基于國(guó)Ⅵ柴油機(jī)SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率影響因素研究

常嘯天, 程曉章, 朱博文, 王 浩, 邢曉通

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

內(nèi)燃機(jī)為世界帶來(lái)了現(xiàn)代物質(zhì)文明,在經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的飛速發(fā)展后,仍然沒(méi)有達(dá)到頂峰。其中,柴油機(jī)憑借良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及低油耗、低二氧化碳排放等優(yōu)點(diǎn),在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。然而,制約柴油機(jī)發(fā)展的主要因素是其帶來(lái)愈發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。柴油機(jī)排放的污染物主要包括氮氧化物(NOx)、顆粒物、一氧化碳、氣態(tài)碳?xì)浠衔锏?給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大的危害[2]。

隨著世界各國(guó)對(duì)能源及環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)重視,政府也針對(duì)汽車尾氣這一重要污染源采取了相應(yīng)的管控措施。2019年7月1日國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)正式開(kāi)始實(shí)施,這對(duì)柴油機(jī)尾排污染問(wèn)題提出了更加嚴(yán)格的要求[3]。通過(guò)優(yōu)化缸內(nèi)設(shè)計(jì)進(jìn)行機(jī)內(nèi)凈化以及使用單一的后處理技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足國(guó)Ⅵ排放法規(guī)的要求,需要設(shè)計(jì)更加高效可靠的后處理技術(shù)路線以達(dá)到進(jìn)一步降低污染物排放的目的。目前,國(guó)Ⅵ主流的后處理技術(shù)中主要包含的排氣后處理裝置有柴油氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF))和選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)器[4],后處理技術(shù)路線是DOC+DPF+SCR+氨氣氧化催化器(ammonia slip catalyst,ASC)。其中,選擇性催化還原系統(tǒng)是處理NOx主要工具。其核心部件分為SCR催化器、控制系統(tǒng)、尿素箱、尿素泵、尿素噴嘴,SCR 上下游排溫傳感器以及SCR上下游NOx傳感器[5-6]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外關(guān)于NOx轉(zhuǎn)化效率影響因素的研究很多。文獻(xiàn)[7]研究了在穩(wěn)定工況條件下,不同催化劑溫度對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。采用不同催化劑時(shí),NOx轉(zhuǎn)化效率均隨溫度的變化而變化,當(dāng)排氣溫度升高時(shí),NOx轉(zhuǎn)化效率先升高后降低;文獻(xiàn)[8]研究了 SCR 催化箱溫度對(duì) NOx轉(zhuǎn)化效率與氨氣泄漏量之間的關(guān)系,由于氨氧化速率極高,導(dǎo)致400 ℃時(shí)的氨氣泄漏遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于200 ℃時(shí)的泄漏;文獻(xiàn)[9]基于AVL BOOST軟件進(jìn)行柴油機(jī)SCR催化劑尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì),得到了最優(yōu)的載體體積以及界面布置形式、層數(shù)和高度等參數(shù);文獻(xiàn)[10]研究了Cu-Fe復(fù)合SCR催化劑的脫硝性能,結(jié)果表明Cu基SCR催化劑的低溫性能優(yōu)于Cu-Fe復(fù)合SCR催化劑,說(shuō)明催化劑的選擇也是研究SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)重要因素。

本文通過(guò)建立系統(tǒng)的數(shù)值模型,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證,研究國(guó)Ⅵ后處理路線下排氣溫度、進(jìn)氣流量、NO2占比以及空氣組分對(duì) NOx瞬態(tài)轉(zhuǎn)化效率的影響,為復(fù)合型后處理系統(tǒng)技術(shù)路線的研究提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 系統(tǒng)建模

1.1 模型假設(shè)條件

由于受實(shí)驗(yàn)以及環(huán)境約束,為了滿足計(jì)算精度,對(duì)后處理系統(tǒng)的建模進(jìn)行理想條件假設(shè)。

(1) 系統(tǒng)外界環(huán)境如溫度、空氣濕度、氣壓均保持恒定,假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,室溫25 ℃。

(2) 為了便于計(jì)算,所有氣體均視為理想氣體,假設(shè)為不可壓縮流體,所有氣體的狀態(tài)參數(shù)僅為溫度t的函數(shù)。

(3) 將催化器系統(tǒng)材料視為剛體,且密封性良好。

(4) 假設(shè)氣體在模型中進(jìn)行穩(wěn)定流動(dòng)。

1.2 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

SCR系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理是應(yīng)用尿素轉(zhuǎn)氨技術(shù)通過(guò)噴射計(jì)量閥向排氣管內(nèi)噴射尿素,在經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的水解熱解反應(yīng)后生成NH3,用NH3作為還原劑與排氣中的NOx發(fā)生反應(yīng),最終生成無(wú)害氣體。其反應(yīng)過(guò)程可以簡(jiǎn)化為:

(1)

(2)

(3)

(4)

在以上反應(yīng)過(guò)程中,(1)～(2)式表示NH3選擇性還原NOx的SCR反應(yīng),稱為主反應(yīng)。一般發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NO占NOx總含量的90%左右,因此(1)式又被稱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng);(2)式在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)速率最快,被稱為快反應(yīng);(3)式的反應(yīng)速率最慢,被稱為慢反應(yīng);(4)式是在催化器載體上可能發(fā)生的副反應(yīng)。

1.3 化學(xué)反應(yīng)模型

本文使用AVL BOOST軟件對(duì)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的反應(yīng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬,SCR系統(tǒng)中NOx和NH3的氧化還原反應(yīng)速率方程和化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)采用文獻(xiàn)[11-12]所提出的模型。

(1)式的反應(yīng)速率rSCR,1為:

(5)

(2)式的反應(yīng)速率rSCR,2為:

(6)

(3)式的反應(yīng)速率rSCR,3為:

(7)

(4)式的反應(yīng)速率rSCR,4為:

(8)

其中:K為各反應(yīng)的頻率因子;E為各反應(yīng)的活化溫度;c為氣體濃度;tS為載體溫度;K和E的下標(biāo)1,2……5分別為反應(yīng)的各個(gè)基元反應(yīng)過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)布置及模型驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)布置

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和合理性,設(shè)計(jì)使用直列式高壓共軌增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表1所列，實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表2所列。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法是安裝好發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架后,在排氣管安裝DOC+DPF+SCR后處理系統(tǒng)總成。后處理系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3所列。

表3 后處理總成主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

首先將發(fā)動(dòng)機(jī)充分預(yù)熱,保持催化劑空速為42 000 h-1左右的工況,在操作臺(tái)架上調(diào)整轉(zhuǎn)速和油門,使排氣溫度達(dá)到210 ℃,以此作為初始溫度,記錄下原排數(shù)據(jù);待溫度穩(wěn)定后開(kāi)始噴射尿素,用設(shè)備記錄下其他排放數(shù)據(jù);然后再次調(diào)整轉(zhuǎn)速和油門,使排氣溫度達(dá)到230 ℃;重復(fù)上述試驗(yàn)步驟,使排氣溫度以每次20 ℃的增幅逐漸升高至530 ℃。臺(tái)架布置示意圖如圖1所示。

圖1 臺(tái)架布置示意圖

使用排放分析儀對(duì)排氣的污染物成分進(jìn)行分析,分別在不同取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣,得到的排氣成分濃度作為數(shù)值模擬初始計(jì)算的邊界條件,通過(guò)測(cè)量的原排和尾排數(shù)據(jù)計(jì)算出NOx的轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)值模型結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì),結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，數(shù)值模型仿真得到的NOx濃度隨排氣溫度升高的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。由此證明,建立的數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)此柴油機(jī)后處理的反應(yīng)過(guò)程。

圖2 NOx濃度的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比

3 結(jié)果與分析

3.1 排氣溫度對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率影響

排氣溫度是影響NOx轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)非常重要的因素,決定了催化器內(nèi)部催化劑的活性。排氣溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致催化器內(nèi)部催化劑失活,使其無(wú)法正常與尾氣中的NOx反應(yīng),NOx排放隨之增加。

保持催化劑空速在42 000 h-1工況，NOx轉(zhuǎn)化效率隨排氣溫度的變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可以看出,隨著排氣溫度升高,NOx轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。

圖3 排氣溫度對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

當(dāng)排氣溫度低于310 ℃時(shí),NOx轉(zhuǎn)化效率較低,這主要是由于排氣溫度較低時(shí)尿素水溶液霧化質(zhì)量差，尿素不能較充分熱解、水解生成氨與NOx反應(yīng)，而且在低溫情況下SCR催化劑活性非常低，難以與氮氧發(fā)生反應(yīng);排氣溫度在310～490 ℃區(qū)間時(shí)，催化器轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到95 %以上,符合國(guó)六催化器轉(zhuǎn)化效率的標(biāo)準(zhǔn)。在最佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)SCR中的反應(yīng)以快反應(yīng)為主導(dǎo),而當(dāng)溫度超490 ℃后,SCR的轉(zhuǎn)化效率會(huì)降低。這主要是由于發(fā)生了NH3的氧化反應(yīng),即NH3與氧氣進(jìn)行反應(yīng)生成了氮?dú)夂退涣硪环矫?NH3與NO2之間的慢反應(yīng)以及排氣溫度較高也會(huì)造成催化劑的活性降低,降低了NOx轉(zhuǎn)化效率。

3.2 進(jìn)氣流量對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

進(jìn)氣流量對(duì)NOx轉(zhuǎn)換效率的影響如圖4所示。由圖4可知：在最佳反應(yīng)溫度內(nèi),進(jìn)氣流量對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率幾乎沒(méi)有影響；只有在排氣溫度較低時(shí),進(jìn)氣流量增加會(huì)使NOx轉(zhuǎn)化效率大幅度降低。

