基于尿素熱解的柴油車尾氣凈化裝置的設計研究*

劉存山

(東莞職業技術學院，廣東 東莞 523808)

0 引言

近幾年來,隨著汽車保有量的不斷增加(2010年我國汽車保有量已突破1億輛)、能源的日益枯竭以及環境的日益惡化,我國的霧霾問題越來越嚴重。目前，我國柴油車保有量的比重仍在快速增長，控制柴油車的排放已到了刻不容緩的地步，積極研究開發符合環保要求的低排放、低污染柴油車是市場的必然趨勢。

柴油車排氣控制方法一般可分為機內凈化和機外凈化。前者主要指改善燃油和優化發動機設計與創新；后者是指在廢氣排空前進行凈化處理。實際上后者是主要的有效凈化方法。現有柴油車尾氣凈化器基本上都采用催化劑凈化的模式，而且多數的柴油車尾氣凈化器只能進行單一凈化，不能對尾氣進行多效的全面凈化處理[1]。本文的主要目的在于克服現有技術的不足與缺點，研究一種基于尿素熱解的柴油車尾氣凈化方法以及凈化裝置，使其可大幅抑制NOx等多數有害氣體的排放。

1 基于尿素熱解的柴油車尾氣凈化裝置的凈化原理

由于柴油車尾氣排放的有害成分中碳煙微粒(PM)和NOx相對較高，HC和CO的排放相對較少，所以在設計柴油車尾氣凈化器時需重點考慮碳煙微粒(PM)和NOx的凈化模塊。本文設計的主要凈化模塊有：①凈化碳煙微粒(PM)的模塊：直流/側流式熱反應器；②凈化NOx的模塊：文丘里管式的EGR裝置[2]、干粉尿素噴射器(SCR)、催化轉化器；③凈化HC和CO的模塊：二次空氣供給+直流式熱反應器、催化轉化器。在基于尿素熱解的柴油車尾氣凈化裝置中,干粉尿素SCR裝置的設計是關鍵。

1.1 尿素SCR凈化NOx原理

1.1.1 尿素的熱解

尿素在排氣管中需要分解為NH3，然后NH3再與排氣管中的NOx發生氧化還原反應。尿素干粉的熱解主要分以下三步[3]：

(1) 尿素干粉加熱，變成固態或熔融態：

(NH2)2CO(aqueous)→(NH2)2CO(molten)+xH2O.

(2) 尿素分解成等量的NH3和HNCO：

(NH2)2CO(molten)→NH3+HNCO.

(3) 氣態時的HNCO比較穩定，但在SCR氣化室中比較容易水解成NH3和CO2：

HNCO+H2O→NH+CO2.

1.1.2 尿素熱解后凈化NOx的原理

柴油機在工作時，干粉尿素熱解后生成的NH3噴射到SCR裝置中會發生以下兩個反應[4]：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O.

(1)

2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O.

(2)

由于柴油機排氣中的NO占NOx的90%左右，所以方程式(1)為SCR內進行的主要反應，反應過程中NH3與NO以1∶1的比例發生化學反應，隨后NO被凈化生成水和氮氣。其次SCR內的NO、NO2也可同時與NH3發生化學反應，它們的化學計量比為2∶1∶1(如方程式(2)所示)，NO、NO2被凈化后同樣會生成干凈的水和氮氣。

1.2 EGR凈化NOx原理

廢氣再循環系統(Exhaust Gas Recirculation)簡稱EGR，是將柴油機或汽油機產生的廢氣的一小部分再送回氣缸。再循環廢氣由于具有惰性將會延緩燃燒過程，也就是說燃燒速度將會放慢從而導致燃燒室中的壓力形成過程放慢，這就是氮氧化合物會減少的主要原因[5]。另外，提高廢氣再循環率會使總的廢氣流量(mass flow)減少，因此廢氣排放中總的污染物輸出量將會相對減少。

1.3 二次空氣供給凈化CO、HC原理

二次空氣供給凈化CO、HC的工作原理是將新鮮空氣送入發動機排氣管內，從而使尾氣中的HC和CO進一步氧化和燃燒，即把導入空氣中的氧在排氣管內與排氣中的HC和CO進一步化合形成水蒸氣和二氧化碳，從而降低了排氣中的HC和CO的排放量[6]。

1.4 催化轉化器氧化還原NOx、CO、HC原理

催化轉化器主要利用催化劑使汽車排氣中的CO、HC、NOx相互之間發生氧化還原反應生產無害的CO2、H2O、N2。催化轉化器為三效催化轉化器[7]，通常其外部為不銹鋼殼體，內部為貴金屬鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)制成的蜂窩狀催化劑載體。

1.5 側流式、直流式熱反應器凈化PM和CO、HC原理

首先，含有大量碳煙微粒的柴油車尾氣經排氣管直接進到本文研究的凈化器中，通過側流式熱反應器上的側流孔將粒徑較大的碳煙微粒濾掉除去，粒徑較小的微粒會隨著高溫條件下的熱降解而大部分除去。側流式熱反應器還可氧化除去排氣中部分的HC和CO；然后，尾氣進入直流式熱反應器，通過熱反應器導流板上設置的吸附孔可以將排氣中的碳煙微粒吸附而除去。同時平行設置的導流板可對經過EGR和二次空氣供給裝置后的排氣進行整流，使其均勻地進入下一個凈化模塊，增加催化器的排氣凈化作用[8]。

