柴油機(jī)尿素SCR系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

1、中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒節(jié)能凈化分會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì) CSICE2010-063 柴油機(jī)尿素SCR系統(tǒng)的試驗(yàn)研究曾濤 1,葛蘊(yùn)珊1,譚建偉 1,丁一 1(1北京理工大學(xué)汽車動(dòng)力性與排放測(cè)試國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,北京100081摘要:尿素選擇性催化還原(urea-SCR技術(shù)目前比較有效的的柴油機(jī)NOx排放控制措施,本文中使用格蘭富公司生產(chǎn)的尿素泵和某研究所開發(fā)的催化劑在一臺(tái)滿足國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究了影響SCR轉(zhuǎn)化效率的主要因素。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn),研究了不同條件下催化劑的反應(yīng)效率,得到了催化效率與溫度、空速、反應(yīng)時(shí)間,催化劑類型的關(guān)系。研究結(jié)果表明: NOx轉(zhuǎn)化率對(duì)溫度要求嚴(yán)格,最佳的

2、反應(yīng)溫度在350-450;釩基催化劑的效果穩(wěn)定,分子篩催化劑的催化窗口大。與匹配的空速相比,空速增大反而使催化效率降低。尿素SCR系統(tǒng)噴射后的穩(wěn)定時(shí)間是15-20s左右,這體現(xiàn)了催化劑的儲(chǔ)氨性能,因此發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí)應(yīng)該修正尿素的噴射量,以滿足催化劑的儲(chǔ)氨能力。關(guān)鍵詞:尿素SCR;柴油機(jī);排放;氮氧化物;轉(zhuǎn)化效率;催化劑ABSTRACTSelective catalyst reduction (SCR had been mentioned as a promising technology to reduce nitrogen oxide (NOx on diesel engines. Thi

3、s experiments use the urea pump which made by grundfos and the catalytic made by Kunming Sino- Platinum Metals Catalyst Co. which equipped on a national diesel engine.The engine bench test showed that the performance of urea-SCR aftertreatment system was affected by many factors, such as the tempera

4、ture, the air speed, the catalytic,the reaction time, etc. The conversion of NOx was affected by the temperature of catalyst. The best conversion temperature is 350-450; the conversion of NOx is stable after 15-20 seconds, then the conversion will rise very slowly. The NOx emission of the diesel eng

5、ine which installed the urea-SCR system decreased by about 95% which reach the test anticipation.KEY WORD: urea-SCR, diesel engine, emissions, NOx, conversion rate, catalyst1.前言針對(duì)柴油機(jī)的氮氧化物排放,機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)不能滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn);目前后 理技術(shù)中以選擇性催化還原技術(shù)對(duì)柴油機(jī)氮氧化物控制最為可行。由于尿素水溶液在高溫富氧條件下作為還原劑能將尾氣中的氮氧化物還原為無(wú)毒的氮?dú)?同時(shí)由于尿素水溶液本身無(wú)毒,存儲(chǔ)方面

6、,所以具有比較好的發(fā)展前景。在有催化劑參與的還原反應(yīng)中,溫度,空速,儲(chǔ)氨能力,以及尾氣中的基金項(xiàng)目:內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目,資助號(hào): SKLE200906作者簡(jiǎn)介: 曾濤(1988-,男,碩士研究生,從事汽車排放研究E-mail: tengtao 氮氧化合物比例對(duì)尿素SCR的轉(zhuǎn)化效率有很大影響。本文通過(guò)尿素SCR進(jìn)行試驗(yàn)研究,研究上述因子對(duì)催化還原系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的影響。尿素選擇性催化還原(urea-SCR技術(shù)是迄今被認(rèn)為最有前途的柴油機(jī)NOx排放控制措施,論文使用格蘭富公司生產(chǎn)的尿素泵和某研究所開發(fā)的催化劑在一臺(tái)滿足國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究了影響SCR轉(zhuǎn)化效率

