氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差分析

劉丙善，呂 林

（武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢430063）

歐Ⅳ排放法規(guī)即將實(shí)施，柴油機(jī)僅僅依靠機(jī)內(nèi)優(yōu)化措施不能使NOX和顆粒的排放滿足法規(guī)要求，因此眾多的排氣后處理措施應(yīng)運(yùn)而生，如選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、非選擇性催化還原技術(shù)（NSCR）、NOX吸附轉(zhuǎn)化技術(shù)（NOXAbsorber）等。在眾多的排氣后處理措施中，選擇性催化還原技術(shù)（SCR）被認(rèn)為最有前途［1］。SCR系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)響應(yīng)時間的滯后、尿素水溶液的溫度和濃度的變化以及發(fā)動機(jī)原機(jī)排放的波動等往往造成催化器出口的NOX排放值與目標(biāo)排放值之間存在一定的誤差。掌握影響誤差的因素以及誤差與各因素之間的關(guān)系，可以明確相關(guān)因素對誤差的影響程度，有助于制定合理的控制策略。

1 SCR系統(tǒng)簡介

選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）系統(tǒng)的工作原理是向排氣管中噴射某一流量的尿素水溶液，尿素水溶液經(jīng)一系列反應(yīng)后生成的氨氣（NH3）和水（H2O）與排氣充分混合，在催化器的作用下，氨氣（NH3）與氮氧化物（NOX）迅速反應(yīng)生成氮?dú)猓∟2）和水（H2O），隨排氣排入大氣。這一過程主要化學(xué)反應(yīng)如下［2］：

目前，產(chǎn)品化的SCR系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制，控制原理見圖1。

圖1 開環(huán)控制原理簡圖

通過下列步驟實(shí)現(xiàn)降低氮氧化物排放。

第一步：制定SCR系統(tǒng)控制策略寫入控制器；

第二步：SCR系統(tǒng)控制器采集發(fā)動機(jī)的工況參數(shù)；

第三步：SCR系統(tǒng)控制器按照控制策略發(fā)出尿素水溶液流量控制指令；

第四步：計(jì)量裝置按照指令向排氣管中噴射尿素水溶液；

第五步：在催化器中進(jìn)行NOX的選擇性催化還原反應(yīng)。

催化器出口NOX的排放值與目標(biāo)排放值的誤差應(yīng)盡可能小。催化器出口NOX的排放值如果高出目標(biāo)排放值太多，發(fā)動機(jī)NOX排放可能達(dá)不到法規(guī)要求；催化器出口NOX的排放值也不能低于目標(biāo)排放值太多，否則催化器出口氨氣（NH3）排放可能超出法規(guī)限值。因此需要對氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差進(jìn)行分析以減小誤差，在保證氨氣（NH3）排放滿足法規(guī)要求的前提下獲得較高的NOX轉(zhuǎn)化率。

2 誤差分析

氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)的誤差主要來源于以下幾個方面。

1）NOX原機(jī)排放相對誤差eyj；制定控制策略的主要依據(jù)是試驗(yàn)得到的原機(jī)排放脈譜圖，但是柴油機(jī)即使在同一個工況下運(yùn)行，NOX的實(shí)際排放值也會受到環(huán)境及燃燒狀況等因素的影響，在做原機(jī)排放脈譜圖時測量儀器的準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)處理方法也是影響NOX原機(jī)排放相對誤差的因素。

2）尿素水溶液計(jì)量裝置的相對誤差ef；尿素水溶液計(jì)量裝置本身的系統(tǒng)誤差以及溫度和排氣背壓對流量的影響是實(shí)際尿素水溶液供給量與理論需求量之間產(chǎn)生誤差的主要原因。

3）尿素水溶液的濃度相對誤差ec；德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN70070：2005要求尿素水溶液的質(zhì)量濃度為32.5%，但是在實(shí)際使用中尿素罐往往帶有透氣孔，尿素水溶液的濃度會因水分的蒸發(fā)而升高。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式（1）～（4），可以得出尿素需求量Qcmd與NOX降低量DeNOX之間的對應(yīng)關(guān)系：

式中：Qcmd——尿素水溶液需求量，g／h；

DeNOX——NOX降低量，g／h；

Cu——尿素水溶液的濃度，（%）；

λ——與排氣中NO與NO2比例等因素有關(guān)的常數(shù)。

以下從相對誤差的角度分析氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差。假設(shè)脈譜圖中NOX原機(jī)排放值為 NOXmap，NOX目標(biāo)值為NOXmb，原機(jī)實(shí)際排放值為 NOXyj，催化器出口NOX的實(shí)際排放值為NOXsj。在開環(huán)控制技術(shù)下，實(shí)際的NOX減少值以DeNOXsj表示，則：

式中：

故，

根據(jù)相對誤差的表示方法，氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差可以表示為：

式中：eNOX——氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差；

α——取決于NOX目標(biāo)轉(zhuǎn)化率的定值，

目標(biāo)轉(zhuǎn)化率一般不超過80%，當(dāng)NOX目標(biāo)轉(zhuǎn)化率為80%時α＝5，所以α的通常取值范圍是1～5。

為了確定不同因素對氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差的影響程度，在發(fā)動機(jī)某個工況下做了重復(fù)性試驗(yàn)，該工況下NOX目標(biāo)轉(zhuǎn)化率為60%，所以α＝2.5。表1根據(jù)氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差理論表達(dá)式計(jì)算出了單個因素對NOX選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差影響的程度。

表1 單個因素對NOX選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差的影響程度

3 結(jié)論

通過對氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差理論表達(dá)式的推導(dǎo)和試驗(yàn)中單個因素相對誤差的波動范圍可以看出：原機(jī)排放相對誤差對氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差的影響比尿素水溶液濃度相對誤差和計(jì)量裝置相對誤差產(chǎn)生的影響要大。因此制定控制策略時最主要的是提高原機(jī)排放脈譜圖的準(zhǔn)確性，其次對尿素水溶液流量進(jìn)行濃度、溫度及排氣背壓修正以進(jìn)一步減小氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術(shù)誤差。

［1］Gabrielsson et al.Combined Silencers and Urea-SCR Systems for the Heavy-duty Diesel Vehicles for OEM and Retrofit Markets［J］.SAE paper，2001（1）：1-2.

［2］C.Scott Sluder，John M.E.Storey，Samuel A.Lewis.Low Temperature Urea Decomposition and SCR Performance［J］.SAE International，2004：1-2.