SCR 尾氣后處理系統尿素結晶成因及風險試驗分析

摘要：通過分析柴油機選擇性催化還原（SCR）尾氣后處理系統尿素結晶成因，提出尿素結晶風險評估方法，并在此基礎上采用臺架試驗的方法進行SCR 尾氣后處理系統性能和抗結晶性能的仿真驗證。結果表明：流速均勻性和NH3 均勻性的仿真結果與試驗結果接近，仿真結果對SCR 尾氣后處理系統設計具有一定參考作用。對優化前后混合器進行穩態尿素結晶試驗，結果表明優化后混合器結晶量明顯減少，與仿真計算結果吻合較好，優化后的抗結晶效果明顯提升，驗證了所提出的尿素結晶風險評估標準具有一定的工程實踐參考價值，可以幫助提高SCR 尾氣后處理系統抗結晶設計的工作效率。

關鍵詞：柴油機；選擇性催化還原；尿素結晶；風險評估

0 前言

選擇性催化還原（SCR）尾氣后處理系統的尿素結晶也稱尿素沉積物，是指尿素結晶物和尿素副產物聚積從而形成的沉積物。尿素水溶液（UWS）通過尿素噴嘴霧化噴射后，與高溫排氣混合；由于UWS 中水分的蒸發速度大于尿素的蒸發速度，因此固體尿素顆粒從UWS 中析出，并形成了尿素結晶物［1］。尿素結晶物易溶于水，溫度在300 ℃以上時會發生分解，因此這部分沉積物對SCR 尾氣后處理系統產生的影響較小［2］。此外，尿素可在一定條件下發生一系列化學反應，生成尿素副產物。尿素副產物不易溶于水，且分解溫度比尿素高，一旦形成將很難通過柴油機排氣溫度消除，影響SCR尾氣后處理系統性能，還會造成排氣背壓增加，影響柴油機性能。

現階段主要依靠臺架試驗對SCR 尾氣后處理系統排放水平進行測試評價，但是對驗證柴油機抗尿素結晶性能的工況和試驗方法還沒有統一的標準。常嘯天［3］ 提出使用世界統一瞬態循環（WHTC）工況來評價柴油機的抗結晶性能；王建東等［4］提出采用低溫、低流量、高尿素噴射量的單一穩態工況來評價柴油機在惡劣工況下的抗結晶性能。本文通過均勻性試驗及穩態結晶試驗方法來驗證SCR 尾氣后處理系統的性能，基于計算流體動力學（CFD）分析結果提出評估尿素結晶風險方法，并驗證該方法的可行性和準確度。

1 尿素結晶成因

1. 1 尿素結晶機理

SCR 尾氣后處理系統結構如圖1 所示。多種化學反應在SCR 尾氣后處理系統工作過程中發生，這些化學反應主要可分為兩部分：霧態的UWS噴入排氣管中，為催化還原反應提供作為還原劑的NH3；在催化劑的作用下，NH3 和有害的氮氧化物（NOx）轉化為對環境無害的N2和H2O。

在SCR 尾氣后處理系統工作的過程中，常伴隨著一些副反應發生，生成的副產物會造成催化劑中毒［5］，使得NOx 催化效率下降，還會形成一些塊狀結晶物質，對SCR 尾氣后處理系統正常工作造成危害。這些副產物中就有危害較大的SCR 尿素沉積物。

當尿素噴嘴霧化UWS 并將其噴入高溫排氣時，霧化后UWS 小液滴的狀態會隨著液滴運動、水分蒸發及尿素熱解等因素發生變化；同時，尿素熱解與異氰酸水解的速率也受環境溫度變化的影響。當柴油機排氣溫度過低時，縮二脲、三聚氰酸等副產物會隨著尿素熱解過程生成，這些副產物聚積后形成較大的沉積物，產生嚴重的尿素結晶風險。

BERNHARD 等［6］使用TiO2 作為催化劑，對UWS 的熱解產物進行了傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析和高效液相色譜（HPLC）分析，獲得了沉積物組分隨溫度變化的分布結果，進一步提出了產物水解機理框架，參與反應的組分包含脲基產物、三聚氰酸及其同系物。