7、的主要因素。2.試驗(yàn)設(shè)備及方法2.1臺(tái)架試驗(yàn)如圖1所示為尿素SCR 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)示意圖,主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)及尿素-SCR 后處理系統(tǒng)、測(cè)功機(jī)及控制系統(tǒng)、燃油供給及油耗測(cè)量系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾及流量測(cè)量系統(tǒng)、中冷及發(fā)動(dòng)機(jī)水溫控制系統(tǒng)和氣體排放等監(jiān)測(cè)儀器未在圖中繪出。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為BJ493ZLQ1型柴油機(jī).所使用測(cè)試設(shè)備如表所示。 圖1 尿素SCR 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)示意圖 表1 BJ493ZLQ1柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng) 目 指 標(biāo) 項(xiàng) 目 指 標(biāo) 氣缸數(shù) 4 進(jìn)氣形式 增壓中冷 缸徑 / mm 93 燃油供給 高壓共軌 行程 / mm 102 額定功率/ kW(r/min 85/3600 排量 / L

8、 2.771 最大扭矩/ N·m(r/min 270/1900 壓縮比 18.2:1表2主要測(cè)試儀器名稱 型號(hào) 生產(chǎn)廠商 測(cè)功機(jī)Dynas3 HT Schenck 公司 油耗儀 PLU4000 Pieburg 公司空氣流量計(jì)Sensyflow P ABB 公司 廢氣分析儀SEMTECH Sensor 公司 廢氣分析儀AMA-4000Pierburg 公司2.2尿素SCR 系統(tǒng)介紹 尿素-SCR 催化劑使用國(guó)內(nèi)某研究所開發(fā)的催化劑產(chǎn)品,共有2種,分別為釩基催化劑和分子篩型催化劑。其使用的尿素水溶液是由北京化學(xué)試劑研究所提供的符合DIN 700070標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)IV 發(fā)動(dòng)機(jī)專尿素水溶液(Ad

9、Blue ,尿素含量32.5%。尿素噴射單元為GRUNDFOS 公司生產(chǎn)的給料泵,同時(shí)采用GEN 2.5 AA Generic Basic Service Tool v0.01軟件,控制噴射單元的噴射量和噴射時(shí)間。3.結(jié)果與分析3.1溫度對(duì)尿素SCR 催化系統(tǒng)效率的影響圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)在2000r/min 時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)排氣溫度,得到的不同溫度下的NOx 催化效率圖。 圖2 NOx 催化效率隨溫度變化規(guī)律分析其原因,一方面是由于催化劑的溫度特性有關(guān),對(duì)于催化劑來(lái)說(shuō),都有其合適的催化窗口,只有在溫度窗口內(nèi)才能發(fā)揮出大部分的催化效果;另一方面,尿素水溶液脫水過(guò)程要吸收熱量,析出的尿素固體要在133oC

10、以上才會(huì)大量熱解。因此溫度如果過(guò)低,不但催化劑達(dá)不到相應(yīng)的起燃溫度,而且尿素也無(wú)法完全分解成實(shí)際上的還原劑NH3。 3.2空速對(duì)尿素SCR 系統(tǒng)催化效率的影響空速指單位反應(yīng)體積所能處理的反應(yīng)混合的體積流量,其倒數(shù)為接觸時(shí)間。圖3所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在工況2400r/min,215Nm 時(shí),尿素SCR 系統(tǒng)對(duì)于NOx 的催化效率在不同空速下的變化規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)中與發(fā)動(dòng)機(jī)排量匹配的標(biāo)準(zhǔn)空速是60000,在工況相同的情況下,根據(jù)不同空速噴射與之對(duì)應(yīng)量的尿素(NSR=1,從圖3 可以看出:尿素SCR 的催化效率在較低空速時(shí)相對(duì)較高,當(dāng)空速達(dá)到一定程度后,催化效率開始較大幅度的下降。圖3 NOx 催化效率隨空速變

11、化規(guī)律低空速催化效率略有降低的原因可能是空氣流量減少后,通過(guò)排氣管時(shí)溫度的降低程度會(huì)大于原空氣流量的降低程度,因此影響了轉(zhuǎn)化效率,但是這種影響程度較小。當(dāng)空速繼續(xù)增大時(shí),催化劑載體無(wú)法提供更多的活性涂層,因此尿素的量雖然未變,但是沒有足夠多的催化活性物質(zhì)來(lái)激發(fā)反應(yīng)。3.3.催化劑對(duì)尿素SCR 催化系統(tǒng)效率的影響圖4所示為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在2000r/min 時(shí),使用釩基催化劑和分子篩催化劑的尿素SCR 系統(tǒng)在不同溫度下NOx 的催化效率。從圖4可以看出:釩基催化劑在較低溫度時(shí)催化效率隨溫度上升而大幅提高,在380左右的時(shí)候催化效率達(dá)到最高,之后隨著溫度的升高緩慢降低,在360-400的溫度區(qū)間內(nèi),

