柴油機選擇性催化還原（Urea- SCR）技術研究進展*

焦運景紀麗偉紀曉靜（-上海柴油機股份有限公司　上海　200438 2-天津大學機械工程學院3-北華航天工業學院）

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柴油機選擇性催化還原（Urea- SCR）技術研究進展*

焦運景1，2，3紀麗偉1紀曉靜1
（1-上海柴油機股份有限公司上海200438 2-天津大學機械工程學院
3-北華航天工業學院）

摘要：氮氧化物（NOx）是大氣的主要污染物之一，選擇性催化還原技術是降低車用柴油機排放NOx的有效措施。概述了尿素選擇性催化還原（Urea-SCR）技術的機理，介紹了國內外Urea-SCR技術的發展及應用以及數值模擬技術在SCR中的應用及發展，提出了目前尚待研究的幾個問題，展望了SCR研究領域的未來發展方向。

關鍵詞：柴油機氮氧化物SCR

引言

隨著我國汽車工業的快速發展，機動車尾氣污染已成為我國空氣污染的重要來源，其中，氮氧化物由于參與光化學煙霧和酸雨的形成而危害性更大[1]。研究表明，目前國內機動車NOx排放量占總排放量的31%，其中保有量僅占5%的重型柴油車氮氧化合物排放量卻占汽車總排放量74%。由此可見，柴油車尤其是重型柴油車已成為我國機動車NOx排放的主要污染源，急需重點控制。為了降低NOx排放，我國針對車輛排放污染的限制日益嚴格。國家“十二五”規劃提出到2015年要求氮氧化合物總量排放減少10%。

尿素選擇性催化還原（Urea-SCR）技術因其具有高效率、高選擇性、高經濟性及耐硫等優點將是未來國內柴油機排放升級主要技術方向[2]。Urea-SCR系統是控制柴油機排放后處理的一種裝置，它是將尿素溶液噴射到排氣管中，尿素溶液在排氣高溫下分解為氨氣和二氧化碳，氨氣在催化劑的作用下，與NOx發生還原反應，將NOx還原為無害的氮氣和水，從而降低柴油機的NOx排放。

1 Urea-SCR系統原理及基本化學反應

Urea-SCR系統是控制柴油機排放后處理的一種裝置，其示意圖如圖1所示。它是將濃度為32.5%尿素溶液噴射到排氣管中，尿素溶液在排氣高溫下分解為氨氣和二氧化碳，氨氣在催化劑的作用下，與NOx發生還原反應，將NOx還原為無害的氮氣和水，從而降低柴油機的NOx排放。

圖1　 SCR系統原理示意圖

1）氨氣的生成

尿素水溶液噴射進排氣管后，在排氣管和催化轉化器中，尿素水溶液首先蒸發析出尿素顆粒———CO（NH2）2

尿素熱解反應，生成了等摩爾的氨氣和異氰酸：

異氰酸進一步發生水解反應：

2）NOx的催化還原反應

標準SCR反應：

快速SCR反應：

反應式（3）和（4）是NOx的催化還原反應中的主要反應；

在NH3選擇性還原NOX的同時，同樣會發生如下副反應：

在柴油機的尾氣排放中，NOx以NO為主，NO通常占氮氧化物含量的85%～95%，因此在NOx的催化還原反應中化學方程式（3）是最主要的反應，但是化學方程式（4）的反應優先級比式（3）高，廢氣中的NO2和一部分NO能夠通過化學方程式（4）快速被消除。經過化學方程式（3）和（4）的反應，大部分的NOx被轉化為無害的N2和H2O。