為進一步探究尿素沉積物的成分，紅外光譜分析法（IR）、熱重分析法（TGA）和質譜分析法（MS）等分析方法被廣泛應用于尿素沉積物的組成分析。EBRAHIMIAN 等［7］通過TGA 和FTIR 證明了尿素、縮二脲、三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺存在于柴油機SCR 尾氣后處理系統的沉積物中。采用化學反應動力學軟件Chemkin 建立了包括14 種組分和12 步基元反應的尿素熱解模型，并與試驗結果進行了對比。結果表明，該模型可在低溫段（≤700 K）準確地反映尿素結晶在尿素熱解過程中的質量變化。

除SCR 尾氣后處理系統沉積物的成分外，國外一些學者在尿素熱解和沉積物生成的反應路徑等方面展開了大量的研究。WAY 等［8］在柴油機SCR 尾氣后處理系統不同位置采集了沉積物樣品，并通過HPLC 分析樣品成分。結果表明，沉積物主要由未分解的尿素（質量分數為5%～15%）、縮二脲（質量分數為5%～15%）和三聚氰酸（質量分數為70%～90%）組成。

通過上述學者對尿素結晶機理的研究，可將尿素結晶成分按照物質的分解溫度分為軟結晶和硬結晶。軟結晶以尿素縮二脲為主，分解溫度較低；硬結晶以三聚氰酸為主，分解溫度較高。大多數情況下，SCR 尾氣后處理系統的沉積物為軟、硬結晶共同存在的混合物。

1. 2 尿素結晶影響因素

基于尿素結晶的生成機理，從SCR 尾氣后處理系統邊界條件出發，將尿素結晶生成影響因子歸結為排氣溫度、排氣量、尿素噴射量和混合器結構4 個關鍵因素的綜合作用結果。本文分別對這4 個關鍵因素進行試驗，研究其對尿素結晶的影響規律。試驗采用透明石英管，以便于觀察。將石英管一端與燃燒器出氣端相連，燃燒器用于模擬柴油機高溫尾氣；在石英管上安裝尿素噴嘴，噴嘴與尿素泵等噴射系統相連，可控制尿素噴射量。對排氣溫度、排氣量、尿素噴射量及混合器結構4 個因素進行控制，每個試驗進行2 h。

1. 2. 1 排氣溫度的影響

石英管中不放入混合器，即不考慮混合器的情況下，保持排氣質量流量110 kg/h、尿素噴射質量流量114 mg/s 不變，僅改變排氣溫度，分別調節排氣溫度為200 ℃、280 ℃、360 ℃，記為工況1、工況2、工況3，試驗2 h 后得到的尿素結晶如圖2 所示。表1 為不同排氣溫度下尿素結晶及液膜生成情況。

從圖2 和表1 可以看出：當排氣溫度為200 ℃時，石英管表面可以看到有一層明顯的白色結晶物質，其主要分布在噴霧范圍的邊緣，靠近噴嘴一端及噴霧范圍內存在明顯的液膜。當排氣溫度為280 ℃時，石英管表面有輕微的液膜存在，但無白色結晶物質產生。當排氣溫度為360 ℃時，石英管表面只有一些輕微的已經蒸發的液膜痕跡，無濕潤的液膜存在，也沒有白色結晶物質。由此可以看出排氣溫度對尿素結晶有非常大的影響，排氣溫度越高，越不容易產生尿素結晶。3 種排氣溫度下均會形成液膜，但排氣溫度越高，液膜形成量越少，液膜區域越小，液膜蒸發速度越快，因此可以判斷，尿素結晶易發生在排氣溫度低于280 ℃的工況。

1. 2. 2 尿素噴射量的影響

不考慮混合器，保持排氣質量流量130 kg/h、排氣溫度230 ℃ 不變，僅改變尿素噴射質量流量（分別為114 mg/s 和322 mg/s，持續噴射），進行2 次試驗。圖3 為2 h 試驗結束后管內尿素結晶情況。表2 為不同尿素噴射量下尿素結晶情況。

