重型柴油機雙SCR系統結構參數優化研究

谷林強

摘要：為了研究國六重型柴油機選擇性催化還原（SCR）系統性能影響因素，文章運用實驗方式對催化器的長度、孔的數目以及壁厚進行了試驗驗證。結果表明：在相同的橫截面積下，催化器的長度越短，SCR系統性能較好;孔數目的多少取決于排氣背壓增加的限值，它的變化使NOx轉化效率及壓力損失相互矛盾，相互制約。載體壁厚越薄，發動機性能越優秀，但壁厚的減小必需使催化器載體滿足強度、熱應力及制造工藝的要求。

Abstract： In order to study the influencing factors of the performance of the selective catalytic reduction （SCR） system ?of the National Six Heavy Diesel Engine， the length of the catalyst， the number of holes， and the wall thickness were experimentally verified by experiments. The results show that： under the same cross-sectional area， the shorter the length of the catalyst， the better the performance of the SCR system; the number of holes depends on the limit of the increase in exhaust back pressure， and its changes make the NOx conversion efficiency and pressure loss mutually contradictions and mutual constraints. The thinner the carrier wall thickness， the better the engine performance， but the reduction of the wall thickness must make the catalyst carrier meet the requirements of strength， thermal stress and manufacturing process.

關鍵詞：柴油機;長度;孔數目;壁厚

Key words： diesel engine;length;number of holes;wall thickness

0 ?引言

柴油機因具有其獨特的優勢廣泛運用，然而柴油機尾氣中的氮氧化物參與光化學煙霧和酸雨的形成而危害極大[1]。隨著國家對排放要求日益嚴格，僅僅依靠優化缸內燃燒過程已經不能滿足排放標準了，需要輔以后處理系統。

尿素選擇性催化還原技術（Urea selective catalytic reduction，Urea-SCR）是當今世界公認降低NOx排放最有效的技術之一。到目前為止，大量的學者對影響轉化效率做了大量的研究。文獻[2]將計算流體力學與化學反應動力學相結合，對催化轉化器內尿素噴霧和NOx還原等過程進行了研究，發現噴嘴位置、噴霧角度和管道設計都會影響液滴分布、碰壁及流動均勻性。文獻[3]模擬研究了一個帶預氧化催化劑的Urea-SCR系統，建立了一個SCR催化器的單通道二維模型，并假設噴入模型中的尿素水溶液完全蒸發和分解且均勻地分布在通道前端，釆用二維邊界層方程計算通道內的流動，模擬結果與試驗結果偏差較小。文獻[4]分別采用了二維和三維CFD軟件對催化轉化器內部流場進行穩態模擬，結果表明：三維模型能更好的體現SCR反應器內部的流動分離現象，且催化器橫截面上的速度分布場與測量值較為吻合。此外，還分別分析了反應器的進口管形狀、擴壓管錐角、載體的幾何形狀、載體位置及出口形狀等因素對催化劑載體入口截面上速度分布均勻性的影響，并以流動均勻性指標評價各結構的優劣。模擬結果表明，為了使催化劑內流動更為均勻分布，催化轉化器的進口前不應有任何彎管。

國六柴油機復合后處理系統針對重型柴油機而采用雙SCR串聯的箱式后處理。通過實驗的方式研究了催化器的長度、孔數目、壁厚對SCR催化器性能影響為SCR催化器的設計和優化提供依據。

1 ?系統介紹

發動機試驗臺架如圖1所示，SCR系統主要包括：尿素箱、尿素噴射控制單元、各類傳感器等。其基本原理為：通過電控單元將定量的尿素水溶液噴射到排氣管中，尿素水溶液在高溫下蒸發成顆粒，尿素顆粒通過熱解和水解生成氨氣，氨氣在SCR催化劑的作用下[5]，與NOx充分混合均勻后，生成氮氣和水，使排放達標。

2 ?雙SCR系統介紹

2.1 雙SCR系統

研究對象為重型柴油機的SCR系統，雙SCR系統結構示意如圖2所示。

2.2 催化器性能評價指標

對于一個給定的催化器，我們可以從催化器的轉化效率以及壓力損失指標去評價一個催化器性能的優劣[6]。

催化器的轉化效率：在試驗中在SCR催化器的上游和下游都安裝了測量尾氣中的NOx的傳感器。可以利用傳感器測量的NOx的數值去計算催化器的轉化效率。 一般可以表示為 DeNOx：

式中：CNOx，in表示SCR入口處的NOx濃度;CNOx，out表示SCR出口處的NOx濃度。

壓力損失：是指SCR催化器進口和出口的壓力差。內燃機利用排氣沖程將缸內的廢氣排出，經過后處理系統達到排放標準。由于SCR催化器的結構采用的是方形孔道的蜂窩狀，排氣在催化器孔道內的流動是層流，所以在一定程度會對發動機的排氣造成阻塞，導致發動機的經濟性和動力性惡化。背壓越大，造成發動機的油耗增加以及燃燒惡化[7]。

3 ?試驗驗證

試驗安排在一臺電控高壓共軌缸內直噴重型柴油機上進行的。試驗采用了AVL SCHNEIDER電力測功機，AVL 735l CST油耗儀、HORIBA MEXA-7100D排氣分析儀以及溫度、氮氧傳感器等。后處理主要結構參數見表1所列。

