重型柴油机固体SCR技术分析

摘 要 城市车辆的平均车速和负载相对较低，排气温度低，尿素SCR系统无法正常工作，尿素溶液SCR系统要使柴油车达到更高的排放标准具有一定的局限性。开展固体SCR系统在重型柴油机上的基础理论研究，使柴油车达到更高的排放标准。

关键词 柴油机；固体SCR；尿素SCR；温度

Heavy Duty Diesel Engine Solid SCR Technology Analysis

LIU Ming

（Southwest Forestry University，Yunnan Kunming 650224）

Abstract The average vehicle speed and load of the urban vehicle are relatively low， the exhaust gas temperature is low， the Urea SCR system cannot work normally， and the urea solution SCR system has to make the diesel vehicle reach a higher emission standard with certain limitations. The basic theoretical research on solid-state SCR systems in heavy-duty diesel engines was carried out to achieve higher emission standards for diesel vehicles.

Key words diesel engine； solid SCR system； Urea SCR； temperature

前言

由于SCR技术路线能使柴油机综合燃油经济性提升3%～5%，而且在使用钒基催化剂时，SCR技术对燃油硫含量不敏感，可以使用硫含量较高的柴油[1-2]；而EGR+DPF技术路线的燃油经济性稍差[3-4]，与国Ⅲ发动机相比，柴油机综合油耗增加2%～3%。由于DPF再生技术对燃油中的硫含量比较敏感，因此EGR+DPF技术路线对燃油硫含量要求较高[5]。因此在现阶段，我国大多数重型柴油机企业都将SCR技术作为满足国Ⅳ/Ⅴ阶段排放法规的首选技术路线[6-7]。

1 尿素SCR

1.1 尿素SCR简介

SCR技术常用32.5%的尿素水溶液作为还原剂，称为尿素SCR，根据柴油机运行工况，将尿素水溶液定量喷射到排气管路中，在排气高温作用下，尿素水溶液分解释放出NH3，然后在SCR催化剂的作用下，NH3与排气中的NOx发生反应，将NOx还原为N2和H2O，目前尿素SCR技术对NOx的转化效率可达90%以上。

1.2 尿素SCR还原剂 NH3产生机理

1.3 尿素SCR 缺点

从式（1.5）-（1.9）可以看出，沉积物生产的主要原因是低温下尿素分解的中间产物参与了尿素的分解反应。为了抑制沉积物的产生，必须加速的水解反应速率，而的水解反应只有当温度高于200℃时才能完全进行。因此，根据上述反应方程式，尿素SCR技术在排气温度低于200℃时无法发挥作用。且当排气温度高于200℃时，也可能有部分尿素不能分解为NH3，实际尿素分解为NH3的比例存在很大的不确定性[8]。尽管广大科技工作者已经能够将SCR催化剂的起燃温度降低到150℃左右，但由于尿素水解对温度的要求，实际尿素SCR技术起作用的最低排气温度在200℃以上，因此目前在实际柴油车上尿素喷射条件是催化剂温度不低于200℃。

2 固体SCR

2.1 固体SCR简介

近年来Tenneco、FEV以及Amminex等公司开发出了一种以固体储氨技术来取代尿素水溶液作为柴油机SCR系统还原剂的技术—固体SCR（Solid SCR）技术，目前正处于实验研究阶段。固体SCR技术将NH3以固体氨盐（简称铵盐）的形式储存起来，并保存在密闭的容器中，加热到一定温度时，固体铵盐会把储存的NH3释放出来，根据发动机工况要求，将NH3定量喷射至排气管中，在SCR催化剂的作用下与排气中的NOx发生反应。

2.2 固体SCR技术

典型的固体储氨材料，如一个SrCl2分子可以吸附8个NH3分子，常温下形成金属氨合物Sr（NH3）8Cl2。当温度达到35℃时，Sr（NH3）8Cl2开始逐渐释放出储存的NH3；当温度达到80℃时Sr（NH3）8Cl2可以释放出7个储存的NH3分子；在150℃时，再释放出最后一个NH3，如图1所示。当温度降低时，已经释放出来的NH3能够重新与SrCl2形成铵盐以固态形式储存起来，以上特性特别适合在柴油机上应用。

根据上述反应的特点，可以事先将NH3以固体氨合物的形式储存在密闭容器中，利用系统控制单元控制密闭容器的温度，将金属铵盐吸附的NH3以气体形式释放出来，并封闭在密闭容器中，然后根据柴油机运行工况的要求将NH3定量喷射进排气气流中，与NOx发生还原反应，从而达到控制NOx排放的目的。

2.3 固體SCR的优势

从上述分析可以得出固体SCR技术有如下特点：

（1）还原剂NH3直接以气态形式喷入排气管。固体SCR技术直接将NH3以气态形式释放到排气中与NOx发生反应，NH3的产生过程不依赖于发动机排气温度，能在尿素SCR技术不能工作的低排温条件下工作，有利于改善柴油车的低温排放性能；

（2）喷射的还原剂为气态纯NH3，因此不会造成排气管路结晶现象。尿素SCR系统在排气管路中产生沉积物的主要原因是在排气高温环境下，喷入排气管中的尿素水溶液经热解水解反应的各生成物及尿素间发生复杂的反应后生成缩二脲及三聚氰酸所致。由于固体SCR技术直接以气态纯NH3喷入排气管中，因此应用固体SCR技术可彻底解决尿素SCR技术低温下产生沉积物的问题；

（3）还原剂NH3采用固态存储方式，不会出现低温结冰现象。固体SCR系统不存在低温下结冰的缺陷，有利于在我国严寒地区使用；

（4）储氨密度大。相同存储体积下，固体SCR系统能够携带更多有效还原剂NH3，因此加注一次后的续驶里程高于尿素SCR系统。由于固体SCR系统缩小了后处理系统的体积，能有效降低SCR系统催化剂的起燃温度，因此可应用在轻型柴油车上。

3 结束语

综上所述，固体SCR技术能够解决目前尿素SCR技术低温活性不足、排气管路结晶、低温结冰等缺陷，是一种非常有前景的柴油机NOx排放控制技术，特别对有效降低我国城市柴油车辆实际NOx排放具有重要实际应用价值。

参考文献

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[3] Ming Z， Graham T. Reader， J. Gary. Diesel engine exhaust gas recirculation – a review on advanced and novel concepts[J]. Energy conversion and management，2004，45（6）： 883-900.

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[6] Tim O’Connell.HDD Aftertreatment Catalysts for China IV and Beyond[C] .AVECC 2011 International Metropolitan Vehicle Pollution Control Seminar&Exhibition， Beijing，2011.

[7] 佟德輝.降低车用柴油机 NOx 排放的 SCR 控制策略[D].山东大学，2009.

[8] Fang H L， DaCosta HFM. Urea thermolysis and NOx reduction with and without SCR catalysts[J]. Applied Catalysis B： Environmental，2003，46（1）：17-34.

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