低溫條件下SCR 不同載體參數(shù)對(duì)氨逃逸影響

和志高，段紹斌，楊輝，字進(jìn)遠(yuǎn)，郭天偉

（1.671006 云南省 大理市 滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)；2.678400 云南省 德宏傣族景頗族自治州 德宏職業(yè)學(xué)院）

0 引言

柴油機(jī)是比汽油機(jī)更加節(jié)能的內(nèi)燃機(jī)，其主要排放物是NOX和PM，NOX還原為N2難度相對(duì)較大[1]。柴油機(jī)富氧燃燒，排放物中剩余氧含量較高，使得轉(zhuǎn)化NOX的還原反應(yīng)難以進(jìn)行[2]。國(guó)VI 的瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)（WHTC）要求NOX排放限值（PEMS）為0.46 g/kW·h；對(duì)后處理SCR 噴射尿素也有新的要求，NH3的泄漏不能超過(guò)10 ppm。國(guó)VI 排放法規(guī)還要求NOX排放后處理SCR 必須加裝氨逃逸催化器（ASC）[3]。另外，國(guó)VI（b）排放要求中增加了整車實(shí)際道路排放測(cè)試要求和限值，而實(shí)際道路的排放量要高于WHTC 測(cè)試，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化難度進(jìn)一步增大[4]。這對(duì)柴油機(jī)機(jī)內(nèi)和機(jī)外凈化技術(shù)都是巨大挑戰(zhàn)。

為滿足排放要求，目前國(guó)內(nèi)外通用的后處理技術(shù)路線為DOC+CDPF+SCR+ASC。其中，SCR 主要采用在催化還原裝置前端噴射尿素的方式，將NOX還原為N2，而未參與反應(yīng)的NH3直接進(jìn)入大氣，造成氨逃逸現(xiàn)象[5]。研究表明，SCR 催化反應(yīng)在低溫環(huán)境下NOX的轉(zhuǎn)化效率較低，NOX的不完全轉(zhuǎn)化也是造成NH3逃逸的主要原因[6-7]，此外尿素的噴射量也是造成NH3逃逸的重要原因[8]。在實(shí)際應(yīng)用中，還原劑的分布不均勻同樣對(duì)SCR 的氨逃逸具有顯著影響。NH3的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致SCR系統(tǒng)空間內(nèi)氨氮比出現(xiàn)偏差，其平均氨逃逸量隨氨氮比的增大而增大[9-10]。因此，SCR 系統(tǒng)的催化反應(yīng)均勻性設(shè)計(jì)、載體的目數(shù)、壁厚、催化劑的涂覆及NOX與催化劑的接觸面積對(duì)SCR 的低溫反應(yīng)條件下氨逃逸影響研究尤為重要。

本文以四缸直列式高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，搭建了加裝DOC+CDPF+SCR 后處理系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架，進(jìn)行了溫度與NOX轉(zhuǎn)化效率的試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)低溫工況下氨氮比與SCR 轉(zhuǎn)化效率的試驗(yàn)；在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建并驗(yàn)證了SCR 三維CFD仿真軟件模型。重點(diǎn)針對(duì)目前采用的主流SCR 和ASC 的目數(shù)、壁厚、催化劑類型和涂層厚度進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了不同設(shè)計(jì)方案的NH3分布的均勻性、NOX轉(zhuǎn)化效率及氨逃逸，對(duì)低溫條件下不同載體參數(shù)的SCR 和ASC 可行性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)研究對(duì)象為某四缸直列式高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。后處理系統(tǒng)中SCR 載體涂覆的催化劑為釩基催化劑（V2O5-WO3/TiO2），相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main engine parameters

表2 催化器載體主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of catalyst carrier

1.2 計(jì)算模型及邊界條件

通過(guò)SCR催化器中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分析，按照反應(yīng)進(jìn)行的先后順序可以分為水解反應(yīng)、SCR催化還原反應(yīng)和NH3的氧化反應(yīng)（ASC）3 個(gè)部分。其中水解反應(yīng)、SCR 催化還原反應(yīng)方程式[11-13]為