從圖3 和表2 可以看出：在保持排氣溫度、排氣量、混合器結構不變的情況下，尿素噴射質量流量為114 mg/s 時，管內結晶情況較少，結晶位置主要出現在管壁上方，且隨氣流吹掃形成條狀結晶痕跡，結晶質量為2.0 g；尿素噴射質量流量為322 mg/s 時，管內尿素結晶情況明顯增多，結晶位置主要出現在管壁四周，尤其是管底部，結晶質量為6.0 g，管底部結晶主要是因為UWS 噴射量較大，液滴沿濕潤管壁較多聚集于管底部，進而在管底部形成較多液膜，最終形成尿素結晶。由此可以看出尿素噴射量也是影響尿素結晶的重要因素，在其他條件相同的情況下，尿素噴射量越大，尿素結晶風險越高，尿素結晶量越大。

1. 2. 3 排氣量及混合器的影響

在石英管中安裝葉片狀混合器，將噴嘴以45°安裝至混合器前方約10 cm 位置，并保持排氣溫度230 ℃、尿素噴射質量流量322 mg/s 不變，僅改變排氣量，每個排氣量進行2 h 試驗，尿素持續噴射。排氣質量流量分別為90 kg/h、130 kg/h、160 kg/h、190 kg/h 時混合器部分尿素結晶情況如圖4 所示。表3 為不同排氣量下尿素結晶情況。

由圖4 和表3 可以看出：當其他條件保持不變時，混合器部分尿素結晶量隨著排氣量的增加而減少。當排氣質量流量為90 kg/h 時，混合器葉片上結晶量較多，總結晶質量為6.7 g，尤其是迎著噴霧方向的葉片上有相當多的白色結晶物生成；當排氣質量流量提高至130 kg/h 和160 kg/h 時，總結晶質量下降至2.1 g 和1.6 g，混合器葉片上白色結晶物質明顯減少，只在葉片根部及尖端部，以及一些沖壓凹陷部位存在少許結晶物質；當排氣質量流量繼續提高至190 kg/h 時，混合器葉片僅在邊緣有極少數白色粉狀結晶，其他部位未見明顯的尿素結晶現象，總結晶質量為0.4 g。

對比表2 和表3，排氣質量流量為130 kg/h、排氣溫度為230 ℃ 、尿素噴射質量流量為322 mg/s時，相同進氣和尿素噴射條件下，增加混合器后尿素結晶質量從6.0 g 下降至2.1 g，可以看出混合器可以有效提高排氣和尿素液滴的混合效果，提高尿素分解，降低尿素結晶的生成量。

根據文獻［9］和上述試驗可以得出，將SCR 尾氣后處理系統尿素結晶生成影響因子歸結為排氣溫度、排氣量、尿素噴射量和混合器4 個關鍵因素的綜合作用結果具有一定的可行性，后續研究可以從這4 個關鍵因素入手。

2 SCR 尾氣后處理系統結晶風險試驗

2. 1 均勻性試驗方法

流速均勻性是評價流經載體的氣流分布是否合理的重要指標之一，其對催化劑使用壽命及催化轉化效率影響巨大［10］。流速分布不均勻，會導致載體的利用率偏低，載體局部過熱、流速過高，導致部分區域催化劑劣化速度加劇，縮短使用壽命，同時也會導致載體徑向溫度分布不均勻，溫度梯度過大，產生較大的熱應力梯度，易發生熱疲勞破壞。NH3 均勻性是保障NOx 高效脫除的關鍵［1，6-7］，NH3均勻性分布不均，會導致局部NH3 濃度過高，不能完全消耗，造成NH3泄漏，污染環境，而NH3濃度局部過低，會導致NOx轉化效率低，NOx排放超標。

目前，對于SCR 尾氣后處理系統流速均勻性和NH3均勻性的臺架測試還沒有統一的方法，因此本文使用自制采集工裝對SCR 尾氣后處理系統進行均勻性測試。測試設備主要有柴油機、尿素噴射系統、采集裝置、氣體分析儀、流速分析儀等，其中采集裝置如圖5 所示。有4 根采樣管從采集裝置端部伸入裝置內部，4 根采樣管均可沿軸線向內或向外伸縮移動，改變采樣管頭部在裝置內部的位置，且采集裝置可繞系統軸線360°旋轉，因此可以對所在截面進行多點數據測試，測點布置如圖6 所示。