2 Urea-SCR技術國內外發展研究現狀及發展動態

2.1國外研究發展及現狀

SCR技術原理首先由美國安格（Engelhard）公司于1957年發現并申請專利，其后日本成功研制出現今被廣泛使用的V2O5/TiO2催化劑，并于上世紀70年代在燃油和燃煤鍋爐等固定污染源上投入商業運行[3]。近十幾年來，隨著各國機動車輛排放法規的日益嚴格，應用SCR技術降低車用柴油機NOx排放成了新的研究熱點。國外SCR系統研發與生產時間較早，技術也較成熟。美國的康明斯集成式排放控制系統（IEM，Integrated Emissions Management）采用了高效的SCR技術，由電控模塊對SCR排氣后處理系統進行控制，該電控系統能夠根據發動機的實時工作狀況，準確地將適量的尿素水溶液噴入SCR裝置前端的排氣氣流中，也可根據發動機的燃油噴射、缸內燃燒和進氣狀況，對SCR系統的噴射進行同步控制[4]。丹麥的格倫德福斯公司和托普索科技公司合作研發出卡車用新型柴油機催化轉化器，該裝置可節省4%的耗油量，并可同時降低NOx和烴的排放量，減少柴油燃燒時產生的異味。為了使配備柴油機的商用客車在歐盟地區符合歐Ⅳ及歐Ⅴ排放標準，美國的戴姆勒-克萊斯勒公司已于2005年開始在其卡車和大型車上采用Urea-SCR技術來控制排放污染物[5]。德國的MAN公司采用一種調整的柴油催化轉換器（GD-CAT），以加速SCR中NOx的還原；博世（BOSCH）公司也針對SCR的應用開發了由噴射模塊（Dosing module）和定量配給模塊（Delivery module）組成的SCR應用系統。荷蘭的達富（DAF）公司為滿足歐Ⅳ及歐Ⅴ排放標準，在其12.9L排量的發動機上采用SCR系統，將燃燒效率大幅度提高，發動機燃油經濟性提高[6]。由此可見，國外對SCR技術已較成熟。目前，國外對SCR系統的催化劑的研究較為熱門，主要為拓寬催化還原反應溫度窗口[7-10]，在較寬的溫度范圍內降低NOx排放。

2.2國內研究現狀及發展

在國內，對車用SCR系統的研究才剛剛起步，盡管上柴、一汽、濰柴、玉柴等國內主要車用柴油機企業也與國外合作開發了適用于重型車用柴油機的SCR系統，并達到了國IV階段排放標準，但是對SCR系統還需要做進一步深入的研究。近十年來，國內一些高等院校和科研院所也開始對SCR技術進行深入的研究，如山東大學、武漢理工大學、清華大學、浙江大學、天津大學、哈工大、重慶大學等，都展開了尾氣催化還原降NOx排放方面的技術研究。

在保證動力性經濟性的前提下，降低碳煙的同時，使Urea-SCR系統實現高效的NOx催化轉化效率是近年來SCR技術研究的關鍵所在。影響NOx催化轉化效率的因素主要從以下幾方面來考慮：尿素的噴射控制、噴入排氣管內后的物理過程和化學化程、混合器內的溫度場、流場及濃度場分布情況、催化劑的化學性能等。

2.3數值模擬技術在SCR中的應用及發展

在對柴油機的后處理系統進行大量試驗研究的同時，與試驗研究相結合的數值計算越來越受到研究工作者的重視。數值模擬研究可獲得在試驗中無法獲取的SCR系統內部信息，在短時間內進行廣泛的變參數研究，揭示SCR系統內部流體運動與反應規律；模擬計算還可有效減少SCR系統開發的時間和成本。

國外關于三元催化轉化器的三維模擬研究起步較早，CFD首先被應用到三元催化轉化器的結構設計中。1993年，Herman Weltens等人[11]采用CFD對催化轉化器內部的流動進行了穩態模擬；同年，Lloyd-Thomas等人[12]將CFD輔助設計的概念引入到三元催化轉化器的開發中，并用實例證明了CFD在催化轉化器設計選型中的作用。1996年，Clarkson[13-14]將簡化的催化表面反應機理應用到催化轉化器CFD計算中，實現了化學反應動力學計算與流體動力學計算的耦合。1998年，Martin等人[15]建立了三元催化系統的CFD模型，并探討了不同錐擴張管結構對流體分配均勻性及轉化器性能的影響。現在CFD與化學反應動力學相結合的方法被廣泛用于三元催化轉化器的結構優化與性能評價中[16-17]。SCR催化器與三元催化轉化器內的過程都包含氣體傳熱傳質、多孔介質內流動、催化反應，因此三元催化轉化器的模擬研究對SCR后處理系統建模具有一定的借鑒作用。

