柴油機尿素-SCR后處理技術研究現(xiàn)狀

陳全征，曹鋼，鄒世凡，申夢杰，王樂樂

（華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450045）

1 引言

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

2 尿素-SCR技術的基本原理

柴油機尿素-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行噴射。噴入的尿素水溶液與柴油機排出的廢氣進行混合。由于排氣溫度的影響，尿素水溶液發(fā)生熱解反應，生成氨氣和異氰酸，生成物伴隨尾氣一起進入SCR催化器，在催化劑的作用下，異氰酸會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，生成氮氣和水，排入空氣中。SCR的系統(tǒng)原理圖如圖1所示[2]。

尿素的熱解反應為：

尿素的水解反應為：

由于柴油機排氣中大部分是一氧化氮，此時催化器發(fā)生的主要的反應為：

此反應稱為標準SCR反應，當排氣溫度在300℃～500℃時，該反應有較高的反應速率，但是當溫度低于 250℃時（冷啟動或怠速工況下），反應速率有明顯的下降，這也是柴油機尿素-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SCR系統(tǒng)還能保持一個較高的催化反應速率，相關業(yè)內人士通過對催化反應機理研究發(fā)現(xiàn)，當一氧化氮和二氧化氮的百分比為1:1時，一氧化氮有很高的反應速率。由于反應速率大約是標準SCR反應速率的17倍，因此該反應稱為快速SCR反應，反應的化學方程式為：

3 尿素-SCR技術的研究熱點

目前國內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。江蘇大學劉軍等人設計了一種新的催化器，該催化器加速了尿素的熱解和水解。湖南大學譚理剛等人基于fluent軟件對有無混合器的催化器和混合器的位置影響進行了仿真，混合器使尾氣和氨氣混合的更加均勻，混合器的位置對NOx的轉化率有重要影響。大連理工大學蘇慶運等人基于fire和boost軟件對SCR系統(tǒng)內的化學反應和流動過程進行了研究。浙江大學高翔等人對尿素SCR系統(tǒng)的新型催化劑進行了研究，設計并開發(fā)了一種新的寬溫度窗口催化劑。

4 尿素-SCR技術的技術瓶頸

由于輕型柴油車的空間有限，其SCR催化轉化裝置通常設計的更加緊湊，例如縮短了催化劑載體的長度，噴嘴和催化器之間的距離以及排氣管的長度等，這樣就加大了排氣流場分布不均勻的可能性，使催化劑載體局部流速過快，縮短反應時間，導致 NOx 排放量上升。同時，催化器內可供排氣與尿素水溶液混合的區(qū)域減少，不利于尿素熱解水解反應的充分發(fā)生，從而減少還原劑的生成量，降低催化轉化效率。

實際應用中，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產(chǎn)生沉淀[3]，如圖2所示，該沉淀降低了NOx的轉化效率，增大了機動車的排氣背壓，嚴重影響了發(fā)動機的性能。

由于輕型車大多是奔跑在城市的道路上，中小負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嚴格而又精確的尿素噴射策略[4]。而且當出售的車輛運行一段時間之后，由于受到發(fā)動機管理系統(tǒng)各種控制元件損壞和催化劑老化等因素的影響，汽車的排放會有不同程度的惡化，甚至會大大超過法規(guī)要求。因此，進行柴油機在線監(jiān)控與診斷技術的開發(fā)和應用的優(yōu)化也會是制約SCR系統(tǒng)快速發(fā)展的瓶頸。

另外高效、經(jīng)濟性好、耐用度高的催化劑的研究也是相關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)內人士的持續(xù)關注，一個好的催化劑載體能減小SCR系統(tǒng)的排氣背壓，減小發(fā)動機的燃油消耗率，增加發(fā)動機的動力輸出。

5 尿素-SCR技術的發(fā)展趨勢

尿素-SCR技術是一種很有應用前景的柴油機后處理技術，NOx轉化率可達80%～90%。但該項技術的研究從未止步，主要在以下幾個方面進一步研究：

（1）加大對催化劑的研究力度，使新的催化劑有更高的低溫NOx轉化效率，同時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，同時使催化器進口氨氣的均勻性提高

（3）優(yōu)化系統(tǒng)的結構，例如在排氣管部分增加混合器[5]，該結構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，縮短排氣管的長度，使尿素-SCR的結構更加的緊湊，節(jié)省了空間。