化物的吸附催化剂，由于吸附剂的再生造成燃 油消耗。据有关资料表明，即使考虑到尿素成本的消耗，采用S C R 技术燃油经 济性也将提高2 一3 。S C R 对燃油品质要求不高，对硫的含量也不敏感，这正适 合我国国情哼1 。综上所述，未来我国重型柴油机要实现国排放法规，S C R 技术 必然将成为主要技术手段。 02345 078 O “ N o ；l 蚋W 旧 图1 - 2 实现欧，欧V 的技术路线 1 5 本课题的研究背景 1 5 1 国内外研究现状 为了满足日趋严格的排放法规，国外许多汽车及发动机制造商已经开始把 S C R 技术运用到产品上，也就意味着S C R 开始进入实用阶段。 格伦德福斯托普索尿素S C R 系统月麦格伦德福斯公司和托普索科技公司合 作研发出卡车用新型柴油引擎催化转化器。该装置可节省4 的耗油量，将对人 体有害的纳米级P M 排放量减半，并降低N O x 和烃的排放量，减少柴油燃烧时 产生的异味。格伦德福斯公司作为泵和电了控制系统的供应商与催化剂的研制者 托普索公司进行了战略伙伴合作，开发出了这套系统。格伦福德斯公司估计至 2 0 1 0 年，这一装置在全球市场的销售总额将达到8 0 0 亿丹麦克朗( 约合9 6 亿美 元) 。这套尿素S C R 系统能够有效地消除大部分的N O x 和未燃H C 及柴油机排 气中那些危害人类健康的物质。柴油难闻的气味主要是它的成分中有未燃烃，将 未燃烃去除，柴油车的工作环境将得到很大的改善。S C R 系统基本由尿素储存 9 江苏大学硕士学位论文 罐、尿素喷射系统和催化器组成。通过向汽车排出的气体喷入尿素，尿素分解为 N H 3 来去除N O x 。N O x 与N H 3 反应在催化剂的表面生成没有危害的气体N 2 和 水蒸汽。H C 和P M 被留在催化器上，但不会与喷射的尿素混在一起。喷射的尿 素是质量分数为3 2 5 的溶液，用手接触是很安全的，不会对环境造成污染。 总部设在加拿大安大略省康科德市( C o n c o r d ，O n t a r i o ) 的D C L 国际公司 ( D C LI n t e r n a t i o n a lI n c ) 开发柴油机废气排放控制技术已有十五年的历史，产品 覆盖的柴油机功率范围从5 1 0 0 0 0 h p ，该公司最近推出一种选择性催化还原系 统( D C LS C R 系统) ，包括一个紧凑的催化反应器壳体，壳体中有S C R 剂块和一 个可任选的催化剂层。尿素或氨水调节喷射系统的特别设计，使排出废气流中的 还原剂分布均匀，同时尽量减少氨的滑失。系统会自动测量出一个与N O x 排放 量有关的参数，如柴油机负荷参数，并以此来控制还原剂的流量。控制系统可以 确保柴油机的N O x 排放率符合法规要求。为了使N H 3 的滑失量低于5 p p m ，而 N O x 的减少率超过8 5 ，N H 3 N O 的摩尔比应为0 9 - 一1 1 1 1 】。 针对计划于2 0 0 5 年1 0 月实施的欧标准，康明斯将采用集成式排放控制 系统砸M 技术，即把发动机缸内净化和尾气后处理集成在一起，实现“从进气 到排气”的全过程控制。为了有效地控制排放，康明斯m M 采用了高效的S C R ， 并由电控模块对其进行控制。电控系统能够根据发动机的实时工作状况，准确地 将适量的催化剂( 尿素溶液) 喷入S C R 装置前端的排气气流中。这个过程将产生 催化反应，从尿素溶液中释放N H 3 ，对排气中的N O x 进行还原，从而有效地减 少发动机的排放。电控系统还可根据的车载排放诊断系统( O B D ) ，驾驶员可以 通过驾驶室中的仪表或指示灯随时了解S C R 系统的运行情况。