低溫條件下SCR 不同載體參數對氨逃逸影響

和志高，段紹斌，楊輝，字進遠，郭天偉

（1.671006 云南省 大理市 滇西應用技術大學；2.678400 云南省 德宏傣族景頗族自治州 德宏職業學院）

0 引言

柴油機是比汽油機更加節能的內燃機，其主要排放物是NOX和PM，NOX還原為N2難度相對較大[1]。柴油機富氧燃燒，排放物中剩余氧含量較高，使得轉化NOX的還原反應難以進行[2]。國VI 的瞬態測試循環（WHTC）要求NOX排放限值（PEMS）為0.46 g/kW·h；對后處理SCR 噴射尿素也有新的要求，NH3的泄漏不能超過10 ppm。國VI 排放法規還要求NOX排放后處理SCR 必須加裝氨逃逸催化器（ASC）[3]。另外，國VI（b）排放要求中增加了整車實際道路排放測試要求和限值，而實際道路的排放量要高于WHTC 測試，導致發動機尾氣凈化難度進一步增大[4]。這對柴油機機內和機外凈化技術都是巨大挑戰。

為滿足排放要求，目前國內外通用的后處理技術路線為DOC+CDPF+SCR+ASC。其中，SCR 主要采用在催化還原裝置前端噴射尿素的方式，將NOX還原為N2，而未參與反應的NH3直接進入大氣，造成氨逃逸現象[5]。研究表明，SCR 催化反應在低溫環境下NOX的轉化效率較低，NOX的不完全轉化也是造成NH3逃逸的主要原因[6-7]，此外尿素的噴射量也是造成NH3逃逸的重要原因[8]。在實際應用中，還原劑的分布不均勻同樣對SCR 的氨逃逸具有顯著影響。NH3的不均勻分布會導致SCR系統空間內氨氮比出現偏差，其平均氨逃逸量隨氨氮比的增大而增大[9-10]。因此，SCR 系統的催化反應均勻性設計、載體的目數、壁厚、催化劑的涂覆及NOX與催化劑的接觸面積對SCR 的低溫反應條件下氨逃逸影響研究尤為重要。

本文以四缸直列式高壓共軌柴油發動機為研究對象，搭建了加裝DOC+CDPF+SCR 后處理系統的試驗臺架，進行了溫度與NOX轉化效率的試驗、發動機低溫工況下氨氮比與SCR 轉化效率的試驗；在試驗研究基礎上，構建并驗證了SCR 三維CFD仿真軟件模型。重點針對目前采用的主流SCR 和ASC 的目數、壁厚、催化劑類型和涂層厚度進行模擬計算，分析了不同設計方案的NH3分布的均勻性、NOX轉化效率及氨逃逸，對低溫條件下不同載體參數的SCR 和ASC 可行性進行了綜合評價。

1 方案設計

1.1 試驗設備

本次試驗研究對象為某四缸直列式高壓共軌柴油發動機，主要技術參數如表1 所示。后處理系統中SCR 載體涂覆的催化劑為釩基催化劑（V2O5-WO3/TiO2），相關參數如表2 所示。

表1 發動機主要參數Tab.1 Main engine parameters

表2 催化器載體主要參數Tab.2 Main parameters of catalyst carrier

1.2 計算模型及邊界條件

通過SCR催化器中的化學反應機理進行分析，按照反應進行的先后順序可以分為水解反應、SCR催化還原反應和NH3的氧化反應（ASC）3 個部分。其中水解反應、SCR 催化還原反應方程式[11-13]為

氧化反應：為了防止NH3的泄露，在SCR 反應器后端需要加入氧化氨氣的反應裝置，ASC 反應主要的4 個方程式[14]為

圖1 為發動機排氣在SCR 催化器中的SCR 反應區域模擬示意圖。當發動機工作后排氣溫度達到催化劑起活溫度時，尿素噴射系統開始工作，將尿素水溶液通過噴射器以霧狀的形式進入尾氣中。經過噴霧、蒸發熱解、混合器混合及水解等過程后產生NH3，并在雙催化劑（CAT1 和CAT2）的催化作用下發生催化還原反應和氧化反應，最終將發動機尾氣中的NOX轉化成為N2和H2O。表3 為仿真邊界條件參數。

