SCR系統(tǒng)尿素沉積物重要組分試驗(yàn)研究

莫春蘭，龍華林，莫益濤，邱崇桓，江明儒，黃福川

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

隨著排放法規(guī)不斷加嚴(yán)，車用重型柴油機(jī)多采用選擇性催化還原(SCR)技術(shù)滿足法規(guī)對(duì)NOx排放的要求[1]。但SCR系統(tǒng)在低溫下容易形成固態(tài)的尿素沉積物，不僅會(huì)降低尿素轉(zhuǎn)氨效率，而且會(huì)造成排氣背壓升高，降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能。對(duì)于尿素沉積物的成分，國內(nèi)外的研究人員進(jìn)行了大量研究。祝能[2]利用X射線衍射分析儀和有機(jī)元素分析儀對(duì)尿素沉積物進(jìn)行定性分析，認(rèn)為尿素沉積物主要成分為尿素、縮二脲、三聚氰酸。馮向宇等[3]利用熱重-紅外聯(lián)用技術(shù)對(duì)排氣系統(tǒng)中不同位置的沉積物進(jìn)行試驗(yàn)研究，認(rèn)為噴嘴處沉積物主要成分為縮二脲和三聚氰酸，排氣管壁處的沉積物主要成分為尿素、縮二脲、三聚氰酸。Shahariar等[4]使用紅外光譜儀(IR)測得尿素沉積物中含有尿素、縮二脲、三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺。Roppertz等[5]運(yùn)用衰減全反射紅外分析儀(ATR-IR)分析了催化劑前部的沉積物成分，得出其主要成分為固態(tài)尿素和三聚氰酸的結(jié)論。Sun等[6]運(yùn)用氣相色譜儀檢測尿素沉積物，認(rèn)為尿素沉積物主要成分為尿素、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺。這些研究主要通過使用設(shè)備檢測尿素沉積物的主要成分，沒有涉及尿素及其副產(chǎn)物的內(nèi)部熱解反應(yīng)，沒有探究產(chǎn)生三聚氰酸一酰胺、二酰胺的主要反應(yīng)物質(zhì)，本研究擬通過熱重試驗(yàn)研究相關(guān)問題。

1 熱重試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及樣品

采用德國耐馳熱重分析儀Q50記錄尿素沉積物及各標(biāo)準(zhǔn)樣品隨溫度升高而引起的質(zhì)量變化，對(duì)尿素沉積物進(jìn)行定性分析。尿素沉積物樣品取自試驗(yàn)臺(tái)架上一臺(tái)6缸、排量7.2 L、最大功率198 kW、峰值扭矩1 000 N·m的國Ⅴ柴油機(jī)尿素SCR系統(tǒng)的排氣管壁。標(biāo)準(zhǔn)樣品為色譜純，包括尿素(天津大茂化學(xué)試劑廠，99.5%)、縮二脲(天津遠(yuǎn)航化學(xué)品有限公司，99.0%)、三聚氰酸(MACKLIN公司，99.5%)、三聚氰酸一酰胺(上海源葉生物科技有限公司，99.0%)、三聚氰酸二酰胺(上海源葉生物科技有限公司，99.0%)。

1.2 試驗(yàn)條件

將熱重分析試驗(yàn)樣品碾為粉末狀，稱取樣品10 mg置于反應(yīng)容器中。反應(yīng)容器為氧化鋁坩堝，溫度從30 ℃加熱到630 ℃，升溫速率10 ℃/min，在流動(dòng)空氣下進(jìn)行熱重試驗(yàn)，空氣流速50 mL/min。熱重分析儀同時(shí)記錄樣品質(zhì)量變化(TG)和質(zhì)量變化率(DTG)兩條曲線，其測量的質(zhì)量損失百分比精確到0.01%。DTG表示對(duì)TG數(shù)值的一次微分。

1.3 尿素、縮二脲、三聚氰酸熱解反應(yīng)及副反應(yīng)

尿素、縮二脲、三聚氰酸及其同系物在熱解過程中的主要反應(yīng)機(jī)理見表1[7-12](m代表熔融態(tài)，g代表氣態(tài)，s代表固態(tài)，l代表液態(tài))。

表1 熱解反應(yīng)機(jī)理

2 尿素與尿素沉積物對(duì)比試驗(yàn)研究

2.1 尿素樣品熱解反應(yīng)試驗(yàn)

尿素樣品隨溫度的質(zhì)量變化見圖1。由圖1可見，尿素樣品在熱重試驗(yàn)過程中共形成6個(gè)質(zhì)量損失峰。尿素加熱到132 ℃開始反應(yīng)，分解生成異氰酸和氨氣(R1)[7]，在184 ℃時(shí)質(zhì)量損失達(dá)到峰值，此后尿素DTG曲線急速下滑，主要是因?yàn)榇藭r(shí)尿