氧化反應(yīng)：為了防止NH3的泄露，在SCR 反應(yīng)器后端需要加入氧化氨氣的反應(yīng)裝置，ASC 反應(yīng)主要的4 個(gè)方程式[14]為

圖1 為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在SCR 催化器中的SCR 反應(yīng)區(qū)域模擬示意圖。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作后排氣溫度達(dá)到催化劑起活溫度時(shí)，尿素噴射系統(tǒng)開始工作，將尿素水溶液通過(guò)噴射器以霧狀的形式進(jìn)入尾氣中。經(jīng)過(guò)噴霧、蒸發(fā)熱解、混合器混合及水解等過(guò)程后產(chǎn)生NH3，并在雙催化劑（CAT1 和CAT2）的催化作用下發(fā)生催化還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)，最終將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NOX轉(zhuǎn)化成為N2和H2O。表3 為仿真邊界條件參數(shù)。

圖1 SCR 反應(yīng)區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of SCR reaction zone

表3 仿真邊界條件參數(shù)Tab.3 Parameters of simulation boundary conditions

1.3 模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

模型采用國(guó)內(nèi)常規(guī)的雙載體結(jié)構(gòu)，2 個(gè)載體包括SCR 催化器1（CAT1）和催化器2（CAT2）兩部分。計(jì)算采用AVL FIRE 模塊進(jìn)行CFD 三維仿真模擬。圖2 為在AVL FIR 中設(shè)置條件后的仿真模型。

圖2 SCR 仿真模型Fig.2 SCR simulation model

圖3 為5 個(gè)工況下試驗(yàn)值和仿真值NOX轉(zhuǎn)化效率的對(duì)比。由圖3 可見，5 個(gè)工況下試驗(yàn)值與仿真值的NOX轉(zhuǎn)化效率趨勢(shì)基本一致，整體平均誤差均小于5%，說(shuō)明SCR 仿真模型的計(jì)算與試驗(yàn)趨勢(shì)有較好的一致性。本次三維仿真計(jì)算量較大，主要針對(duì)具有較強(qiáng)代表性的A、B、D 三個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行分析。另外，模型計(jì)算在1 s 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定，所以SCR 模型每個(gè)計(jì)算時(shí)間均設(shè)定為1 s，為了保證三維仿真圖形的準(zhǔn)確性，三維切片選擇在模型數(shù)值穩(wěn)定點(diǎn)0.7 s 處。

圖3 SCR 試驗(yàn)值與仿真值NOX 轉(zhuǎn)化效率對(duì)比Fig.3 Comparison of NOX conversion efficiency between experimental and simulated values in SCR

1.4 方案設(shè)計(jì)

1.4.1 催化器載體的幾何結(jié)構(gòu)

本文構(gòu)建的仿真模型以堇青石為載體，形狀正方形孔道結(jié)構(gòu)催化器為參數(shù)模型，載體孔道的幾何參數(shù)主要包括幾何表面積、開放正面區(qū)域面積。幾何表面積主要影響系統(tǒng)的壓降和轉(zhuǎn)化效率，開放正面區(qū)域面積主要影響系統(tǒng)壓降和體積密度[15]。在載體上涂覆催化劑的涂層，SCR 的催化還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)均發(fā)生在催化劑活性物質(zhì)的涂層上，涂層與氣流相接觸，覆蓋在固體基質(zhì)上。方形SCR 催化器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 方形SCR 催化器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of square SCR catalyst

1.4.2 不同載體結(jié)構(gòu)對(duì)比及方案設(shè)計(jì)