车载排放诊断系 统可以提醒驾驶员及时加注尿素溶液，按时对S C R 系统进行保养。在S C R 系统 工作过程中，尿素溶液以燃油消耗量5 的比例喷入排气气流中。根据车辆的不 同类型和使用情况，车辆上安装的尿素溶液储存罐与燃油油箱的容积比通常为 1 ：1 ，2 ：1 或3 ：1 。在欧洲，环保部门已经开始在商用车上推广使用S C R 系统， 用户可以方便地购买和使用尿素溶液，确保车辆排放满足欧标准。车辆使用 康明斯m M 系统后，燃油经济性的提升将抵消使用尿素溶液增加的成本。尿素 溶液的喷射由康明斯电控系统精确控制，可以完全消除尿素溶液的泄漏和产生的 气味1 1 2 1 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 戴姆勒一一克莱斯勒公司R 前宣布，为了使配备柴油机的商用车符合欧及 欧V 排放标准，采用了使用尿素的S C R 法【1 3 】该公司将于2 0 0 5 年上半年在卡车 及大巴中采用S C R 法，在2 0 0 6 年1 0 月符合区标准前，开始阶段性地支持欧 标准。该公司今后还将继续开发S C R 技术，以尽早达到欧V 标准的要求。S C R 法采用在尾气中喷射质量含量为3 2 5 符合D I N7 0 0 7 0 标准的雾状尿素水溶液 “A d B l u e “ 方法，将N O x 还原成N 2 及H 2 0 。尿素消耗量约为柴油消耗的6 。 长途运输的卡车，2 L 尿素可行驶1 0 0k m ，如配有1 0 0L 的燃料罐，补充一次尿 素可行驶5 0 0 0k m 。据报道，配备S C R 系统的维修成本等不会增加，无需使用 低S 柴油燃料【1 4 1 。 1 5 。2 本文研究意义和主要内容 本文将利用计算流体力学( C F D ) 模拟了尿素水溶液雾化蒸发过程。需在验 证了喷雾模型的基础上，分析管路中尿素结晶形成成因，改善尿素在尾气中分布 的均匀性，提高转换效率，得出优化的布置方案。 1 ) 不同工况下，尿素液滴的分布场。 2 ) 喷嘴位置会影响到尿素液滴在空间的分布均匀性及N H 3 的分布的均匀性。 3 ) 选择合适喷雾角度，减少尿素的的液滴受尾气流的影响。 4 ) 管路的尺寸的对尾气流场影响。 5 ) 分析尿素结晶的形成原因及解决办法。 6 ) 通过实验在考虑N H 3 的泄漏量限制，制定出合理尿素喷射策略。 1 6 本章小结 分析了柴油机有害排放物N O x 的生成机理，介绍了我国排放法规的发展， 特别是对柴油机N O x 和P M 排放的严格限制，以及N O x 排放的控制措施。指出 S C R 技术是我国目前柴油机实现国、国V 的主要手段，明确了柴油机N O x 排 放研究的紧迫性和方向。在查阅大量文献的基础上分析了国内外在该领域的研究 现状，提出本文研究的主要内容。 1 1 江苏大学硕士学位论文 第二章柴油机S C R 系统的工作原理和特性 2 1S C R 系统工作原理 选择性催化还原( S C R ，S e l e c t i v eC a t a l y t i cR e d u c t i o n ) 技术的原理是在富氧 条件下，向尾气中喷射还原剂，在S C R 催化剂表面选择性地与N O x 发生氧化还 原反应，生成N 2 ( 氮气) 和H 2 0 ( 水蒸汽) ，从而达到降低N O x 的目的。通常 将质量分数为3 2 5 尿素水溶液作为还原剂，又称A d B l u e 。尿素S C R 系统主 要反应机理主要有两个部分： 1 ) 热解机理 系统将A d B l u e 以液滴的形式喷入到尾气管中后排气后，随着液滴的雾化与 扩散，由于排气温度较高导致液滴水分蒸发从而产生固体或熔化的尿素( 熔点为 1 3 2 。