大型柴油機高氮氧化物轉化率的排放控制系統的研發

【美】 M.Naseri R.Conway H.Hess C.Aydin S.Chatterjee

0 前言

為滿足針對大型柴油機的氮氧化物（NOx）排放要求和法規，選擇性催化還原（SCR）被證明是一種有效的解決方案。隨著改善燃油經濟性的需求增加，人們要求提高SCR系統對NOx的減排能力，可以允許發動機排出更多的NOx。這將挑戰當前的后處理設計，包括柴油機氧化催化器（DOC）、催化碳煙過濾器（CSF）和SCR單元。一種方法是采用涂覆SCR的柴油機顆粒濾清器（SCRF?）代替CSF，保持直通式SCR。通過使用高孔隙度直通載體，涂覆比當今標準涂覆量更高的活性涂料，下游SCR工作也可以獲得改善。該設計不僅可以改善低溫時的NOx轉化效率（因為SCRF單元接近渦輪出口），而且增加了SCR活性位可以置于整個系統內，而無需增加外形尺寸，從而獲得很高的NOx轉化效率。SCRF技術需要高孔隙度過濾裝置，以便獲得更高的催化劑涂覆量來提高催化性能和耐久性。這些高孔隙度過濾器須具有良好的熱機械性能，能經受整個壽命期系統多次主動再生過程。

前期研究表明，SCRF催化劑具有很高的NOx轉化能力［1～5］。研究下游直通SCR催化器，以證明高NOx還原效率可以通過將大量活性催化材料置于高孔隙度和高孔道密度的直通式載體上來獲得［6～8］。本研究中把SCRF單元與下游高孔隙度SCR催化劑相結合以實現NOx高轉化效率，并對此給出評價結果。在NOx原始排放較高的發動機上評價了性能。在標準的瞬態FTP循環中對這些系統的NOx轉化能力進行了評估。同時，評價了不同的控制策略以了解還原劑投放策略和熱管理對NOx轉化效率的影響。

1 試驗

本研究使用了4個系統，包括將DOC、CSF和SCR置于2個標準載體（基準系統）上，將DOC、涂有SCR的DPF（SCRF單元）和SCR置于1個標準載體上，將DOC、SCRF單元和1份高孔隙度、高孔道密度SCR催化劑置于1個標準載體上，最后將DOC、SCRF單元、1份高孔隙度、高孔道密度SCR催化劑和1份氨泄漏催化劑（ASC）置于1個標準載體上。采用銅-沸石SCR催化劑技術，用于SCRF、標準SCR和高孔隙度高孔道密度SCR系統。系統配置如圖1所示。不同載體的細節和時效條件如表1所示。SCR試驗使用了2個孔道密度不同的高孔隙度載體（HPS）。

如表1所示，用作基準系統的CSF載體為1塊NGK堇青石，孔道密度每平方英寸200cpsi、壁厚12mil①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。，而本研究采用的SCRF組件載體為1塊NGK堇青石，型號C650，孔道密度300cpsi，壁厚12mil。用于SCR催化劑的標準載體是1塊400cpsi，壁厚4mil的NGK堇青石，而SCR使用的2個高孔隙度高孔道密度載體（HPS）采用孔道密度分別為900cpsi、600cpsi和壁厚為3mil、4mil的NGK堇青石。DOC在試驗前經過500℃熟化處理4h，CSF經過700℃時效處理，而SCRF組件、SCR、ASC則在650℃時進行熱液時效處理以仿真現場時效。熱液時效處理中有10%的水。

表1 催化劑參數

測試是使用1臺2007年款柴油機進行的。發動機規格如表2所示。本研究中EGR被關閉，結果NOx排放量達到大約5.6g／（hp·h）。通過空氣輔助泵grundfos輸送尿素并噴入。將1臺6in靜態混合器置于噴嘴后和SCRF單元前，以確保廢氣與尿素混合良好，且分布均勻。