催化器載體孔道的設(shè)計(jì)對(duì)低溫條件下催化活性、壓降、NOX轉(zhuǎn)化效率都有重要影響，為進(jìn)一步提高催化器的性能，設(shè)計(jì)不同方案的載體的目數(shù)、壁厚、催化劑涂覆進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)對(duì)相同尺寸的載體體積、直徑和長(zhǎng)度配比，在低溫條件下對(duì)SCR 的反應(yīng)進(jìn)行NOX轉(zhuǎn)化效率和氨逃逸等方面的對(duì)比分析。不同目數(shù)、壁厚和涂層厚度的SCR 催化器載體的熱物性參數(shù)和幾何參數(shù)如表4 所示。

表4 載體的熱物性參數(shù)和幾何參數(shù)Tab.4 Thermal and geometric parameters of the carrier

2 結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 為不同低溫工況下，NOX排放和SCR 反應(yīng)對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，尿素噴射系統(tǒng)根據(jù)NOX排放量精確控制尿素的噴射，SCR 催化劑反應(yīng)較快，NOX轉(zhuǎn)化效率在不同NOX排放量下均有良好的轉(zhuǎn)化效果。在ESC 測(cè)試工況下NOX轉(zhuǎn)化效率隨排氣溫度的升高而提高，當(dāng)排氣溫度高于195℃時(shí)，SCR 的NOX轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了87%以上；排氣溫度在260℃的工況下，NOX轉(zhuǎn)化效率減小至76%，原因是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，排氣流量增多近39%，雖然尿素噴射量增多近38%，但在排氣溫度較低時(shí)，空速增大導(dǎo)致SCR 反應(yīng)時(shí)間較短，NOX轉(zhuǎn)化效率較低，氨逃逸量增大。

圖5 低溫工況下SCR 反應(yīng)對(duì)比Fig.5 Comparison of SCR reaction under low-temperature conditions

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 不同載體結(jié)構(gòu)NH3 分布對(duì)比分析

圖6 為A、B 和D 三個(gè)低溫工況下SCR 不同載體方案載體入口NH3分布均勻度對(duì)比?？梢娫诘蜏毓r下，A、B 和D 隨著進(jìn)排氣流量的增大，載體入口NH3分布均勻度均有較大提高；載體的目數(shù)增多，載體入口NH3分布均勻度提高，其中工況D 的提高最顯著，在進(jìn)排氣流量較大時(shí)，目數(shù)較多的載體3 入口NH3分布均勻度較高。原因是進(jìn)排氣流量和溫度的升高，促進(jìn)了尿素分解和NH3的生成及NH3的混合效果所導(dǎo)致；載體孔目數(shù)增多，孔隙率增大，也促進(jìn)了NH3的分布均勻度。由此可知，低溫工況下載體孔目數(shù)和壁厚的變化對(duì)載體入口面NH3分布均勻度有較大影響。

圖6 不同載體方案載體入口面NH3 均勻度對(duì)比Fig.6 Comparison of uniformity of NH3 distribution at the inlet of different carrier schemes

圖7 為A、B 和D 三個(gè)低溫工況下不同載體方案SCR 反應(yīng)NH3分布對(duì)比。可見在低溫條件同一工況下，隨著載體孔目數(shù)增多，載體出口區(qū)域段的NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低、滑移量減少，其中載體3 方案NH3的滑移量最小。原因是隨著載體孔目數(shù)增多和壁厚減小，催化劑涂層的表面積增大，NH3/NOX與催化劑的接觸面積增大，使NOX轉(zhuǎn)化效率提高及載體后端氧化反應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致NH3的滑移量減少。

圖7 不同載體方案NH3 分布對(duì)比Fig.7 Comparison of NH3 distribution of different carrier schemes

在相同載體的不同工況中，NH3的滑移量從大到小排序?yàn)椋汗rD>工況A>工況B。工況D 中NH3的滑移量最大，原因是低溫工況下隨著排氣流量較大，尿素噴射量增多，溫度較低時(shí)空速加快導(dǎo)致NH3不能反應(yīng)，因此NH3的滑移量增大。

