SCR技術用于柴油發動機中的對策

王蹐尹 彭金艷 蘇歡

摘要：在一些國家和地區，中型柴油車和重型柴油車的排放量在柴油機排放量中所占有的比例可以達到70%，因此，對這類柴油機需要高度控制，采取有效的措施降低排放量。柴油機運行的過程中所排放的廢氣中存在有害物質，所以會污染環境，對環境造成一定程度的破壞，這已經引起各國的重視，而且著手治理這方面問題。中國對于此也制定了相應的控制措施，避免對環境造成嚴重的污染。本論文著重于研究SCR技術用于柴油發動機中的對策。

關鍵詞：SCR技術;柴油發動機;對策

中圖分類號：U262.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0061-03

0? 引言

中國的社會經濟發展速度不斷加快，人們對生態環境保護高度重視。為此，出臺相關法律法規，嚴格限制柴油機排放標準，并提出嚴格要求，即柴油發動機排放尾氣的時候需要按照排放法規制定相應對策執行，特別是NOX排放，考慮到其對空氣環境的污染以及對人體健康的威脅，對于排放的限值嚴格要求，這對于企業而言是非常大的挑戰，因此，本文主要研究選擇性催化還原技術在柴油機排氣處理后的應用，基于SCR系統的基本介紹減排柴油發動機有害氣體的類型，分析SCR系統的控制技術，提出柴油發動機排放尾氣的處理中應用SCR技術的有效措施。

1? SCR系統的基本介紹

1.1 SCR技術的工作原理

SCR系統是用于處理柴油機廢氣的裝置，在超過300攝氏度的溫度且低于400攝氏度的溫度環境中，將化學反應原理充分利用，使尿素或者氨氣等還原劑與廢氣中的NOX之間產生化學反應，使排放物中有氮氣和水蒸氣產生，并不會對空氣環境造成污染。SCR的主要化學反應式如下：

4NO+4NH3+02→MN2+6H2O+HEAT

6NO2+8NH3→7N2+I2H2O+HEAT

6NO+4NH3→6H20+5N2+HEAT

1.2 SCR系統的結構組成

SCR系統是有兩個系統所構成，即尿素系統和反應器。從反應器的組成情況來看，以陶瓷催化元件為主，還包括尿素系統的儲存系統、噴射系統和控制系統。在實際的工作中，當SCR系統達到一定的溫度之后，如果溫度不合適，會對系統的工作產生不良影響。由于柴油機有不同的類型，其排放期間有很大的溫差，所以需要采用不同的SCR裝置，通常而言，四沖程柴油機和二沖程柴油機都是比較常用的。（圖1：SCR系統結構）

1.3 SCR系統的運行流程

首先將固體尿素和淡水在一定溫度下充分攪拌，所形成的混合溶液經過測量之后，質量分數為40%，然后放入儲存柜以備使用。然后，使用尿素供給泵將尿素溶液送入計量模塊中的儲存柜，感應的時候可以發揮氧化鋯傳感器的作用，了解SCR反應之前和之后煙氣中所含有的NOX量，將有關的數據向計算機中傳輸，計算機通過比較傳感器的測量值以及估計值，將尿素溶液實際使用量的指示給出來，將標準量的尿素溶液與風機提供的熱風混合在一起，經過熱解之后，向柴油機排氣管中注入[1]。這個時候，柴油機排氣管中的尿素溶液在高溫環境中發生分解反應，就會有NH3和H2O生成，與廢氣充分混合，保持混合均勻之后，進入到SCR反應器中。此時催化劑發揮催化作用，催化劑中的NOX在NH3的作用下還原，成為N2和H2O，這兩項物質不會對環境造成污染。（圖2：SCR系統的運行流程）

2? 減少排放柴油發動機有害氣體量的方式

目前，實際使用柴油機的時候，會排放出大量的氣體，其中含有有害物質，對環境造成污染，影響大氣環境質量，而且嚴重威脅人們的健康。在柴油機運行的過程中，所排放的主要氣體為碳氧化物。在處理排放氣體的時候，可以采用兩種處理方式：第一種是煙氣脫硝的處理方式;第二種是燃燒控制方式。

對這兩種方式進行簡要介紹，煙氣脫硝的處理方式中需要采用兩種技術，即選擇性非催化還原技術、SCR技術和熱碳還原法;燃燒控制方式的應用非常廣泛，主要包括廢氣再循環技術和均質充量壓燃技術。