圖4 進(jìn)氣流量對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

通過(guò)計(jì)算模型可知,當(dāng)柴油機(jī)的排氣溫度低于300 ℃時(shí),轉(zhuǎn)換效率受空速的影響很大。因此,為了有效提高轉(zhuǎn)化效率,在低溫作業(yè)時(shí)必須增大催化器體積,降低進(jìn)氣流量,從而減少NOx的排放量。

3.3 NO2占比對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

研究表明,NO2在NOx中的占比也是NOx轉(zhuǎn)化效率的重要影響因素。因?yàn)镈OC以鉑(Pt) 、鈀(Pd)等貴金屬作為催化劑，通過(guò)氧化反應(yīng)將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中NO氧化為NO2,快速SCR的反應(yīng)速率要比標(biāo)準(zhǔn)SCR的反應(yīng)速率快得多,所以適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NO2的濃度含量可提高SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率[13]。

NO2占比對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響如圖5所示。由圖5可知,催化劑空速保持在42 000 h-1時(shí),隨著NO2含量的增加,NOx轉(zhuǎn)化效率有所提高,但尾氣中的NO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時(shí),催化器的轉(zhuǎn)化效率會(huì)下降。

推測(cè)當(dāng)排氣溫度保持恒定,NO2與NOx的體積百分比在40%～60%之間時(shí)NOx轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到峰值。這是由于當(dāng)NO2物質(zhì)的量超過(guò)NO時(shí),NO2會(huì)與NH3發(fā)生慢反應(yīng),此時(shí)NOx轉(zhuǎn)化效率將不受NO2影響。

圖5 NO2占比對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

3.4 不同氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

氧氣是SCR反應(yīng)中的主要反應(yīng)物,氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少直接影響著后處理系統(tǒng)的整個(gè)反應(yīng)過(guò)程。在NO2和NO的可逆反應(yīng)中,氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響NO與NO2相互轉(zhuǎn)化速率，從而影響NOx轉(zhuǎn)化效率。

氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)催化劑空速保持在42 000 h-1含量、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0%～3 %范圍時(shí),隨著氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,且溫度越高,NOx轉(zhuǎn)化效率越高。這主要是由于氧氣和NO反應(yīng)生成NO2，有利于NOx被還原以及氧分子在載體表面上的吸附和傳遞；當(dāng)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步提高時(shí),氧分子在催化劑活性位上的吸附已經(jīng)達(dá)到飽和,氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率基本無(wú)影響。

圖6 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

4 結(jié) 論

本文基于AVL BOOST軟件建立了一維數(shù)值模型,研究了發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度、進(jìn)氣流量、NO2占比和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SCR催化器轉(zhuǎn)化效率的影響，能在一定程度上分析并預(yù)測(cè)NOx轉(zhuǎn)化效率的變化趨勢(shì),具體分析結(jié)果如下:

(1) 試驗(yàn)過(guò)程中,排氣溫度在一定范圍內(nèi),SCR系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效轉(zhuǎn)化NOx,本文中柴油機(jī)的最佳轉(zhuǎn)化溫度為310 ～490 ℃,經(jīng)檢測(cè),在此范圍內(nèi),尾排中NOx含量極低,能夠滿足國(guó)Ⅵ排放法規(guī)的要求。

(2) 在最佳轉(zhuǎn)化溫度范圍內(nèi),溫度是NOx轉(zhuǎn)化效率的主要影響因素,進(jìn)氣流量對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率幾乎沒(méi)有影響。但在低溫條件下,溫度不再是主導(dǎo)因素。當(dāng)排氣溫度保持21 ℃時(shí),隨著進(jìn)氣流量持續(xù)升高,NOx轉(zhuǎn)化效率從72 %下降至40 %。

(3) 保持同一工況下,NO2在NOx中的占比低于50 %時(shí),NO2占比越高,NOx轉(zhuǎn)化效率越高,NO2占比在45 %～55 %之間取得最高的轉(zhuǎn)化效率。在SCR前加裝DOC和DPF能夠使部分NO氧化，從而提高NO2占比,達(dá)到更好的凈化效果，但應(yīng)加以控制,才能有效提高NOx轉(zhuǎn)化效率。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,加裝DOC和DPF后的轉(zhuǎn)化效率反而比僅使用SCR催化器的NOx轉(zhuǎn)化效率低,排查后推測(cè)是由于加長(zhǎng)排氣管路后排氣溫度下降所導(dǎo)致的。

(4) 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0%～3%的范圍內(nèi)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率具有促進(jìn)作用，且排氣溫度越高,促進(jìn)轉(zhuǎn)化效果越明顯；超過(guò)3 %以后,氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率幾乎沒(méi)有影響。