試驗時將采集裝置安裝在距離第1 級SCR 載體（以下簡稱“SCR1”）后端面10 mm 處。以NH3均勻性試驗為例，試驗安裝布置如圖7 所示（圖中DOC 為氧化型催化器，DPF 為柴油機顆粒捕集器，SCR2 為第2 級SCR 載體）。流速均勻性試驗與NH3 均勻性試驗步驟一致，只需要將流速分析儀代替氣體分析儀連接至采樣裝置上進行數據采集即可。

2. 2 穩態結晶試驗方法

對SCR 尾氣后處理系統進行穩態結晶試驗的目的是驗證其結晶程度，觀察SCR 尾氣后處理系統在一定流量和溫度下的結晶現象。本文采用的穩態結晶試驗方法如下：

（1） 試驗前保持SCR 尾氣后處理系統內部潔凈，并對混合器進行稱重，記錄試驗前質量。

（2） 稱重完畢進行測試設備的安裝、臺架布置，完成試驗前各項準備工作，包括調節尿素噴射裝置至目標流量等。

（3） 確保實驗艙內環境要求滿足測試要求。

（4） 運行柴油機，使得排氣溫度和排氣量達到測試工況要求，要求排氣溫度在15 min 內變化不超過±2 K，排氣質量流量偏差不超過±10 kg/h。

（5） 當柴油機穩定后，開啟尿素噴射系統，并開始記錄試驗時間。

（6） 每個工況進行8 h 穩態結晶試驗，要求結晶質量lt;30 g。

（7） 單個工況試驗結束后，首先停止尿素噴射，然后讓柴油機回到怠速狀態，保持2～3 min 后停機，待SCR 尾氣后處理系統冷卻后進行混合器部分拆解，并重新稱重，記錄質量，試驗前后質量差即為該工況下的尿素結晶量。

（8） 進行下一工況試驗前，需要清理SCR 尾氣后處理系統內的尿素結晶，并運行排氣溫度550 ℃、運行時間30 min 的工況來清理混合器中殘留結晶物，二次清理后進行試驗前稱重并記錄。

（9） 重復步驟（2）～（8），直至完成所有工況點測試。

2. 3 均勻性試驗結果

本文對優化前的SCR 尾氣后處理系統在工況1～3 下進行流速均勻性和NH3均勻性試驗，現場布置如圖8 和圖9 所示，得到DOC、DPF 和SCR1 后端面的流速均勻性，以及SCR1 前端面的NH3 均勻性結果。

工況1～3 的均勻性試驗結果與仿真計算結果對比見表4。由表4 可以看出，SCR 尾氣后處理系統仿真值與試驗值非常接近，仿真結果具有較高的可信度，說明仿真方法具有一定適用性。

2. 4 混合器尿素結晶試驗

對優化前混合器方案進行穩態結晶試驗，工況1 的試驗結果如圖10 所示。由圖10（a）可以看出：破碎板兩端焊耳處存在塊狀結晶，中間部分存在尿素結晶痕跡，但未形成塊狀結晶，由于氣流對液膜存在吹掃作用，因此出現結晶痕跡屬于正常現象，破碎板結晶試驗結果與分析結果較為接近。由圖10（b）可以看出：在W 形混合腔與后擋板之間的混合器殼體處，塊狀結晶較為嚴重，此處堆積的液膜在氣流吹掃作用下，從W 形混合腔壁面吹到混合器殼體上，由于無孔后擋板的阻擋，形成大量塊狀結晶，另一部分尿素液滴經擋板阻礙，沿兩側壁面向外擴散，形成大量結晶。此處由于計算時間只有1 s，因此與實際試驗稍有區別，但混合器殼體處的結晶趨勢與試驗一致。各工況下結晶量見表5，各工況下的結晶質量均遠超30.0 g要求。