本研究使用的測功器是Horiba 800hp交流電力測功器。進氣氣流用Sierra空氣流量計測量，量程為0～2 400kg／h，滿刻度精度為±1%。發動機原始排放使用Horiba MEXA 7500D雙工作臺（CO、HC、NOx）分析儀測量，其滿刻度精度為±1%。系統總排放量使用1臺傅里葉變換紅外光譜儀（MKS型2030HS）測量。使用Setra 206型壓力傳感器監控DPF背壓。使用K型熱電偶測量系統溫度。

表2 發動機規格

通過大型載貨車冷態FTP試驗以確定系統性能。在研究的不同部分使用了冷態和熱態循環。瞬態循環期間平均 NH3-NOx比（ANR）為1.2～1.3。應該指出的是，本研究冷態FTP保溫時間為3h，這樣做是為了節省試驗時間。研究表明，大約3h的后處理保溫會得到與冷態FTP條件下8h保溫相同的進口溫度，后者可使發動機冷卻液和潤滑油回到室溫。2種保溫方法之間在FTP循環的開始250s內差別不到8°。SCR進口溫度比較如圖2所示。

這項研究的一部分包括在冷態瞬態FTP循環期間應用不同控制策略。應用這些策略是為了解氨劑量、熱管理及兩者的結合對系統性能的影響。在研究中考慮了幾個選項。在一個選項中，冷態FTP評價了氣態NH3和預飽和處理的效果；在另一個選項中，采用C100模式暖機，然后運行FTP循環檢查暖機情況的效果；最后，在FTP循環中評價了暖機和NH3飽和的聯合效應。

2 結果和討論

本研究進行了2部分試驗：（1）結合SCRF單元和性能較高的SCR催化劑設計了1套高效NOx還原系統，進行發動機試驗以說明SCRF概念及高性能SCR與基準系統相比的性能優點；（2）在不同條件下試驗了該性能較高的系統，以證明通過使用不同策略進一步提升性能水平，尤其是關于冷起動試驗。第一部分試驗的不同系統見表3。

表3 不同的系統布置

2.1 高NOx還原效率的系統試驗

系統總NOx轉化效率用1次冷態FTP循環和3次熱態FTP循環（循環之間有1段20min的保溫）測量。循環中使用的ANR是1.2～1.3。開始測試之前，CSF或SCRF單元進行了主動再生，以清除碳煙，然后系統冷卻3h再開始FTP循環。

系統1測試用表3中的布置1作為基線，對應1個2010年典型系統的設計。在熱FTP循環SCR進口的NO2／NOx比值為35%。瞬態熱態FTP循環期間，用這套基準系統實現的NOx轉化效率是83%左右。接下來進行系統2測試，以SCRF組件代替CSF并使用標準載體上的SCR催化劑。使用SCRF技術的系統進口處NO2／NOx比值為32%。利用布置2中的SCRF概念，NOx轉化效率增加到88%。系統3顯示，通過用高孔隙度／高通道密度SCR替代標準SCR可進一步提高NOx還原率。利用這個系統，熱態FTP循環NOx轉化效率增加到了91%。這3個系統的比較情況見圖3。

應注意為了不改變試驗之間的發動機排出的原始NOx排放，在SCRF系統與基準系統之間保持了相似的發動機背壓。對于熱態FTP循環，系統3顯示的背壓峰值約為8in汞柱，均值2.5in汞柱，而對照的基準系統的峰值為7in汞柱，均值為2in汞柱。

熱態FTP循環試驗結果表明，用SCRF單元和涂覆SCR的HPS的系統表現出非常高的NOx轉化效率。該設計可在低溫下改善NOx轉化效率，因為SCRF部件靠近渦輪出口，因而在循環中較早就達到較高的溫度。它并不增大整體尺寸，而是在整個系統中安置了較多的活性位，這也改善了NOx轉化效率。實際上，系統3比基準系統少用50%的SCR催化劑（直通式載體）。

