SCR技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用淺談

梁曦

【摘 要】本文通過(guò)介紹選擇性催化還原（SCR）技術(shù)的工作原理以及結(jié)構(gòu)，具體分析了該技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并展望了SCR技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用上的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；SCR技術(shù)；應(yīng)用

0.引言

本文僅通過(guò)作者個(gè)人觀點(diǎn)對(duì)SCR技術(shù)理解分析并對(duì)它的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。隨著社會(huì)發(fā)展，國(guó)家對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的規(guī)定越來(lái)越嚴(yán)格。目前，國(guó)家限制的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放物主要有CO、HC、NOx、PM等。根據(jù)我國(guó)的國(guó)Ⅳ法規(guī)規(guī)定，要求柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在ESC測(cè)試中，CO的排放量不得大于1.5g/（kW·h），HC的排放量不得大于0.46g/（kW·h），NOx的排放量不得大于3.5g/（kW·h），PM的排放量不得大于0.02g/（kW·h）；在ETC測(cè)試中，CO的排放量不得大于4.0g/（kW·h），NOx的排放量不得大于3.5g/（kW·h），PM的排放量不得大于0.03g/（kW·h）。由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，單純地提高柴油機(jī)的性能已經(jīng)無(wú)法滿足排放法規(guī)，所以需要采取額外的措施來(lái)處理尾氣。目前社會(huì)普遍的技術(shù)路線有兩種。一種是廢氣再循環(huán)+顆粒捕捉器（EGR+DPF）技術(shù)，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，DPF過(guò)濾效率超過(guò)90%，缺點(diǎn)是油耗增加，對(duì)柴油的硫含量有一定要求，冷啟動(dòng)困難，工況不均衡；另一種是采用優(yōu)化燃燒+選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，此方法可以降低5%-7%的油耗，對(duì)柴油的硫含量要求低，有害物質(zhì)NOx的轉(zhuǎn)化率大于70%，唯一的缺點(diǎn)是需要消耗尿素。SCR技術(shù)可以節(jié)約燃油，而且我國(guó)的燃油品質(zhì)不高，所以SCR技術(shù)較適合我國(guó)的情況。本文將對(duì)SCR技術(shù)進(jìn)行具體的分析，并對(duì)它的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1.尿素-SCR系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

尿素-SCR系統(tǒng)是指安裝在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放裝置中，將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的有害氣體NOx催化還原成N2和H2O的一種裝置。該裝置主要包括尿素噴射系統(tǒng)、SCR催化轉(zhuǎn)化器、尿素箱、噴嘴。其中尿素噴射系統(tǒng)包括尿素噴射泵、電控單元。另外，值得注意的是，尿素溶液會(huì)在零下11oC時(shí)凝結(jié)，需要配備尿素加熱裝置。

尿素-SCR系統(tǒng)的工作原理：在尿素-SCR系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，首先尿素泵在電控單元的控制下將尿素水溶液從尿素罐中取出，然后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的加壓、過(guò)濾送到計(jì)量噴射單元中，與此同時(shí)經(jīng)過(guò)控制單元控制調(diào)壓后的壓縮空氣也進(jìn)入計(jì)量噴射單元。當(dāng)系統(tǒng)的定量噴射泵打開(kāi)后，壓縮空氣帶著尿素溶液液滴攝入噴嘴，在噴嘴混合后，噴出霧化的尿素小液滴，進(jìn)入排氣管。在排氣管內(nèi)霧化的細(xì)小尿素液滴首先分解為NH3和HNCO，并與汽車尾氣混合進(jìn)入SCR催化轉(zhuǎn)化器。在催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)，HNCO進(jìn)一步水解出更多的NH3，與尾氣中的NOx在催化劑表面發(fā)生SCR反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為無(wú)害的N2和H2O。

SCR催化轉(zhuǎn)化器是SCR后處理系統(tǒng)中最重要的一個(gè)部件，關(guān)系著催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率，它主要由三部分組成：載體、涂層、封裝。一般載體采用給反應(yīng)提供了一個(gè)有效的較大反應(yīng)空間的通道，外殼封裝消音器，內(nèi)表面涂有化催化劑涂層，對(duì)氣體進(jìn)行催化反應(yīng)。尿素-SCR系統(tǒng)中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

4NO+O2+4NH3=4N2+6H2

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

圖1 尿素-SCR系統(tǒng)工作原理示意圖

根據(jù)反應(yīng)方程式可以得知，噴入的尿素并非越多越好，必須根據(jù)排出的氣體量而定。所以尿素-SCR系統(tǒng)的電控單元須與發(fā)動(dòng)機(jī)的控制單元相連接，根據(jù)具體的工作狀況實(shí)時(shí)噴出適量的尿素。尿素-SCR系統(tǒng)的工作原理如圖1所示：