12、催化效率超過(guò)90%,但是在300以下,催化效率不足60%。分子篩催化劑在小于300時(shí)的催化效率就已經(jīng)超過(guò)了80%,隨著溫度的升高,催化效率上升緩慢,在300的時(shí)候催化效率最高,總體來(lái)看分子篩催化劑的催化效率可達(dá)95%以上。圖4不同催化劑NOx 催化效率隨溫度變化圖在現(xiàn)有技術(shù)條件下釩基催化劑的催化效果比較穩(wěn)定,而分子篩催化劑的催化效率高,催化窗口寬,對(duì)溫度的要求低。從理論上分析,分子篩催化劑的催化潛力大于釩基催化劑,由于目前分子篩催化劑的國(guó)內(nèi)研究還剛剛開始,有理由相信分子篩催化劑是未來(lái)催化劑研究的重要領(lǐng)域。3.4儲(chǔ)氨性能對(duì)尿素SCR系統(tǒng)催化性能的影響圖5所示為發(fā)動(dòng)機(jī)在工況2125r/min, 1

13、05Nm時(shí),NOx的濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律。在該實(shí)驗(yàn)中,尿素從40秒開始噴射,在220秒噴射結(jié)束。圖5 NOx催化效率隨反應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律從圖5可以看出:從開始噴射尿素的時(shí)刻計(jì)時(shí),NOx濃度在反應(yīng)的前10秒內(nèi)下降明顯,催化效率從0上升至50%以上,之后催化效率繼續(xù)緩慢上升,在50秒的時(shí)刻基本穩(wěn)定,轉(zhuǎn)化效率達(dá)到85%以上。從尿素噴射開始,發(fā)動(dòng)機(jī)的工況并沒有發(fā)生變化,噴射量也保持恒定,但是前50s里反應(yīng)效率是漸進(jìn)提高的,在50s之后才到達(dá)了較為穩(wěn)定的效率,這說(shuō)明反應(yīng)的前50s內(nèi)尿素并沒有完全反應(yīng),而是部分儲(chǔ)存在了催化劑上,這反應(yīng)了催化劑的儲(chǔ)氨能力。在220s停止噴射尿素后,NOx并沒有迅速上升,而

14、是用了將近100s,在320s的時(shí)刻才緩慢的上升到了噴射前的水平。這進(jìn)一步說(shuō)明了催化劑的儲(chǔ)氨能力。根據(jù)一些基本數(shù)據(jù),可以估算出催化劑的儲(chǔ)氨能力大小,從而在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)噴射規(guī)律,以盡快的達(dá)到理想反應(yīng)效率。4.結(jié)論利用尿素SCR系統(tǒng)配合某型號(hào)催化劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究,在穩(wěn)態(tài)工況下研究了影響尿素SCR系統(tǒng)性能的系統(tǒng)因素,得出以下研究結(jié)論:(1溫度對(duì)尿素SCR系統(tǒng)是最重要的影響因素,對(duì)特定的催化劑,均有相應(yīng)的最優(yōu)溫度。(2與匹配的空速相比,空速增大反而使催化效率降低;空速增大一倍,降低效率在20%左右。(3通過(guò)試驗(yàn)可以看出,相比傳統(tǒng)的釩基催化劑,分子篩催化劑具有溫度要求低,催化效率高的特點(diǎn),是優(yōu)選的催化

15、劑;(4尿素SCR系統(tǒng)噴射后的穩(wěn)定時(shí)間是15-20s左右,這說(shuō)明催化劑只有一定的儲(chǔ)氨性能。參考文獻(xiàn)1帥石金, 張文娟, 董紅義. 柴油機(jī)尿素SCR催化器優(yōu)化設(shè)計(jì)J. 車用發(fā)動(dòng)機(jī),2007,(1: 44-47.2覃軍. 降低柴油機(jī)NO x排放的SCR系統(tǒng)控制策略研究D. 武漢:武漢理工大學(xué), 2007.3Hoard J W, Hammerle R H, LambertChristine, et al. Economic Comparison ofLNT Versus Urea SCR for Light Duty DieselVehicles in US Market R. California: USDepartment of Energy Diesel EngineEmissio