C t l 5 】) 与并随之热分解为等物质的量的氨气和异氰酸( H C N O ) ，异氰酸在气相 时非常稳定【1 6 1 。因此，A d B l u e 从喷入排气到催化剂之前发生的物理化学反应过 程可以概括如下【1 7 1 。 ( N H 2 ) 2 C O ( 液体) 专( N H 2 ) 2 C O ( 固体) + 7 H 2 0 ( 2 - 1 ) ( N H 2 ) 2 C O ( 固体) N H 3 ( 气) + H C N O ( 气) ( 2 2 ) 2 ) 载体及催化剂表面化学反应机理 S C R 催化剂的表面化学反应极为复杂。可以简化如下5 个总包反应【1 8 。2 5 l ： H C N O + H 2 0 - N H 3 + C 0 2 ( 2 3 ) 4 N H 3 + 4 N O + 0 2 4 N 2 + 6 H 2 0 ( 2 4 ) 4 N H 3 + 2 N O + 2 N 0 2 - - ) 4 N 2 + 6 H 2 0 ( 2 5 ) 8 N H 3 + 6 N 0 2 “ - ) T N 2 + 1 2 H 2 0 ( 2 6 ) 4 N H 3 + 3 0 2 专2 N 2 + 6 H 2 0 ( 2 7 ) 如反应式( 2 - 3 ) 所示，尿素热分解产物之一的异氰酸在以氧化物为载体的催 化剂表面将与燃烧生成的水蒸气发生水解反应生成氨气和二氧化氮，其总反应速 率主要受到内外传质的限制。反应式( 2 4 ) 至式( 2 - 7 ) 表示的是N H 3 选择性还原 N O x 的S C R 反应。由于在发动机排气中N O 是最主要的氮氧化物( 含量约为9 0 9 6 ) ， 因此反应( 2 4 ) 被称为是标准S C R 反应。相关研成果表明，N 0 2 的存在可以提高 江苏太学硕士学位论文 反应速率当V ( N O z ) V ( N O ) 5 6 反麻速率最快，田此反应( 25 ) 被称作快 速S C R 反心。I jv ( N 0 2 ) V ( N O ) 比例继续增大时，反应( 26 ) 所示的缓慢 S C R 反应占主导作用使得总体转化效率降低。 22S C R 系统的介绍 奉文研究的S C R 系统如图2 - 1 所示，装载任额定助率为2 8 0 K W ，额定转速 1 9 0 0 r m i n 的6 缸柴油发动机上。棘索S C R 系统山控制器、球素泵、喷嘴、S C R 催化器组成。还原剂为A d B l u e ( 尿素水溶液，质量分数为3 25 ) 发动I K C A N 谤I r e , a n 图2 - iUr e a S C R 系统结构图 尿袭泵：在控制器的控制F ，将尿素从抹素罐中抽山，并取定量的尿素到喷嘴， 多余的麒素返抹素罐。 催化器：催化剂的储存容器，也是柴油机排气中的N O x 发生催化还原反应的 牛要卒间。S C R 后处理器提供了个有效的催化反应空间。其由三部 分组成：载体，涂层、封装。 控制器：采集发动机的转速和转矩信弓以及催化器的出几温度信号，按照控制 策略发出尿索水溶液流虽的控制指令。并”T 以接受系统的诊断信号， 对系统不同状态，作H 披时反应。 喷嘴：接收控制器的指令控制喷射尿素水溶液的流量。将尿素水溶液以雾化 江苏大学硕士学位论文 的形式在催化剂的上游喷射到排气管中。喷嘴用高压喷射尿素，使尿 素液滴雾化。雾化效果越好有助于催化剂的转换效率。喷嘴具有1 个 喷孔，直径为0 5 m m 。 尿素箱：装载尿素，根据燃油和尿素的消耗比，容积一般为油箱的1 2 。