圖1 尿素TG-DTG曲線

素總質(zhì)量減少，發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物還未開始分解,使得分解速率減小；132～212 ℃形成的第1個(gè)質(zhì)量損失峰主要為尿素樣品的分解，質(zhì)量損失約為80%。

在第1個(gè)質(zhì)量損失峰溫度區(qū)間內(nèi),尿素與未及逃逸的異氰酸通過反應(yīng)R2生成縮二脲[8]，三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺開始形成(R3、R6、R10和R4、R7)[9-10]，但形成的質(zhì)量較少[9]，主要原因是這些反應(yīng)為氣固反應(yīng)，反應(yīng)速率較慢。 212～296 ℃是縮二脲分解為異氰酸和氨氣(R5)的溫度區(qū)間，縮二脲在熱解過程中會(huì)由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば怨腆w基質(zhì)[11]，使縮二脲的分解速率出現(xiàn)減緩再加速的現(xiàn)象，導(dǎo)致縮二脲分解形成特殊的雙質(zhì)量損失峰，因此尿素DTG曲線中第2、第3個(gè)質(zhì)量損失峰均是縮二脲分解形成的，質(zhì)量損失約12%。此時(shí)縮二脲分子開始產(chǎn)生自縮合反應(yīng)(熔融態(tài)縮二脲分子之間的反應(yīng))生成三聚氰酸(R8)[9]與三聚氰酸一酰胺(R9)[10]；三聚氰酸一酰胺與氨氣反應(yīng)生成三聚氰酸二酰胺(R14)[9-10]。在296～340 ℃溫度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)第4個(gè)質(zhì)量損失峰，主要為三聚氰酸的分解反應(yīng)(R11、R12)[11]，質(zhì)量損失約4%；少量三聚氰酸在高溫條件下(300 ℃以上)與氨氣反應(yīng)生成三聚氰酸一酰胺(R13)[10]。在溫度區(qū)間340～394 ℃內(nèi)形成第5、第6個(gè)質(zhì)量損失峰，質(zhì)量損失2%，為三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺的分解[11]。在394～600 ℃的溫度區(qū)間，仍有2%的殘留物在緩慢分解，直到600 ℃以上的溫度區(qū)間全部分解完畢。

2.2 尿素樣品與尿素沉積物試驗(yàn)對(duì)比分析

尿素與尿素沉積物TG-DTG曲線對(duì)比見圖2。由圖2可見，尿素沉積物熱重曲線共形成5個(gè)質(zhì)量損失峰，各峰的分離點(diǎn)為155 ℃，223 ℃，278 ℃，356 ℃，367 ℃，458 ℃。尿素第1個(gè)質(zhì)量損失峰到達(dá)峰值時(shí)，僅有微量尿素沉積物分解，表明尿素沉積物中含有微量的尿素。尿素?zé)嶂卦囼?yàn)中第2、第3質(zhì)量損失峰是尿素加熱后發(fā)生副反應(yīng)生成的副產(chǎn)物分解形成的，副產(chǎn)物的生成需要一定時(shí)間，故尿素?zé)嶂厍€中第2、第3質(zhì)量損失峰值相對(duì)于尿素沉積物的(1)、(2)質(zhì)量損失峰值有所延后。尿素?zé)峤膺^程中其余5個(gè)質(zhì)量損失峰所對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間與沉積物的5個(gè)質(zhì)量損失峰基本相同，表明尿素在加熱過程中生成的副產(chǎn)物與尿素沉積物成分基本相同。

可見，尿素副產(chǎn)物的生成都需要異氰酸直接或間接地參與，異氰酸未能充分及時(shí)地水解是尿素發(fā)生副反應(yīng)的主要原因；尿素發(fā)生副反應(yīng)生成三聚氰酸及其同系物的質(zhì)量較小，主要原因在于三聚氰酸及其同系物的生成反應(yīng)均需要?dú)鈶B(tài)異氰酸直接或間接參與，熔融態(tài)尿素與氣態(tài)異氰酸發(fā)生的氣固反應(yīng)接觸面積小，反應(yīng)速率較慢，影響了三聚氰酸及其同系物的生成。

圖2 尿素與尿素沉積物TG-DTG曲線

3 縮二脲與尿素沉積物對(duì)比試驗(yàn)研究

3.1 縮二脲樣品熱解反應(yīng)試驗(yàn)