為減少尿素結晶，根據以下思路進行混合器優化：① 調整流動死區結構，提高該區域內的氣流流速；② 增加尿素液滴在破碎路徑上的滯留時間，提高尿素液滴的破碎和蒸發分解的效果。

具體優化方案為：① 增大破碎板開孔尺寸，調整孔位，減小破碎板焊耳附近未開孔面積，以消除破碎板與中心管壁面形成的流動死區問題，提高該區域氣流流速；② 在原破碎板上方再增加1 塊破碎板，并且2 塊破碎板呈一定夾角布置，以增加破碎能力，同時增加尿素液滴的滯留時間，提高尿素蒸發分解的效果；③ 后擋板開孔處理，使氣流可以流經后擋板，消除流動死區，提高流動速度，增加熱交換。

對優化后混合器方案進行同樣的結晶試驗，除混合器結構變化外，其他邊界均保持一致，工況1試驗結果如圖11 所示。由圖11 可以看出：優化后的破碎板上已經沒有了明顯的塊狀結晶，僅有小部分孔板邊緣有輕微的結晶痕跡，與仿真計算結果吻合較好。優化后，混合器殼體處的塊狀結晶也明顯減少，僅有焊縫和后擋板開孔處有輕微的結晶痕跡，與仿真計算結果吻合較好。

混合器優化后各工況結晶量測試結果見表6，各工況下的總結晶質量為40.9 g，各工況結晶質量均小于30.0 g。由此可見，優化后的抗結晶效果明顯提升，尿素結晶風險評估標準具有一定的工程實踐指導作用，可以有效提高SCR 尾氣后處理系統抗結晶設計的效率。

3 結論

（1） 基于尿素結晶的生成機理，將影響尿素結晶的復雜因素簡化為排氣溫度、排氣量、尿素噴射量和混合器結構4 個關鍵因素。針對4 個關鍵因素分別進行結晶試驗，結果表明將尿素結晶復雜因素簡化為4 個關鍵因素的方法具有一定的可行性。

（2） 按照均勻性試驗方法和要求，對SCR 尾氣后處理系統進行流速均勻性、NH3 均勻性試驗，試驗測得工況1 時DOC 后流速均勻性為0.981，DPF后流速均勻性為0.987，SCR1 后端面流速均勻性為0.984，SCR1 前端面NH3 均勻性為0.980；工況2 時DOC 后流速均勻性為0.977，DPF 后流速均勻性為0.981，SCR1 后端面流速均勻性為0.980，SCR1 前端面NH3 均勻性為0.953；工況3 時DOC 后流速均勻性為0.970，DPF 后流速均勻性為0.983，SCR1 后端面流速均勻性為0.984，SCR1 前端面NH3均勻性為0.946。結果表明，SCR 尾氣后處理系統仿真值與試驗值非常接近，仿真結果對SCR 尾氣后處理系統流速均勻性和 NH3 均勻性的設計與優化具有一定參考。

（3） 按照穩態尿素結晶試驗驗證方法，對混合器優化前后的SCR 尾氣后處理系統進行尿素結晶試驗。試驗測得優化前在破碎板焊耳附近及W 形混合腔與后擋板之間的混合器殼體上存在大量結晶，結晶位置與結晶風險區域相吻合，3 個工況結晶質量依次為143.2 g、125.4 g、92.1 g，結晶質量均大于30.0 g，不滿足結晶試驗要求。混合器優化后在破碎板焊耳附近沒有了明顯的塊狀結晶，僅有輕微的結晶痕跡，混合器殼體上也沒有明顯的塊狀結晶，僅有輕微結晶痕跡，3 個工況結晶質量依次為18.6 g、13.7 g、8.6 g，均小于30.0 g，滿足結晶試驗要求。試驗結果表明，優化后的混合器抗結晶效果提升明顯，尿素結晶風險低，與仿真計算結果吻合較好，驗證了所提出的尿素結晶風險評估標準具有一定的工程實踐參考，可以有效提高SCR 尾氣后處理系統抗結晶設計的工作效率。

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