尿素 罐中配有尿素液位传感器，可以监控尿素的存储量，将信号输送给控 制器，提醒客户加装尿素。根据I S 0 2 2 2 4 1 标准要求尿素罐的材料选 用奥氏体铬一镍合金钢或铬一镍一铝合金钢，不能使用铜和镀锌材 料。 S C R 系统开始工作时，由控制器确认系统是否正常的状态，发出指令使尿 素泵开始建压，为尿素水溶液的输运提供动力。控制器采集柴油机的转速和转 矩信号以及催化器的出口温度信号，按照摔制策略发出需求的尿素水溶液流量 的控制指令，驱动电路驱动喷嘴动作，尿素水溶液与雾化空气混合经喷嘴进入 排气管，多余的尿素送回尿素罐中。在排气管中尿素水溶液经蒸发、热解以及 水解一系列的物理化学反应后部分或全部分解成氨气( N H 3 ) 和水( H 2 0 ) 并与排 气充分混合，然后进入S C R 催化器。在催化剂的催化作用下，氨气与N O x 迅 速反应生成氮气( N 2 ) 和水( H 2 0 ) ，随排气排入大气。控制器还以监测系统的异 常状态，如在冬季还原剂冻结，控制器可以发出指令使系统处于解冻状态。还 可对系统进行诊断，实现O B D ，如在没有还原剂的情况下，将会限制柴油车 输出扭矩。 2 3S C R 系统的特性 在选择性催化还原的技术中，还原剂的选择也曾是该技术的一大难题。早 在2 0 世纪7 0 年代提出的用氨气( N H 3 ) 作为还原剂的N O x 选择性催化还原法， 并从上个世纪九十年代就已经在部分发达国家的燃煤发电厂用此方法对N O 的 脱除率可达到9 0 以上，但实际由于N H 3 的喷射量的控制误差而造成的二次污染 等原因使得脱除率仅能达到6 5 一8 0 9 6 。难以解决如汽车发动机等移动源产生的 N O x 。 很多种氨类物质或碳氢化合物也可用作S C R 系统的还原剂，其中氨类物质 包括氨水、氨盐、固体尿素和尿素水溶液等。目I i f ，车用S C R 技术普遍采取尿 1 4 江苏大学硕士学位论文 素作为还原剂，其优点是其在催化剂前热解生成N F I a ，不产生有毒副产品。便F 运输和储喊，价格低廉。尿素水溶液是种无色无味的液体，无毒，尤其是可以 满足客运车的使用条件。 奉文对的尿素水溶的性质进行研究，确定还原剂应用中可靠性。在常温下， 尿索是同体颗粒物质( c A s # 5 71 36 ) ： 化学式：N H 2 C O N H 2 分子量：6 00 6 k g k m o l e 形态：无色棱柱 南度：W 2 0 * C ：1 3 3 5 k g m 3 熔点：1 3 27 “ C 溶解度：1 T C ：1 0 0 9 1 0 0 9 H 2 0 尽管尿素在水中的溶解度约为5 0 ，S C R 系统主要选择3 25 尿素溶液。该 浓度的液体，尿素结晶的温度最低为1 1 。而且其为其溶性水溶液，即在冰水 混合物的状忐，液体部分的浓度仍为3 25 。如图2 2 我幽幅员辽阔，在北方温度经常达到一1 1 “ ( 2 以下。根据文献口q ，尿素的质量 分数与尿素的结冰点的温度是有关系的。 1 4 。 12 0 邂0 0 至8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 碌素质鼙分数【】 图2 - 2 不同质量分数的尿素液体的结晶温度 在质量分数是3 25 时候尿素的结冰点的温度最低1 1 。选取3 25 质量分 数的屎索的抗冻性最好。但是低J l l H J ，尿素会完个冻结。遵i r 严格的排放 江苏大学硕士学位论文 法规标准给商用车领域带来巨大挑战，这要求S C R 系统必须携带尿素加热系统。 加热系统由控制单元逻辑控制开启与关闭。目前，尿素解冻的方法主要有两个： 目前常用的流行策略是使用电加热尿素管以及尿