2.2 冷態FTP循環高NOx還原效率的系統策略試驗

基于圖3中達到的性能，應用了系統布置4進一步研究其在冷態FTP循環中的性能，以及獲得高還原效率的方法。

該布置包含相同的DOC和SCRF單元。SCR部分改為900cpsi HPS載體。在另一項研究中，600cpsi和900cpsi HPS SCR單元展現出相似的性能。除了載體的變化外，使用的SCR催化劑是相同的。此外，氨泄漏催化劑也添加到最終系統中，以控制泄漏量。

布置4在冷熱態FTP循環的NOx轉化效率如圖4所示。冷態FTP實現了大約77%的轉化效率，對未來用途和預期法規來說較低。然而，熱態FTP的NOx轉化效率高達93%。

對冷態FTP循環NOx中轉化效率低于預期值背后的原因作了檢查。冷熱FTP狀態下SCRF單元進口、中床和出口溫度的曲線如圖5和圖6所示。冷態FTP循環前半段溫度幾乎低于200℃，平均溫度大約是235℃。通常的尿素投入策略為僅在SCR進口溫度達200℃或以上時才噴入尿素，以避免尿素沉積物的形成。同樣，在此系統中，尿素只是在SCRF組件進口溫度已達到200℃和更高時才噴入。因此，冷態FTP循環前半段幾乎沒有尿素噴入，因而沒有足夠的NH3用來還原NOx。

熱態FTP循環排氣溫度較高，如圖6所示，尿素噴射在100s開始。然而有的時段在溫度低于200℃時，尿素噴射也會停止。熱態FTP循環平均溫度大約為250℃。

冷態FTP循環發動機排出和系統排出的NOx曲線，以及溫度曲線如圖7所示。400s前，溫度低于200℃，NOx的還原效率很低。在600s之后，還原效率迅速上升，此時排氣溫度高于200℃。冷態FTP循環中NH3泄漏量很低，平均只有1.0×10-6，峰值2.0×10-6，再次表明缺乏足夠的NH3。

結果表明，在冷態FTP循環中由于溫度低于200℃，未能較早投入足夠的尿素，即使是性能很高的后處理系統，也可能無法達到所需的高NOx轉化效率。因此需要做額外的研究，以求提高冷態FTP NOx轉化效率和利用高性能催化系統。

下面將探討不同的選項（表4）和控制策略，對改善NOx轉化效率的影響。每種情況使用的后處理系統都是表3的配置4，包含SCRF組件和在900cpsi HPS載體上涂覆Cu-SCR催化劑。基線是圖7所示的冷態FTP循環用標準尿素劑量的數據。

2.2.1 選項1：氣態氨的影響

在冷態FTP循環前半段溫度相對于投放尿素還太低的時候噴入NH3。設計了1個側流NH3定量給料裝置，將NH3注入到主排氣流中。NH3定量給料裝置連接到發動機渦輪出口，少量的熱排氣流（約15～25kg／h）從發動機抽入側流系統。因為該氣流從渦輪出口分出進入給料器，其溫度明顯高于主排氣流溫度。尿素注入側流反應器，在水解催化劑作用下轉化為NH3。產生的NH3回流到主排氣流，混合器和SCRF組件的上游。側流NH3投料器的控制設計成從冷態FTP循環一開始就將NH3注入主排氣流，直到SCRF單元進口溫度達到215℃。當測試循環溫度高于215℃時，主尿素投放系統被激活，開始向排氣流噴入尿素。2個系統投料控制策略都設置在使整體ANR值保持在1.0左右。

表4 試驗條件

圖8表示該選項冷態FTP循環下SCRF單元的進口溫度、發動機排出和系統排出的NOx曲線。NOx曲線以濃度水平表示，平均溫度大約231℃。在290～300s后觀察NOx還原效率，這是因為排氣流中可較早利用NH3。系統整個循環內總NOx轉化效率如圖9所示。在冷態FTP循環下，因為在循環冷態部分注入了NH3，本選項NOx轉化效率增加到81%。循環內平均NH3泄漏量為1.5×10-6，峰值為17.0×10-6。