3? SCR系統的控制方式

柴油機在運行的過程中，程序是非常復雜的，而且還會影響到排氣溫度以及空氣的流量。因此，對尿素溶液噴射采用動態控制的方式，就是SCR控制系統在運行的過程中可以起到動態控制的作用，發揮其功能，保證 SCR系統處于良性運行狀態。如果噴射的尿素溶液量嚴重不足，碳氧化物要進行轉化必然會受到影響，碳氧化物的還原效果會有所降低[2]。如果注入很大量的尿素溶液，會產生氨泄露的問題，當氨在空氣中揮發，會刺激到人體的呼吸道，也會對暴露在空氣中的金屬物腐蝕，此時就需要從實際情況出發選用科學有效的控制方式，并不斷優化控制系統，也就是說，在開展控制工作中，可以采用閉環系統，也可以采用開環系統。當應用閉環控制系統的時候，處于尿素溶液的開口的位置，積極可以實現檢測，最大限度地實現碳氧化物轉化，最大限度地控制氨氣泄漏問題。（圖3： SCR系統的控制流程）

解析SCR系統的控制流程：啟動SCR系統的控制流程，先對尿素泵進行溫度測試，對尿素泵的溫度做出判斷，看其是否低于解凍溫度。當尿素泵進入到加熱解凍狀態之后，查看尿素泵的解凍是否完成，當解凍完成之后開始計時，查看是否已經接收到啟動信號，檢查計時的時長是否已經超過預設時長，對尿素進行二次溫度測量，查看尿素的溫度是否低于解凍溫度，此時需要考慮兩種情況，如果尿素的溫度是低于解凍溫度，尿素泵不能啟動，如果尿素的溫度是不低于解凍溫度，就可以啟動尿素泵，整個的控制流程結束。

4? 柴油發動機中SCR技術的應用

SCR技術的應用減少了柴油機車輛的排放量，特別是柴油發動機型汽車在行駛的過程中，應用該技術能夠有效地減少尾氣的排放量。實際上，SCR系統最早應用于燃煤熱電廠，其所發揮的主要作用是處理碳氧化物[3]。德國是第一個使用SCR系統的國家，其首先在熱電廠應用SCR技術，獲得了明顯成效，之后這項技術所應用的領域越來越廣，而且發展迅速，在高排放柴油機中應用。SCR技術在中國的應用始于2008年，有關的環境保護部門制定了詳細的排放控制政策，這就意味著應用SCR技術已經進入到關鍵階段，這個時候，SCR技術最適合我國國情的，主要體現為如下幾個方面：

其一，該系統的應用中可以有效地節約燃料，SCR系統的油耗也比較少，略低于EGR+DPF系統，其尿素水溶液消耗也少，能在油耗上得到有效補償;而且，如果能從現在開始采用SCR技術，發揮其節能減排的作用，在未來很長一段時間內都可以滿足排放法規的有關要求，直至引進歐V排放標準，甚至更高的排放標準[4]。

其二，在EGR+DPF系統中，將冷卻器的容積增加其中。相比之下，SCR系統只需增加1個儲槽，不會對其他的設計產生不良影響[5]。

其三，發動機沒有很高的復雜性，應用SCR系統可以滿足國三標準，同時也可以滿足國四標準，部分地區可以提前將該系統系統引進，做好調試工作和試運行的各項指標符合要求之后，就可以投入使用。

5? 處理柴油機尾氣的時候應用SCR技術

處理柴油機尾氣的時候應用SCR技術，主要體現在四個方面，即二沖程柴油機中應用SCR技術、四沖程柴油機中應用SCR技術、催化反應器應用SCR技術以及對SCR系統造成影響的因素[6]。具體如下：

5.1 二沖程柴油機中應用SCR技術

一般來說，二沖程柴油機的排氣溫度不能超過400攝氏度，但增壓器出口溫度低于SCR系統的實際工作范圍，僅在230攝氏度和260攝氏度之間。因此，對于二沖程柴油機來說，SCR系統應該安裝在增壓器的前面，因為它的進氣壓力明顯高于四沖程柴油機的SCR系統，所以也稱為“高壓SCR系統”[7]。這種系統需要根據柴油機的起動、減速、加速等不同工況進行控制和調整，對柴油機的工作產生很大的影響。

5.2 四沖程柴油機中應用SCR技術

四沖程柴油機的排氣溫度超過400攝氏度，當增壓器出口的廢氣溫度低到一定程度的時候，也可以保證溫度不會超出SCR系統運行范圍。所以，為了減少SCR系統對柴油機的影響，有必要將SCR系統安裝在增壓器出口和排汽鍋爐之間，即低壓SCR系統[8]。SCR系統安裝在四沖程柴油機上比較簡單，技術也比較成熟，因此得到了廣泛的應用。

5.3 催化反應器應用SCR技術

在SCR系統的運行過程中，最重要的設備是催化反應器，它主要為NOX催化還原反應提供可靠的反應場所、反應條件以及催化劑。目前，金屬氧化物是比較常用的催化劑，根據結構的不同，催化劑可以劃分為兩種，即蜂窩型催化劑和波紋板型催化劑，其中，蜂窩型催化劑是比較常用的。反應器的尺寸的設計需要根據實際的空間布局和催化劑用量進行，以避免出現不完全反應的問題，確保其價值充分發揮。