2 基于尿素熱解的柴油車尾氣凈化裝置結構設計

2.1 凈化裝置總體設計

基于上述凈化原理設計的柴油車尾氣凈化裝置由套筒、側流式熱反應器、EGR(排氣再循環)和二次空氣供給裝置、直流式熱反應器和金屬蜂窩載體催化器以及尿素干粉熱解SCR六個模塊組成。其中，側流式熱反應器、EGR和二次空氣供給裝置、直流式熱反應器和金屬蜂窩載體催化器、尿素干粉熱解和等離子凈化5個凈化模塊依次連接，均設置于套筒內。

基于尿素熱解的柴油車尾氣凈化裝置整體結構如圖1所示。套筒1具有進氣端11、排氣端12及連接進氣端11和排氣端12的內部排氣通道。套筒1的進氣端11通過法蘭盤固定連接到柴油車的排氣管上，排氣端12設有后端蓋給予保護及穩固套筒1內的部件。側流式熱反應器2對進氣端11輸入的尾氣凈化除去部分HC和CO。金屬蜂窩載體催化器5設置在套筒1的排氣端，可增加有害尾氣成分的活性，使其在較低的溫度條件下發生氧化還原反應而被除去。二次空氣供給裝置3是將排氣再循環技術和二次空氣供給技術結合在一起的文丘里管式二次空氣供給裝置，套筒1的周壁上設有配合二次空氣供給裝置3工作的進氣孔13,進氣孔13根據需要在套筒一周上均勻設置。直流式熱反應器4設有若干塊具有吸附能力的導流板42，導流板42由振動馬達41驅動而達到自身的共振。尿素干粉熱解模塊7將粉末狀尿素熱解成NH3和CO2并間歇性噴入套筒1的排氣通道，對尾氣進行還原，使其生成N2和O2等無害氣體。凈化裝置可實現對柴油車排氣中的CO、HC、NOx、碳煙微粒等多種有害氣體成分的協調凈化處理，達到全面高效的復合式凈化處理。

2.2 尿素干粉熱解的原理設計

尿素干粉熱解模塊處于排氣管中后端，其控制電磁閥采用直流24 V電壓，干粉尿素噴射裝置示意圖如圖2所示。尿素干粉熱解模塊7具有便于尿素干粉置放的添加盒72及將粉末狀尿素熱解成NH3和CO2的氣化室76，添加盒72與氣化室76之間通過可通斷的電磁閥連接，氣化室76具有噴射開關761，該噴射開關761連接到套筒1的排氣通道。添加盒72與氣化室76之間有主電磁閥73和噴射電磁閥74串聯連接，并在主電磁閥73和噴射電磁閥74之間的管道中設置負壓系統，該負壓系統具有吹氣電磁閥71和抽負壓電磁閥75。噴射開關761是一氣壓閥門開關，在壓力超過預緊力時就打開噴射，否則常閉。

1-套筒;2-側流式熱反應器;3-EGR與二次空氣供給裝置;4-直流式熱反應器;41-馬達；42-導流板；5-金屬蜂窩載體催化器;6-等離子電極管;7-干粉尿素SCR裝置;11-進氣端;12-排氣端；13-進氣孔；761-噴射開關

71-吹氣電磁閥;72-尿素添加盒;73-主電磁閥;74-噴射電磁閥;75-抽負壓電磁閥;76-氣化室;77-壓力傳感器;761-噴射開關

具體工作流程如下：①初始狀態：抽負壓電磁閥75打開，管路系統無壓力；②啟動發動機時：主電磁閥73打開，放入一定量尿素粉末后關閉，同時抽負壓電磁閥75延時關閉，打開噴射電磁閥74，同時打開吹氣電磁閥71，將粉末狀尿素吹入氣化室76后延時數秒后關閉；③系統運轉后穩態時：高溫的尾氣加熱氣化室76，將粉末狀尿素熱解成NH3和CO2，在壓力傳感器77監測下，當氣壓達到一定壓力后開始從噴射開關761間歇性噴入；④氣化室壓力降低時：當氣化室76內的壓力降低到一定時，噴射電磁閥74、抽負壓電磁閥75打開，系統抽負壓，壓力降至一定值，噴射電磁閥74和抽負壓電磁閥75關閉，主電磁閥73打開，釋放一定量粉末尿素，以后至步驟②重復整個流程，主電磁閥73和噴射電磁閥74的打開由壓力傳感器77給予工作信號。上述電磁閥和傳感器均設置直流電壓24 V，24 V直流電源來自于柴油車使用的24 V蓄電池電源。尿素干粉熱解模塊7間歇性將熱解粉末狀尿素所得的NH3和CO2噴入套筒1的排氣通道，對尾氣進行還原，使其生成N2和O2等無害氣體。

3 結論

本文設計的基于尿素熱解的柴油車尾氣凈化方法和凈化裝置與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

(1) 采用側流式熱反應器、二次空氣供給裝置、直流式熱反應器、催化轉化器、尿素干粉熱解模塊對柴油車排氣中的CO、HC、NOx、碳煙微粒等多種有害氣體成分進行協調凈化處理，達到全面高效的復合式凈化處理，而非市面上單一排氣凈化裝置可比擬。

(2) 尿素干粉熱解模塊將粉末狀尿素熱解成NH3和CO2并間歇性噴入套筒的排氣通道，使有害排放物分子經過等定向鏈式化學反應，重新組合形成無毒害的氣體分子。本文中設計的尿素干粉熱解裝置將尿素用于柴油車凈化NOx，使用更加方便，尿素添加周期更長。

本發明的結構簡單可靠，能全面凈化柴油機尾氣中的固體微粒、HC、CO、NOx凈化效果良好，可廣泛作為各種柴油機的尾氣處理凈化裝置。