一種SCR催化器的性能研究

姚云偉 董波 唐輝映

東風(fēng)汽車股份有限公司 湖北省武漢市 430000

1 概述

通過在柴油機(jī)排氣管上安裝有尿素計(jì)量噴射裝置，在合適的工況下，噴入尿素水溶液，尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反應(yīng)后生成NH3，在SCR系統(tǒng)催化劑表面利用NH3還原NOx，排出N2，從而降低NOx的排放。因?yàn)镹H3泄漏也會對大氣產(chǎn)生污染，所以對尿素的噴射有一定的限值，這就需要對SCR催化器的性能有一定的設(shè)計(jì)要求。

一般情況下，SCR催化器性能評價主要包括溫度特性、濃度特性和空速特性三個方面的評價，并且以NOx轉(zhuǎn)化效率作為基準(zhǔn)。

SCR催化器轉(zhuǎn)化效率指的是發(fā)動機(jī)按照某種指定的工況運(yùn)行時，催化轉(zhuǎn)化器前后某種污染物排放量的變化率：

2 SCR催化器裝置

2.1 SCR催化器中的化學(xué)反應(yīng)

在SCR催化器中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

尿素水解：(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2

NOx還原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

NH3氧化：4NH3+5O2→4NO+6H2O

在SCR系統(tǒng)中發(fā)生的復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)包括：尿素水溶液中尿素的水解、氮氧化物的還原反應(yīng)和NH3的催化氧化反應(yīng)。

本文中論述的SCR催化器性能是指發(fā)動機(jī)在試驗(yàn)臺架運(yùn)行時，催化器的轉(zhuǎn)化效率。此次使用的SCR催化器規(guī)格如表1。

表1 試驗(yàn)用SCR催化器規(guī)格

2.2 試驗(yàn)裝置

2.2.1 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺布置

圖1是SCR系統(tǒng)試驗(yàn)臺架布置圖。試驗(yàn)采用的發(fā)動機(jī)是某型4缸3.0L柴油發(fā)動機(jī)。

2.2.2 尿素噴射系統(tǒng)

尿素噴射系統(tǒng)是由帶有泵的電控單元（DCU）、定量供給電磁閥、噴嘴、尿素泵以及尿素箱組成。泵將尿素從尿素箱中泵出，并供給定量電磁閥，電控單元根據(jù)發(fā)動機(jī)的工況信息控制電磁閥的開度，以獲得需要的尿素噴射量。

對于SCR催化器，尿素噴嘴的設(shè)計(jì)以及安裝位置對于還原劑在排氣系統(tǒng)中的分布有很大影響，進(jìn)而對于催化器的轉(zhuǎn)化效率有很大影響。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及要求，目前采用的結(jié)構(gòu)以及噴嘴安裝設(shè)計(jì)如下：

圖1 SCR系統(tǒng)試驗(yàn)臺架布置圖

● 噴射方向：在排氣管中央沿著排氣管軸線方向噴射有利于還原劑濃度分布的均勻性。

● 噴嘴安裝位置：從噴嘴到SCR催化器載體的距離經(jīng)驗(yàn)值要大于6倍的管徑。

3 SCR催化器性能

3.1 溫度特性

催化器的轉(zhuǎn)化效率與溫度有密切關(guān)系，不同溫度下催化劑的轉(zhuǎn)化率是不同的。一般情況下，柴油機(jī)怠速時排氣溫度大約為100℃，而全負(fù)荷時排氣溫度能夠達(dá)到500℃以上。催化器溫度特性曲線見圖2。

圖2 SCR催化器溫度特性曲線

● 從圖2中可以看到，SCR催化器隨著排氣溫度的不同，NOx轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)不同的變化趨勢。溫度低于150℃時，轉(zhuǎn)化率迅速下降，而且隨著溫度的降低NOx轉(zhuǎn)化率也隨之降低。在150～500℃之間，催化器的轉(zhuǎn)化率維持在80%以上，其中200～500℃之間，轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%。

● 之所以具有這樣的溫度特性，是因?yàn)榇呋瘎┬枰m宜的溫度，低溫時催化劑的活性較低，對NOx的轉(zhuǎn)化率較低，而高溫時，催化劑又容易被氧化，見圖3。

● 發(fā)動機(jī)工況在高速、低速大負(fù)荷時，SCR催化器溫度較高。

3.2 濃度特性

催化器的濃度特性，是要考察催化器對于NOx的轉(zhuǎn)化率隨著不同還原劑濃度與NOx濃度比例變化的規(guī)律，為催化器與整車的匹配提供依據(jù)。如果尿素噴射過少，則不能充分發(fā)揮催化劑的性能，而過多，非但不能提高NOx的轉(zhuǎn)化率，反而將導(dǎo)致水解的的大量逃逸。