NH3泄漏量，尤其是峰值泄漏量表明NH3噴射控制策略需要進行更多調整，以減少NH3泄漏。可通過將泄漏NH3氧化形成的NOx量降至最低，進一步提高總的NOx轉化效率。

這項試驗表明，如果在循環早期就噴入NH3，采用當前最先進的技術能夠在冷態FTP循環下獲得高NOx轉化效率。實現這點的途徑之一是在循環的低溫時段使用另一種方法引入氣態NH3。

2.2.2 選項2：預儲NH3的效果

為了模擬較早注入氣態NH3的效果，評估了在冷態FTP循環下測試開始前系統用氨飽和處理的結果。因為一些當前系統在冷態FTP循環開始前會完成預循環，預飽和試驗是可行的。該預循環有利于存儲NH3，以便在低溫下尿素不能噴入時用于轉化NOx。通過運行幾個熱態FTP循環來執行預飽和處理，ANR大約在1.2～1.3，直到SCRF單元和SCR被認為已經被NH3飽和處理。系統飽和后，發動機停機，系統冷卻3h。之后，系統用正常尿素投入量進行1次冷態FTP測試。

圖10表示冷態FTP循環SCRF單元進口溫度、發動機排出和系統排出的NOx曲線。NOx曲線以濃度水平表示。和之前一樣，排氣溫度很低，在循環前半段的大部分時間沒有噴入尿素，平均溫度大約是235℃。然而只在300s后才觀察到NOx還原。這是由于系統（SCRF單元＋SCR）中有預飽和NH3存在。系統循環內總的NOx轉化能力如圖11所示。在冷態FTP循環，使用預飽和NH3策略的NOx轉化效率從標準FTP循環的77%上升到86%。NH3泄漏量在這個循環內又非常低，平均只有1.0×10-6，峰值6.0×10-6。

這項試驗再次表明，如果循環早期有足夠的NH3，在冷態FTP循環下能夠獲得高得多的NOx轉化效率。這個數據也強調了需要調整NH3的投入量，使得不產生太多的NH3泄漏。如果噴入足夠的NH3，不僅NOx會在冷態FTP循環早期階段轉化，而且也會在循環的后半段系統變暖后阻止NOx的生成，并且泄漏的NH3會在泄漏催化劑作用下轉化為NOx。2.2.3 選項3：熱管理對NOx轉化效率的影響

在冷態FTP循環下通過使用模擬的熱管理手段提高了排氣溫度，以便能較早通過標準尿素投入策略提供NH3。通過使系統預熱并使之暴露于C100模式下10min且尿素以ANR1.0噴入來模擬熱管理策略。在C100模式下，SCRF單元進口溫度大約是480℃。高溫使得SCRF單元或SCR內不會有NH3，然而系統溫度高于先前的研究情況。預熱后發動機停機不到2min就開始FTP循環。這并不代表真正意義上的冷態FTP循環，但其目的是模擬具有應用熱管理可以達到的較高溫度的冷態FTP循環。使用1.2～1.3的ANR以確定瞬態循環下的系統性能。

圖12表示瞬態循環下SCRF組件進口溫度、發動機排出和系統排出的NOx曲線。如圖12所示，排氣溫度明顯高于圖5所示的典型冷態FTP循環。因此，尿素噴射從循環的起點開始。循環平均溫度大約是263℃。由于更高的溫度和較早投入尿素，系統從循環開始就可進行NOx轉化。

系統的NOx轉化能力如圖13所示，并與之前的數據做了比較。結果表明，NOx轉化效率通過實施這樣的熱管理策略而升高到91%，而標準冷態FTP循環下僅為77%。較高的溫度和隨之而來的尿素早期投放使得NOx轉化效率甚至超出了NH3預飽和條件下的數值。本循環內的氨泄漏量雖然還是較低，但高于前面的試驗，平均為2.0×10-6，峰值為20.0×10-6。