5.4 對SCR系統造成影響的因素

采用SCR系統減少排放量，對于應用有很高的要求，因此SCR系統的實際減排所獲得的效果通常會受很多因素的影響，具體如下：

其一，SCR系統受到溫度因素的影響。采用SCR系統進行還原反應的時候，需要考慮溫度問題，必須有一定量的氧氣，并保證溫度合適。如果反應溫度覅長高，可能導致NH3自燃，不能與NOX發生化學反應。如果反應溫度非常低，反應速度就會降低，當達到一定程度之后，化學反應就會停止，在進行實際反應的過程，會有蒸汽產生，對SCR催化劑起到一致作用，使其失去活性，導致反應不完全[9]。

其二，影響柴油質量的因素。在SCR系統的實際使用過程中，柴油機所使用的柴油質量會大大影響SCR系統運行中所發揮的性能。例如，柴油中的硫含量可能會將裝置中的催化劑毒化，使其不能很好地發揮催化作用，SCR系統的運行效率降低，減排能力也相應地降低。

6? SCR技術的應用前景

SCR系統的應用中，可以有效降低柴油機的NOX排放，其降低量高達80～95%，符合相關排放標準，并且SCR系統的使用中不會對柴油機造成太大的改變，也不會影響燃油的經濟性。SCR系統在實際應用中能夠很好低發揮其應用價值。比如，在造船行業應用SCR系統，可以很好地發揮其技術優勢，但在實際應用SCR系統的時候，依然會存在一些問題，比如，在初始安裝SCR系統的時候，需要投入的資金量比較大，而是設備的體積也非常大，需要占用很大的空間，這些必然會在一定程度上制約了SCR系統的發展。此外，SCR系統還會存在廢氣溫度無法有效控制的問題，催化劑失去了活性，由此會使SCR系統在運行的過程中催化還原能力降低。因此，在實際選擇SCR系統減少排放量的的過程中，應注意幾個問題：

其一，在實施認證測試的時候，所用催化劑都要能夠很好地發揮功能，SCR系統各單元的性能良好，SCR反應器所具備的NOX減排率符合有關的標準，同時還選用能夠與柴油機充分結合的產品，充分發揮各種裝置的作用;

其二，在布置系統的時候，有關人員需要對SCR系統布置情況深入了解，明確設置的區域，同時還要采取有效的方法在機艙內布置反應器，使SCR系統的安裝量減少，避免占用很大的空間，同時投入的資金量也大大減少。

7? 結束語

通過上面的研究可以明確，柴油機在運行的過程中所釋放的有害氣體有一定的毒性，不僅會污染空氣，還會對人體健康造成威脅。采用SCR技術可以有效地解決這方面的問題。從中國當前的發展情況來看，人們對于環境保護方面的問題高度重視，所以制定了對NOX的排放嚴格限制的標準，這對于企業的發展是一種挑戰。應用SCR技術可以使NOX排放量降低。在處理柴油機尾氣的時候應用該技術，可以使NOX的排放與有關的排放標準相符合，其使用價值非常大。所以，企業在生產運營中要使柴油發電機所排放的氣體符合排放標準，應用SCR技術是非常必要的，可以使NOX的排放量大大降低，避免對生態環境造成污染，使環境保護工作做到位，對中國綠色戰略措施的有效實施起到一定的促進作用。

參考文獻：

[1]潘濤.探討柴油發動機尾氣后處理技術（SCR）的應用[J].汽車博覽，2020（1）：13-14.

[2]楊林勇.基于SCR技術提升船用柴油機技術及應用控制措施[J].中國水運（下半月），2020，020（8）：59-61.

[3]李武勝.試論基于SCR技術的船舶柴油機尾氣處理系統[J].中國設備工程，2019（13）：78-79.

[4]孫文，王蘭紅，孫柯，等.DOC+DPF+SCR后處理系統對小型柴油機性能及排放的影響[J].內燃機與動力裝置，2019（5）：1-4.

[5]程曉章，陳康，查小輝.SCR/DOC+DPF+SCR后處理系統對重型柴油機性能及排放的影響[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2019（1）：29-32，57.

[6]閆安，富文軍.高壓共軌柴油機DOC/POC/SCR后處理系統的開發研究[J].內燃機與配件，2020（3）：24-26.

[7]明淑君，龐磊，范馳，等.柴油機尾氣中的堿性無機污染物引起Cu-SAPO-18脫硝催化劑的化學失活[J].催化學報，2019， 040（4）：148-161.

[8]劉世鋒.打造核心技術，助力環保升級——記華菱星馬柴油車排放污染物技術攻關團隊[J].商用汽車，2019（7）：84-86.

[9]姚春德，陳超，姚安仁，等.基于DMCC發動機臺架的甲醇-SCR催化還原NOX的研究[J].工程熱物理學報，2020（2）：498-506.