圖1 SCR 反應區域示意圖Fig.1 Schematic diagram of SCR reaction zone

表3 仿真邊界條件參數Tab.3 Parameters of simulation boundary conditions

1.3 模型的構建與驗證

模型采用國內常規的雙載體結構，2 個載體包括SCR 催化器1（CAT1）和催化器2（CAT2）兩部分。計算采用AVL FIRE 模塊進行CFD 三維仿真模擬。圖2 為在AVL FIR 中設置條件后的仿真模型。

圖2 SCR 仿真模型Fig.2 SCR simulation model

圖3 為5 個工況下試驗值和仿真值NOX轉化效率的對比。由圖3 可見，5 個工況下試驗值與仿真值的NOX轉化效率趨勢基本一致，整體平均誤差均小于5%，說明SCR 仿真模型的計算與試驗趨勢有較好的一致性。本次三維仿真計算量較大，主要針對具有較強代表性的A、B、D 三個工況點進行分析。另外，模型計算在1 s 內實現了穩定，所以SCR 模型每個計算時間均設定為1 s，為了保證三維仿真圖形的準確性，三維切片選擇在模型數值穩定點0.7 s 處。

圖3 SCR 試驗值與仿真值NOX 轉化效率對比Fig.3 Comparison of NOX conversion efficiency between experimental and simulated values in SCR

1.4 方案設計

1.4.1 催化器載體的幾何結構

本文構建的仿真模型以堇青石為載體，形狀正方形孔道結構催化器為參數模型，載體孔道的幾何參數主要包括幾何表面積、開放正面區域面積。幾何表面積主要影響系統的壓降和轉化效率，開放正面區域面積主要影響系統壓降和體積密度[15]。在載體上涂覆催化劑的涂層，SCR 的催化還原反應和氧化反應均發生在催化劑活性物質的涂層上，涂層與氣流相接觸，覆蓋在固體基質上。方形SCR 催化器結構如圖4 所示。

圖4 方形SCR 催化器結構圖Fig.4 Structural diagram of square SCR catalyst

1.4.2 不同載體結構對比及方案設計

催化器載體孔道的設計對低溫條件下催化活性、壓降、NOX轉化效率都有重要影響，為進一步提高催化器的性能，設計不同方案的載體的目數、壁厚、催化劑涂覆進行模擬計算，通過對相同尺寸的載體體積、直徑和長度配比，在低溫條件下對SCR 的反應進行NOX轉化效率和氨逃逸等方面的對比分析。不同目數、壁厚和涂層厚度的SCR 催化器載體的熱物性參數和幾何參數如表4 所示。

表4 載體的熱物性參數和幾何參數Tab.4 Thermal and geometric parameters of the carrier

2 結果及分析

2.1 試驗結果分析

圖5 為不同低溫工況下，NOX排放和SCR 反應對比。試驗結果表明，尿素噴射系統根據NOX排放量精確控制尿素的噴射，SCR 催化劑反應較快，NOX轉化效率在不同NOX排放量下均有良好的轉化效果。在ESC 測試工況下NOX轉化效率隨排氣溫度的升高而提高，當排氣溫度高于195℃時，SCR 的NOX轉化效率達到了87%以上；排氣溫度在260℃的工況下，NOX轉化效率減小至76%，原因是隨著發動機轉速快速上升，排氣流量增多近39%，雖然尿素噴射量增多近38%，但在排氣溫度較低時，空速增大導致SCR 反應時間較短，NOX轉化效率較低，氨逃逸量增大。

圖5 低溫工況下SCR 反應對比Fig.5 Comparison of SCR reaction under low-temperature conditions

2.2 仿真結果分析

2.2.1 不同載體結構NH3 分布對比分析

圖6 為A、B 和D 三個低溫工況下SCR 不同載體方案載體入口NH3分布均勻度對比。可見在低溫工況下，A、B 和D 隨著進排氣流量的增大，載體入口NH3分布均勻度均有較大提高；載體的目數增多，載體入口NH3分布均勻度提高，其中工況D 的提高最顯著，在進排氣流量較大時，目數較多的載體3 入口NH3分布均勻度較高。原因是進排氣流量和溫度的升高，促進了尿素分解和NH3的生成及NH3的混合效果所導致；載體孔目數增多，孔隙率增大，也促進了NH3的分布均勻度。由此可知，低溫工況下載體孔目數和壁厚的變化對載體入口面NH3分布均勻度有較大影響。