選取特定的工況下，保持空速在40000h-1左右，在操作臺架上調整轉速和油門，使SCR入口溫度達到180℃。用設備記錄下原排，等到溫度穩定后開始噴射尿素，直到氨泄漏量達到10ppm，用設備記錄下現在的尾排及各項數據。再次調整轉速和油門，使SCR入口溫度達到200℃，重復以上的試驗步驟，依次類推，SCR入口溫度每20℃的增幅逐漸升高至550℃，分別記錄下試驗數據進行分析得出結果。以此類推，記錄下新的SCR催化器的試驗數據。后期將三個的結構參數不同的SCR催化器的試驗數據對比，分析得出結果。

4 ?結果分析

4.1 長度對SCR性能的影響

在探究SCR催化器的結構參數對其性能的影響，SCR催化器的長度是一個很重要的結構參數。在這里探究的SCR催化器長度是將兩個獨立的SCR催化器視為一個整體，進行不同長度的SCR催化器性能的對比試驗，從NOx轉化效率和排氣背壓兩個方面進行分析。

從圖3（a）中我們可以看出隨著SCR入口溫度的增加，在其他的結構參數不變的前提下，只單單改變催化器的長度，隨著催化器長度的增加，對轉化效率影響會比較小。在NOx轉化效率上升的過程中，在相同的溫度下，三種不同長度的SCR催化器達到同一的NOx轉化效率時，長度為L=279mm可以最快達到，其次長度為L=229mm，最后為長度L=179mm。這是因為在試驗中保持空速一定的情況下，廢氣流量通過SCR催化器時，SCR催化器長度越長，廢氣通過的時間相對來說越長，這樣廢氣與催化劑接觸的時間也就越久，參與反應的時間也就是越長，更有利于除去氮氧化物，降低排放。

從圖3（b）中我們可以看出長度為L=279 mm的SCR催化器在160～550℃，排氣背壓明顯要比其他兩個催化器的高很多，比長度為L=229mm的SCR催化器排氣背壓高出1.5kPa左右;比長度為L=179mm的SCR催化器排氣背壓高出3.5kPa左右。這是因為在一定的空速情況下，隨著催化器長度的增加，催化劑與尾氣的接觸的時間會增加，這樣會更有效的除去NOx以及提高轉化效率。但是隨著催化器長度的增加，同樣的也增大了廢氣流量在SCR催化器中沿程阻力[8]。

4.2 孔數目對SCR性能的影響

我們常用CPSI（cell per square inch）來表示SCR催化器中的載體的數目，即是SCR催化器載體在一個橫截面積的每平方英寸的數目。

從圖4（a）中我們可以看出，隨著載體孔數目增加，轉化效率也相應的增加。催化器的載體數目為CPSI=700的轉化效率最優秀，不管在低溫還在在高溫的情況下。在最佳反應溫度范圍之內，CPSI=700的SCR催化器的NOx轉化效率要比CPSI=600的催化器轉化效率要大約高出1.2%，以及要比CPSI=500的催化器轉化效率要大約高出2.0%。這是因為SCR催化器載體的孔數目的增加，相應的增加與尾氣接觸的面積，這樣更有效提高轉化效率，降低排放[9]。

從圖4（b）中我們可以看出，隨著載體孔數目增加，排氣背壓也相應的增加。CPSI=700的SCR催化器在隨著SCR入口溫度的變化，背壓一直明顯的高于其他兩個SCR催化器。要比CPSI=600的SCR催化器的排氣背壓高出大約2.0kPa，要比CPSI=500的SCR催化器的排氣背壓高出大約4.0kPa。但是可以從中看出，當溫度超過400℃的時候，CPSI=700的SCR催化器的排氣背壓急劇上升，遠超平均背壓。這顯然不符合作為SCR催化器載體孔數目的要求，會造成廢氣氣流流通不順暢，從而進一步惡化燃燒，導致發動機性能下降。這是因為雖然試驗中是保持空速一定，但是載體孔數目的增加，會導致在有限的橫截面積中，更會容易導致阻塞，氣流流暢不順，進而造成了排氣背壓的上升[10]。

4.3 壁厚對SCR性能的影響

SCR催化器載體壁厚是指相鄰的兩個單孔道之間的厚度。載體壁厚決定了整個SCR催化器的硬度。一方面為了適應運輸的路況，另一方面SCR催化器的工作的工況可能會長時間處于高溫的工作環境中，保證不會因為高溫而損壞。理論上來說，載體壁厚做的越薄越好，這樣可以提升NOx轉化效率和降低排氣背壓[11]。

從圖5（a）中我們可以看出，隨著載體壁厚的減少，NOx轉化效率上升。這是因為SCR催化器載體壁厚的減少導致了催化器比表面積的增加，以及廢氣氣流與催化劑接觸的面積增加，勢必造成了NOx轉化效率上升。

從圖5（b）中我們可以看出，隨著催化器載體壁厚的增加，排氣背壓也隨著上升。這是因為載體壁厚的增加，勢必會導致載體的通道的直徑的減少。對于一定廢氣量來說，通過通道的橫截面積越小勢必造成了氣流流動的阻塞，進而導致了排氣背壓的升高。

5 ?結論

①SCR催化器的直徑和長度共同構成其體積，在橫截面積相同的情況下，盡可能將催化器的長度越短越好。

②SCR催化器的載體壁厚，受制于制造工藝水平。壁厚做的越薄，SCR催化器性能會比較好。

③SCR催化器的孔數目既能夠有效的提高NOx轉化效率，但是又會使排氣背壓升高，所以它們之間相互矛盾、相互制約的。

參考文獻：

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