縮二脲樣品的熱重分析曲線見圖3。由圖3可見，縮二脲在150 ℃開始分解，分解產(chǎn)物為異氰酸和氨氣(R5)[10]，從150 ℃到237 ℃的溫度區(qū)間形成第1個(gè)質(zhì)量損失峰。在237～247 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，縮二脲的分解漸趨平緩，主要原因是此時(shí)縮二脲由熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば怨腆w基質(zhì)，基質(zhì)擴(kuò)散阻力不斷增加，使縮二脲的分解速率不斷減緩[11]。在247～293 ℃溫度區(qū)間，隨著溫度升高，縮二脲繼續(xù)分解，分解速率再次加快后減緩，形成第2個(gè)質(zhì)量損失峰。縮二脲在150～293 ℃溫度區(qū)間內(nèi)分解完畢，形成2個(gè)質(zhì)量損失峰，質(zhì)量損失約60%。縮二脲在分解的同時(shí)，會(huì)與異氰酸或自身發(fā)生副反應(yīng)生成三聚氰酸(R6、R8)[9]與三聚氰酸一酰胺(R7、R9)[10]，縮二脲分解(R5)產(chǎn)生的氨氣會(huì)與三聚氰酸一酰胺反應(yīng)(R14)形成三聚氰酸二酰胺[9-10]；從293 ℃開始，縮二脲自縮合反應(yīng)形成的三聚氰酸逐漸分解(R11)[11]和水解(R12)[12]，到364 ℃分解完畢，形成第3個(gè)質(zhì)量損失峰，質(zhì)量損失約32%；此時(shí)氨氣在高溫條件下會(huì)與三聚氰酸反應(yīng)生成三聚氰酸二酰胺(R13)[10]。364～441 ℃是三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺分解溫度區(qū)間[11]，形成第4、第5個(gè)質(zhì)量損失峰，質(zhì)量損失約6%。在441 ℃至600 ℃溫度區(qū)間，最后2%的副產(chǎn)物才緩慢分解完畢。

圖3 縮二脲TG-DTG曲線

3.2 縮二脲樣品與尿素沉積物試驗(yàn)對(duì)比分析

由圖4可見，尿素沉積物在155 ℃開始分解，與縮二脲的起始分解溫度相近。縮二脲的質(zhì)量損失峰1、2的溫度區(qū)間與尿素沉積物 (1)、(2)兩個(gè)質(zhì)量損失峰高度重疊，表明尿素沉積物在155～278 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)分解的物質(zhì)為縮二脲，尿素沉積物含有約20%的縮二脲；縮二脲與尿素沉積物質(zhì)量損失峰的數(shù)量相同，兩者各個(gè)質(zhì)量損失峰的溫度區(qū)間高度對(duì)應(yīng)，說明縮二脲及其副反應(yīng)生成的副產(chǎn)物與尿素沉積物成分基本相同。試驗(yàn)結(jié)果與分析表明，縮二脲在高溫熔融的狀態(tài)下分子之間可發(fā)生副反應(yīng)生成大量三聚氰酸及其同系物；縮二脲樣品在熱重分析過程中轉(zhuǎn)化為三聚氰酸及其同系物的比例遠(yuǎn)大于尿素樣品，主要原因在于縮二脲分子自縮合反應(yīng)是在熔融狀態(tài)下進(jìn)行的，是液態(tài)分子之間的反應(yīng)，對(duì)比尿素與氣態(tài)異氰酸的氣固反應(yīng)，其反應(yīng)接觸面積更廣，速率更快，更利于三聚氰酸及其同系物的生成。

圖4 縮二脲與尿素沉積物TG-DTG曲線

4 三聚氰酸及其同系物與尿素沉積物對(duì)比試驗(yàn)

4.1 三聚氰酸樣品試驗(yàn)分析

三聚氰酸樣品TG-DTG曲線見圖5。由圖5可見，三聚氰酸在231 ℃開始快速分解(R11)[11]，至351 ℃已分解了質(zhì)量的98%，形成第1個(gè)質(zhì)量損失峰。在此溫度區(qū)間，三聚氰酸還會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)(R12)[12]，其水的來源可能為空氣和三聚氰酸樣品自身攜帶的少量水分，通過水解反應(yīng)產(chǎn)生的少量氨氣在300 ℃以上的高溫條件下會(huì)與三聚氰酸發(fā)生反應(yīng)生成少量三聚氰酸一酰胺(R13)[11]和三聚氰酸二酰胺(R14)[12]，這與圖5的DTG熱重曲線在351～426 ℃溫度區(qū)間內(nèi)形成第2、第3個(gè)質(zhì)量損失峰的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖5 三聚氰酸TG-DTG曲線

4.2 三聚氰酸樣品與尿素沉積物試驗(yàn)對(duì)比分析

尿素沉積物熱重曲線質(zhì)量損失峰(3)與三聚氰酸第1個(gè)質(zhì)量損失峰的溫度區(qū)間高度對(duì)應(yīng)，峰值對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)基本相同(見圖6)，表明沉積物中存在大量的三聚氰酸，質(zhì)量占比約為60%；三聚氰酸熱重曲線中的第2、第3個(gè)峰值溫度區(qū)間與尿素沉積物(4)、(5)質(zhì)量損失峰基本相同，表明尿素沉積物存在三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺。