2.尿素-SCR系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器部件分析

2.1尿素-SCR系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器的涂層

催化轉(zhuǎn)化器的涂層是尿素-SCR系統(tǒng)中最重要的部分，它是控制SCR反應(yīng)效率的關(guān)鍵所在。在不同的工況下，尾氣的溫度、流動(dòng)速度及氣體組成濃度均有不同，如何盡可能地將化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行徹底，是系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。為了提高反應(yīng)效率，通常采用以釩基（V2O5-TiO2-WO3）或沸石分子篩作為活性組分的催化劑涂層。其中釩基催化劑的適合溫度范圍為250-450oC，銅基分子篩適合于溫度在200oC以下的應(yīng)用，鐵基分子篩適合于排溫較高（～650oC）的發(fā)動(dòng)機(jī)。釩基催化劑抗硫性能好，且價(jià)格較低，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

另外，反應(yīng)結(jié)束后排出的尾氣中還含有大量的NH3，法規(guī)對(duì)NH3的逸出也進(jìn)行了限定。逸出的NH3主要來(lái)自兩個(gè)方面：一個(gè)是SCR反應(yīng)本身無(wú)法反應(yīng)完全，會(huì)殘留部分NH3；另一個(gè)是NH3的射入量過(guò)大，與氣體中的NOx的量不符，會(huì)遺留大量NH3。處理NH3的逸出問(wèn)題主要有兩種措施：一是加大尿素噴射控制單元的控制精度，使NH3的噴射量合理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)噴入NH3與NOx的比例大約為0.8時(shí)，除去NOx的能力可達(dá)70%以上，且尾氣中殘留的NOx與NH3均可滿足國(guó)Ⅳ要求；另一種措施是在后處理催化轉(zhuǎn)化器中加入NH3的催化氧化系統(tǒng)（AMOx），將多余的NH3催化氧化為N2，以避免NH3的逸出。

2.2尿素-SCR系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器的載體

尿素-SCR系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器的載體一般為圓柱狀，中間有蜂窩狀的孔供氣流通過(guò)，材料一般采用金屬、碳化硅、堇青石等。其中金屬最適合的，不僅可以做出任意的形狀，并且體積較小，強(qiáng)度高，便于安裝，唯一的缺點(diǎn)是造價(jià)較高；碳化硅載體的造價(jià)不太高，但是不易做大，只適用于較小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)；堇青石載體的性能接近于碳化硅，而且可以做成較大的完整載體，是重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的首選。

一般來(lái)說(shuō)，載體的孔小且細(xì)密有利于尾氣的SCR反應(yīng)的完全進(jìn)行，也有利于剩余NH3的催化氧化，但是密而細(xì)的載體會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓，影響柴油的正常燃燒，所以催化轉(zhuǎn)化器載體的設(shè)計(jì)非常重要。在設(shè)計(jì)載體時(shí)，其直徑和有效長(zhǎng)度主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)在最大排氣狀態(tài)下的空速（SV）：

SV=

式中的氣體體積是在25oC、100kPa標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。Q為排氣體積流量，單位為L(zhǎng)/h；V為載體體積，單位為L(zhǎng)；SV為空速，單位為1/h。在設(shè)計(jì)時(shí)，SV越小，尾氣在催化劑表面停留時(shí)間越長(zhǎng)，催化反應(yīng)性能也越好。

另外，載體的孔隙率（單位面積內(nèi)的孔數(shù)目）、載體壁厚、前端面開(kāi)口、載體表面積等也是影響其性能的重要參數(shù)。

2.3尿素-SCR系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化器的封裝

尿素-SCR系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器的封裝就是載體的外殼包裝，用于載體和排氣管的連接。封裝根據(jù)功能可以分為帶消音器和不帶消音器兩種，根據(jù)在車輛上安裝位置的不同可以分為箱式封裝和桶式封裝。箱式封裝的空速較低，催化轉(zhuǎn)化效率好，消音效果也很好，但是體積較大，適合安裝在較大型的車上；桶式封裝的優(yōu)點(diǎn)是體積小，布置方便，但消音效果稍差，空速較高，性能上比不上箱式封裝，適合中小車輛。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了尿素-SCR技術(shù)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)其催化轉(zhuǎn)化器的涂層、載體、封裝這些結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。尿素-SCR技術(shù)目前還有許多問(wèn)題沒(méi)有解決，如尿素溶液結(jié)冰、燃油含硫量過(guò)高、PM及粉塵過(guò)多影響化學(xué)反應(yīng)等問(wèn)題。但總體來(lái)說(shuō)，SCR技術(shù)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NOx的減少是行之有效的，而且該技術(shù)十分適合我國(guó)的國(guó)情，在我國(guó)的發(fā)展前景十分良好。國(guó)家和政府應(yīng)加緊這方面的研究，盡早解決技術(shù)難題，使我國(guó)的SCR技術(shù)早日進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段。

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧繼東.SCR技術(shù)在國(guó)內(nèi)車用柴油機(jī)上的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2007，35（5）：80-81.