2005年，DCL國際公司的Ming Chen等人[18]通過CFD模擬還原劑與排氣的混合特性，來優化還原劑濃度的分布，從而實現對Urea-SCR系統的優化設計。同年，Soo-Jin Jeong等人[19]對重型柴油機SCR后處理系統的尿素水溶液的噴射過程進行了CFD模擬，分析了噴射壓力、噴射位置、噴孔數對催化劑入口NH3濃度不均勻性指數的影響。2011年，Subhasish Bhattacharjee等人[20]通過建立CFD模型對重型柴油機Urea-SCR系統內部的尿素蒸發、熱解及水解過程進行了模擬，預測了催化劑入口氨濃度分布，得出催化劑阻力越大，氨的濃度分布越均勻。2011年美國俄亥俄州立大學的謝明鋒等，對雙Urea-SCR系統的SCR模型進行了研究，建立并發展了完整的SCR后處理系統控制模型和NOx傳感器模型；并在后處理控制模型的基礎上，對影響催化還原反應中的標準反應和快速反應的主要因素進行了研究[21-22]。同年，美國的Maruthi Devarakonda和Russell Tonkyn，研究了水和碳氫化合物對催化還原反應中的標準反應和快速反應的影響[23]。

在國內，清華大學帥石金等人[24]應用AVL FIRE軟件對柴油機SCR系統內的排氣流動、尿素水溶液噴射霧化、液滴蒸發、尿素熱解和催化劑表面化學反應等整個NOx后處理過程進行了模擬。2009年，江蘇大學的王謙采用計算流體力學和化學反應動力學相結合的方法，運用FIRE軟件對某Urea-SCR催化器系統進行全尺寸模擬，研究分析了催化器的流場、尿素流動和組份濃度的分布規律[25]。2011年，軍事交通學院聯合清華大學對配備Urea-SCR系統的重型柴油機達歐IV排放進行了試驗研究和一維數值計算分析，分別得出穩態工況和瞬態工況下的NOx轉化效率[26]。武漢理工大學溫苗苗等人[27]采用CFD與化學反應動力學結合的方法建立了車用Urea-SCR排氣后處理系統的數值模型，對尿素水溶液蒸發及熱解、催化還原化學反應等過程進行了模擬，并對比了不同排氣管結構、混合器、噴嘴結構及位置對催化器NOx轉化率的影響。雷達等人[28]利用數值方法對燃煤電站SCR內煙氣流場與還原劑的濃度分布進行分析，對比研究了噴氨格柵（AIG）、導流板、整流柵、混合器等流場優化裝置對氨氮比不均勻性、速度不均勻性、溫度不均勻性、系統壓降的影響。武漢科技大學2013年發表了對SCR系統模型參數優化的文章[29]，該研究采用一維數值計算對SCR模型參數進行優化，對發動機瞬態工況下的NOx進行了預測。

3　結論

綜上所述，面臨世界各國愈加嚴格的排放法規，科研工作對SCR技術的研究范圍還在不斷深入。一方面需要SCR后處理系統進行精確控制；另一方面為拓寬催化還原反應溫度窗口，以求在較寬的溫度范圍內降低NOx排放。近年來，對SCR系統的催化劑的研究成為熱門課題。

針對我國國情，從目前來看，SCR技術的使用所帶來的問題主要包括如下幾個方面：

1）SCR系統入口處流動、濃度的分布均勻性會極大影響整個系統的NOx轉化效率及NH3泄漏；

2）尿素在低溫下易結晶，從而影響轉化率。為迎接更嚴格的排放法規，還需要對現存的問題尋求技術突破口，并深入分析尋求解決問題的方法。

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Diesel Selective Catalytic Reduction（Urea-SCR）
Technology Research

Jiao Yunjing1，2，3，Ji Liwei1，Ji Xiaojing1
1- Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd.（Shanghai，200438，China）2- Mechanical Institute，Tianjin University
3- North China Institute of Aerospace Engineering

Abstract：NOxis one of the main pollutants in the atmosphere, and selective catalytic reduction technology is an effective measure to reduce NOx emissions from diesel engines. The reaction mechanism of Urea-SCR is provided in the article. The technology development and application of Urea-SCR at home and abroad are introduced，and the simulation techniques and development of SCR are also overviewed. Several problems to be studied are proposed in this paper. At last，the future development direction in the field of SCR is presented.

Keywords：Diesel engine，NOx，SCR

收稿日期：（2015-04-13）

*基金項目：上海市博士后科研資助計劃資助，項目編號14R21420600。廊坊市科技支撐計劃項目，項目編號2014011054。河北省自然科學 ，項目編號E2015409022。

作者簡介：焦運景（1971-），女，博士，研究方向為內燃機工作過程與排放控制。

文章編號：2095-8234（2015）03-0075-05

文獻標識碼：A

中圖分類號：TK421+.5