2.2.2 不同載體結(jié)構(gòu)NOx 轉(zhuǎn)化效率對(duì)比分析

圖8 為A、B 和D 三個(gè)低溫工況下SCR 不同載體方案NOX轉(zhuǎn)化效率的對(duì)比?？梢? 個(gè)工況SCR反應(yīng)的NOX轉(zhuǎn)化效率增長(zhǎng)趨勢(shì)相似，轉(zhuǎn)化效率從大到小排序：載體3>載體2>載體1>原載體。在低溫工況A 對(duì)比載體1、2 和3，隨著目數(shù)增多和壁厚減小，NOX轉(zhuǎn)化效率均增加約5%，當(dāng)載體達(dá)到600目時(shí)，NOX轉(zhuǎn)化效率比原載體上升近15%。

圖8 不同載體方案NOX 轉(zhuǎn)化效率對(duì)比Fig.8 Comparison of NOX conversion efficiency of different carrier schemes

原因是載體目數(shù)增多，單個(gè)孔道的直徑增大，有較大的催化劑涂層表面積，NH3/NOX與催化劑的接觸面積增多，因此反應(yīng)雖在低溫條件下，但載體目數(shù)越多，NOX轉(zhuǎn)化效率反而更高。另外，對(duì)比不同方案工況A、B 和D 中，工況D 的NOX轉(zhuǎn)化效率增加量最大，工況D 中雖NO2/NOX比值較低，但工況D 排氣溫度的升高和催化劑涂層表面積增大，共同促進(jìn)SCR 催化還原反應(yīng)，導(dǎo)致NOX轉(zhuǎn)化效率增大。

2.2.3 不同載體方案尿素壁膜分布對(duì)比分析

圖9 為A、B 和D 三個(gè)低溫工況下SCR 不同載體方案尿素壁膜分布仿真對(duì)比。如圖所示，在相同的低溫工況下，隨著孔目數(shù)增多，載體入口區(qū)域尿素壁膜分布變化情況相同，而出口區(qū)域的尿素壁膜面積越來(lái)越小，原因是孔目數(shù)增多催化劑涂層的表面積增大，載體CAT2 上的NH3氧化劑與尿素和NH3的接觸面積也增大，尿素和NH3更多被氧化所導(dǎo)致。不同低溫工況下，隨著排氣流量增多，載體出口區(qū)域尿素壁膜面積區(qū)域增多，原因是隨著排氣流量的增多，尿素噴射量加大和空速加快，而SCR 反應(yīng)時(shí)間減少，尿素和NH3的滑移量增多所導(dǎo)致。綜上可知，載體的目數(shù)越高，NOX轉(zhuǎn)化效率均保持較高，且載體出口區(qū)域的尿素壁膜面積較小，氨逃逸量明顯減小，使SCR 催化器尿素結(jié)晶的可能性降低。

圖9 不同載體方案尿素壁膜分布對(duì)比Fig.9 Comparison of urea wall film distribution of different carrier schemes

3 結(jié)論

（1）不同方案載體參數(shù)結(jié)構(gòu)在低溫工況下，隨著排氣流量增大，載體孔目數(shù)增多和壁厚減小，對(duì)載體入口面NH3分布均勻度有明顯提高。

（2）隨著孔目數(shù)的不斷增多和壁厚的減小，不同方案NOX轉(zhuǎn)化效率均增多約為5%；載體3在排氣溫度較低時(shí)NOX轉(zhuǎn)化效率比原載體上升近15%，當(dāng)溫度超過(guò)200℃，NOX轉(zhuǎn)化效率均超過(guò)90%。

（3）隨著載體孔目數(shù)增多和壁厚的減小，低溫工況下載體入口區(qū)域尿素壁膜分布情況基本一致，而出口區(qū)域的壁膜面積減小，氨逃逸量減小顯著；載體的多孔和薄壁結(jié)構(gòu)，能顯著改善低溫下SCR 催化器的NOX轉(zhuǎn)化效率和氨逃逸。