3.3 空速特性

空速被定義為每小時流過催化器的排氣體積流量與催化器容積之比。它表示了反應(yīng)氣體在催化器中反應(yīng)的時間。

發(fā)動機(jī)在不同的工況下運(yùn)行，催化器的空速變化范圍很大。在催化器的實(shí)際使用中，由于整車布置和熱管理的原因，催化器的體積一般較小，要實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率，這就要求催化器本身具有較好的空速特性。

催化器空速特性曲線見圖4。

圖4 SCR催化器空速特性曲線

從中可以看到，隨著空速的增加，NOx轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢。

對于這款4缸柴油發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)速越高，負(fù)荷越大，則空速越大，其最大空速為88200h-1。

4 NOx轉(zhuǎn)化率確定方法

在確定尿素噴射系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，先進(jìn)行原機(jī)的NOx排放測試，圖5為原機(jī)NOx濃度分布map，然后確定尿素噴射量，并進(jìn)行萬有特性試驗(yàn)，確定SCR凈化后的NOx濃度分布map，最后可以計(jì)算出NOx轉(zhuǎn)化率map，見圖6。

5 數(shù)據(jù)分析

綜上所述，SCR催化器的性能即NOx轉(zhuǎn)化效率主要由溫度特性、濃度特性和空速特性決定。在確定SCR催化器性能時，需要確定SCR催化器溫度分布map、SCR催化器空速map、SCR催化器濃度map以及NOx轉(zhuǎn)化率map。這幾個參數(shù)可以確定發(fā)動機(jī)整個工況下的SCR催化器性能表現(xiàn)，從而為SCR系統(tǒng)的選型和標(biāo)定提供指導(dǎo)。

下面論述這3個特性之間的關(guān)系及與SCR轉(zhuǎn)化效率之間的關(guān)系。設(shè)空速為X1，排氣溫度為X2，NOX排放濃度為X3，SCR轉(zhuǎn)化效率為Y（所有數(shù)據(jù)均為發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下采集），可求得該發(fā)動機(jī)選用的SCR轉(zhuǎn)化效率的近似計(jì)算公式為：

圖5 原機(jī)NOx濃度分布map

圖6 NOx轉(zhuǎn)化率map

5.1 多因子與SCR轉(zhuǎn)化效率之間的線性回歸關(guān)系

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的空速、N0x排放濃度、排氣溫度，對SCR催化器轉(zhuǎn)化效率的影響很大，對采集到的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸檢查，發(fā)現(xiàn)所選因子與SCR轉(zhuǎn)化效率高度線性相關(guān)，即：所得SCR轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算式可以用空速、排氣溫度、NOX排放濃度來進(jìn)行估算。

5.2 多因子中各因子影響的主次順序

多元線性回歸方程中，xi（i=1，2，3）對試驗(yàn)結(jié)果y都有影響，但這3個因素中，主要因素與次要因數(shù)，可用標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)比較法來判斷（計(jì)算過程詳見附錄1）

定義：

根據(jù)結(jié)果可知，NOX濃度對于SCR轉(zhuǎn)化效率影響最大，其次是空速，然后是排氣溫度。

6 總結(jié)

從上述分析可知，影響SCR催化器的主要因素有空速、排溫、NOX排放濃度，其中：

1.NOX排放濃度對SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率影響最大，這是由于根據(jù)SCR反應(yīng)化學(xué)方程式，對于理論上應(yīng)為1，其實(shí)也就是指NH3濃度對SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率影響最大。

2.在NH3濃度一定時，空速與SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率高度線性相關(guān)。

3.排溫與SCR轉(zhuǎn)化效率線性關(guān)系較差，主要原因是低溫時催化劑的活性較差，對NOx的轉(zhuǎn)化率較低，而高溫時，催化劑被高溫氧化抑制了對NOx還原反應(yīng)的進(jìn)行，因而轉(zhuǎn)化率也有所下降。

這就要求我們在進(jìn)行SCR選型時：

首先，要做原機(jī)的NOx排放濃度MAP，從而確定所選SCR催化器用的尿素泵噴射量至少要＞1.05倍的NOx最大排放濃度，1.05主要是因?yàn)镹Ox中有以NO2形式存在的部分，以及反應(yīng)率的限制。

其次，考慮空速問題，由于空速SV=排氣流量/（空氣密度*催化器載體體積），排氣流量為原機(jī)固有，而隨著空速的增加，NOx轉(zhuǎn)化率呈下降趨勢，所以對于載體體積要求是在一定的空間內(nèi)，載體體積盡可能做大。

最后，通過圖2來選擇催化器的催化劑最適工作溫度，應(yīng)盡量避開低溫和高溫時催化劑的活性較差的工作區(qū)。