圖6 三聚氰酸與尿素沉積物TG-DTG曲線

從熱重試驗(yàn)結(jié)果及分析可知，若有氨氣存在，在300 ℃以上的高溫下三聚氰酸與氨氣會(huì)發(fā)生副反應(yīng)而生成三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺；三聚氰酸快速分解溫度為290 ℃以上高溫，結(jié)合尿素、縮二脲的熱重試驗(yàn)結(jié)果與分析可知，在此高溫下，尿素、縮二脲已完全分解，不存在繼續(xù)產(chǎn)生大量氨氣的可能，說明尿素、縮二脲在熱重試驗(yàn)過程中的絕大部分三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺不是由三聚氰酸發(fā)生副反應(yīng)轉(zhuǎn)化而來的，是由尿素或縮二脲發(fā)生副反應(yīng)直接形成的。

4.3 三聚氰酸同系物與尿素沉積物對(duì)比試驗(yàn)研究

由圖7和圖8可見，三聚氰酸一酰胺與三聚氰酸二酰胺樣品的熱重曲線形成2個(gè)質(zhì)量損失峰。形成第2個(gè)峰的主要原因是它們在熱解時(shí)發(fā)生了副反應(yīng)，產(chǎn)生了大量的耐高溫產(chǎn)物[13]——三均三嗪類(heptazines)物質(zhì)，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜的melam(C6H9N11)，melem(C6H6N10)，melon((C6H3N9)x)[14-16]，這些產(chǎn)物非常穩(wěn)定，在600 ℃以上的高溫才能完全分解。

結(jié)果表明，尿素沉積物的第4、第5個(gè)質(zhì)量損失峰與三聚氰酸一酰胺、三聚氰酸二酰胺的第1個(gè)質(zhì)量損失峰的溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)，結(jié)合尿素、縮二脲與三聚氰酸熱重結(jié)果的分析，尿素沉積物里含有三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺，兩者質(zhì)量占比約為18%，同時(shí)尿素沉積物還有2%的剩余物質(zhì)在450～600 ℃的高溫下緩慢分解；穩(wěn)定的耐高溫副產(chǎn)物主要是三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺發(fā)生副反應(yīng)生成的，三聚氰酸樣品在351 ℃前便已分解完畢，生成的耐高溫產(chǎn)物質(zhì)量占比較少。

圖7 三聚氰酸一酰胺與尿素沉積物TG-DTG曲線

圖8 三聚氰酸二酰胺與尿素沉積物TG-DTG曲線

5 結(jié)論

a) 尿素?zé)峤膺^程生成的氣態(tài)組分異氰酸引發(fā)各沉積物的生成；尿素發(fā)生的副反應(yīng)均有異氰酸直接或間接的參與，存在大量未水解的異氰酸是尿素發(fā)生副反應(yīng)生成尿素沉積物的關(guān)鍵性條件；尿素在熱解過程中發(fā)生副反應(yīng)轉(zhuǎn)化為三聚氰酸及其同系物的比例較小，主要原因在于異氰酸為氣態(tài)，與熔融態(tài)的尿素接觸面小，反應(yīng)的速率受限；

b) 縮二脲是發(fā)生副反應(yīng)生成三聚氰酸及其同系物的主要物質(zhì)；對(duì)比尿素與縮二脲的熱重曲線，熱重試驗(yàn)中尿素直接反應(yīng)生成三聚氰酸的比例約為8%，縮二脲反應(yīng)轉(zhuǎn)化成三聚氰酸的比例約為32%，是因?yàn)榭s二脲會(huì)在兩個(gè)分子之間發(fā)生自縮合反應(yīng)，在熔融狀態(tài)下縮二脲分子之間流動(dòng)性大，接觸面廣，反應(yīng)速率快，能快速生成大量三聚氰酸及其同系物；

c) 尿素沉積物中存在三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺；大部分三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺不是由三聚氰酸發(fā)生副反應(yīng)轉(zhuǎn)化而來的，主要是由尿素或縮二脲發(fā)生副反應(yīng)直接形成；尿素沉積物中的耐高溫產(chǎn)物通過三聚氰酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化形成的質(zhì)量較少，主要由三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺發(fā)生副反應(yīng)形成；

d) 尿素沉積物主要成分為縮二脲、三聚氰酸、三聚氰酸同系物；沉積物中的縮二脲主要在155～278 ℃分解，約占沉積物總質(zhì)量的20%；三聚氰酸主要在231～351 ℃分解，約占沉積物總質(zhì)量的60%；三聚氰酸同系物主要在330～450 ℃分解，約占沉積物總質(zhì)量的20%；尿素沉積物含有微量的尿素，同時(shí)包含少量的耐高溫副產(chǎn)物，兩者質(zhì)量占比較小。