結果表明，冷態FTP循環下利用有效的熱管理策略將有利于用SCRF技術的系統在瞬態冷循環中達到較高的NOx轉化效率。

2.2.4 選項4：預存儲NH3和熱管理對NOx轉化效率的影響

第4選項運行5個背靠背式FTP循環，噴射尿素使ANR為1.2～1.3，作為系統的預處理。完成5個循環的運行后沒有關掉發動機，又用相同的ANR運行了另1個FTP循環，以確定系統的NOx還原能力。這些試驗的目的是模擬NH3的預飽和，以及實施熱管理，使尿素能夠較早投入等試驗條件。

圖14表示SCRF單元進口溫度、發動機排出和系統排出的NOx曲線。通過運行5個背靠背FTP循環，排氣溫度從循環一開始提高到200℃以上，平均溫度大約268℃。同時，NH3存儲在SCRF組件和SCR內，因此從循環開始就有足夠的還原劑。此外，由于起始溫度較高，尿素從一開始就可以使用。

如圖14所示，從循環一開始就發生了NOx的還原反應。與圖10相比，循環前半段幾乎沒有NOx排放峰值。循環中部NOx有一些高峰，這可能是由于NH3在ASC上氧化生成了NOx，NH3可能來源于系統內較高的NH3泄漏，然而，這完全可以通過進一步優化投量策略和ASC來控制。

圖15比較了使用選項4時的系統NOx轉化效率，顯示NOx轉化效率提高到96%，而選項3僅使用熱管理為91%，選項2僅存儲NH3為86%，選項1可用氣態NH3為81%，而當前基準冷態FTP循環下為77%。正如預期，這循環中的NH3泄漏較高，平均為3.0×10-6，峰值為50.0×10-6。表5總結了所有選項下的進口溫度、NOx轉化效率和平均NH3泄漏量。

表5 結果總結

這些結果表明，DOC＋SCRF＋SCR＋ASC系統能夠在冷態FTP循環實現超過95%的NOx轉化效率。然而為實現所希望的低溫還原效率，需要預存足量的NH3、實施熱管理和較早使用NH3的組合。

3 結語

本文通過把DOC、SCRF單元與基于高孔隙度載體SCR技術相結合，設計了1套先進的高效NOx轉化系統。與2010年的典型系統相比，該系統展示出更高的NOx轉化效率，這是因為SCRF組件被置于離渦輪出口更近的位置（使得可在測試循環早期就達到較高的溫度），而且系統擁有更多的活性位進行NOx轉化而不會增加后處理系統的體積。然而，該先進系統在冷態FTP循環下性能仍然低于期望，為了滿足未來的法規要求，這將變得越來越重要。

于是，在冷態FTP循環條件下試驗了另一套相似的先進系統，評價了不同的控制策略，以了解在冷態FTP循環條件下還原劑劑量和熱管理對獲得較高的NOx轉化效率的效果。

（1）在冷態FTP循環下用標準尿素投入劑量，NOx轉化率低于期望值，因為沒有還原劑來減少循環早期低溫運行的NOx。

（2）在冷態FTP循環中的低溫部分引入氣態NH3后，NOx轉化效率升高了大約4%。

（3）通過預飽和處理裝置從冷態FTP循環一開始就預存NH3，使得NOx轉化效率提高了約9%。

（4）通過使用1套模擬的熱管理策略，使NOx轉化效率比標準冷態FTP時提高了14%。

最后，通過把2種控制策略聯合使用，即在循環初期表面上有足量的NH3和進行熱管理，在瞬態循環中實現了高于95%的NOx轉化效率。

采用一流的DOC＋SCRF＋SCR＋ASC技術能夠實現非常高的NOx轉化效率。然而，在冷態FTP循環條件下，由于低溫和缺乏可用的NH3，仍不能充分實現潛力。通過配備當前最先進的排放控制系統，專注于測試循環早期提供氣態NH3，以及提高工作溫度，大型柴油機可以實現很高的NOx轉化效率。

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