圖6 不同載體方案載體入口面NH3 均勻度對比Fig.6 Comparison of uniformity of NH3 distribution at the inlet of different carrier schemes

圖7 為A、B 和D 三個低溫工況下不同載體方案SCR 反應NH3分布對比。可見在低溫條件同一工況下，隨著載體孔目數增多，載體出口區域段的NH3質量分數降低、滑移量減少，其中載體3 方案NH3的滑移量最小。原因是隨著載體孔目數增多和壁厚減小，催化劑涂層的表面積增大，NH3/NOX與催化劑的接觸面積增大，使NOX轉化效率提高及載體后端氧化反應增強，導致NH3的滑移量減少。

圖7 不同載體方案NH3 分布對比Fig.7 Comparison of NH3 distribution of different carrier schemes

在相同載體的不同工況中，NH3的滑移量從大到小排序為：工況D>工況A>工況B。工況D 中NH3的滑移量最大，原因是低溫工況下隨著排氣流量較大，尿素噴射量增多，溫度較低時空速加快導致NH3不能反應，因此NH3的滑移量增大。

2.2.2 不同載體結構NOx 轉化效率對比分析

圖8 為A、B 和D 三個低溫工況下SCR 不同載體方案NOX轉化效率的對比。可見3 個工況SCR反應的NOX轉化效率增長趨勢相似，轉化效率從大到小排序：載體3>載體2>載體1>原載體。在低溫工況A 對比載體1、2 和3，隨著目數增多和壁厚減小，NOX轉化效率均增加約5%，當載體達到600目時，NOX轉化效率比原載體上升近15%。

圖8 不同載體方案NOX 轉化效率對比Fig.8 Comparison of NOX conversion efficiency of different carrier schemes

原因是載體目數增多，單個孔道的直徑增大，有較大的催化劑涂層表面積，NH3/NOX與催化劑的接觸面積增多，因此反應雖在低溫條件下，但載體目數越多，NOX轉化效率反而更高。另外，對比不同方案工況A、B 和D 中，工況D 的NOX轉化效率增加量最大，工況D 中雖NO2/NOX比值較低，但工況D 排氣溫度的升高和催化劑涂層表面積增大，共同促進SCR 催化還原反應，導致NOX轉化效率增大。

2.2.3 不同載體方案尿素壁膜分布對比分析

圖9 為A、B 和D 三個低溫工況下SCR 不同載體方案尿素壁膜分布仿真對比。如圖所示，在相同的低溫工況下，隨著孔目數增多，載體入口區域尿素壁膜分布變化情況相同，而出口區域的尿素壁膜面積越來越小，原因是孔目數增多催化劑涂層的表面積增大，載體CAT2 上的NH3氧化劑與尿素和NH3的接觸面積也增大，尿素和NH3更多被氧化所導致。不同低溫工況下，隨著排氣流量增多，載體出口區域尿素壁膜面積區域增多，原因是隨著排氣流量的增多，尿素噴射量加大和空速加快，而SCR 反應時間減少，尿素和NH3的滑移量增多所導致。綜上可知，載體的目數越高，NOX轉化效率均保持較高，且載體出口區域的尿素壁膜面積較小，氨逃逸量明顯減小，使SCR 催化器尿素結晶的可能性降低。

圖9 不同載體方案尿素壁膜分布對比Fig.9 Comparison of urea wall film distribution of different carrier schemes

3 結論

（1）不同方案載體參數結構在低溫工況下，隨著排氣流量增大，載體孔目數增多和壁厚減小，對載體入口面NH3分布均勻度有明顯提高。

（2）隨著孔目數的不斷增多和壁厚的減小，不同方案NOX轉化效率均增多約為5%；載體3在排氣溫度較低時NOX轉化效率比原載體上升近15%，當溫度超過200℃，NOX轉化效率均超過90%。

（3）隨著載體孔目數增多和壁厚的減小，低溫工況下載體入口區域尿素壁膜分布情況基本一致，而出口區域的壁膜面積減小，氨逃逸量減小顯著；載體的多孔和薄壁結構，能顯著改善低溫下SCR 催化器的NOX轉化效率和氨逃逸。