柴油机氮氧化物NO、NO2选择性催化还原SCR转化率影响因素研究（可编辑）

1、柴油机氮氧化物NO、NO2选择性催化还原SCR转化率影响因素研究 江苏大学 硕士学位论文 柴油机氮氧化物（NO、NO ,2 ）选择性催化还原（SCR）转化率 影响因素的研究 姓名：刘倩 申请学位级别：硕士 专业：工程热物理 指导教师：王谦 20100610 江苏大学硕士学位论文 摘 要 本文介绍了一种柴油机尾气后处理技术选择性催化还原技术 SCRSelective Reduction 。该技术原理是将还原剂喷入排气管，在催 Catalytic 化剂的作用下，在富氧的环境内，还原剂与氮氧化物进行氧化还原反应，将氮氧 化物选择性还原生成氮气和水。通过该技术柴油机的排放可实现国，国V的排 放标准。

2、本文中研究的SCR系统是应用到6缸发动机上，采用的是涂层为Ti02V205， 载体为堇青石4007，桶式封装的催化器，流动结构采用是渐缩管和扩张管的结构， 催化剂载体部分为蜂窝状结构。该催化器可以实现在中重型发动机主要排气温度 范围内氮氧化物高效的转换效率，较小的排气背压，而且还具有性价比高，便于 安装等优点。 本文研究了SCR系统的特性，SCR处理器中的主要反应，影响反应速率和 软件，建立三维SCR处理器的流动、反应模型，模拟各个工况下混合气在SCR 处理器中的流动和反应的过程，并找出了影响流动和反应的因素，主要是温度和 空速，并提出在各个工况下的最佳NH3NOx之比。在模拟的过程中，由于催

3、化 剂载体为蜂窝状结构，所以在FLUENT软件中，将催化剂载体部分设为多孔介 质，是整个边界设置的重点部分。通过模拟结果分析得，在催化剂有效的温度范 围内，随着温度的升高，SCR反应变快，使得催化剂出口处NOx的转化率升高。 随着空速的增大，催化剂内废气与催化剂的接触时间变短，使得催化剂出口处 NOx的转化率降低。如果空速较大时，催化剂仍具有较好的活性，那么就可以降 低催化剂的用量，从而节约催化剂的成本。 本文也通过实验研究，制定了在发动机不同的转速、扭矩下合理的尿素喷 Transient 射量。通过发动机的ESC EuropeanStationaryCycle 和ETC European C

4、ycle 试验研究表明，N0x的排放可以降低65以上，并减小了NH3的二次污 染，并达到了欧IV排放标准。 关键词：柴油机，选择性催化还原，氮氧化物，多孔介质，NOx转化率，温度， 空速 江苏大学硕士学位论文 ABSTRACT consideredoneofthemost SCR selectivecatalyticreduction iscurrently effectivedieselaftertreatment theaidof technologiesWith agent catalyst，reducing andN into andwaterAnaftertreatmentbased

5、onthe Oreactednitrogen system SCR canreducethe emissionsof diesel tovalues NOx process heavydutyengines belowthe China emissionstandards IV,V forthcoming Inthis vehicleshavebeen tomatchthe of paper,6-cylinderengine targeted study convertersA is intoaccount catalytic appropriatecatalystneeded，mainlyt

6、aking coat， tolotsofinformationandsimulated barrel results，a carrier,encapsulationAccording with 4007ischosenThecan conversionratio Ti02一V205 catalyst catalystkeephigh atthemain of cancausesmaller exhaust，and temperaturerangeengine backpressure Itiscosteffectiveand toinstallation easy Theresearchis

7、aboutSCR characteristicItis of mainly system composed andcontrolunitThemainSCR reactions，the dosingvalve，catalyst influencing factorofthese andthemost reactions，reduce agentNH3slip optimizedNH3N0x iSthemostmaincontentWiththeaidof 3 dimensionmodelhasbeenmadeto CFD，a set theflowofdieselSCR andreaction

8、modelinordertosimulatethe up systems flowandreaction intheSCRreactorundervariousconditionsandfindthe process andreactor factor andthemost influencingtemperature spacevelocity optimized the is FLUENT is Nil3NOxAs structure，the catalystsupporthoneycomb boundary thisisthemost ofthissimulationresultthat

9、with porous，and importantsetAnalysis theSCRreactionsbecomefastinthe of300-5000Cand increasingtemperature range make conversionWiththe reactor exhaust NOx higher increasingspacevelocity，the and contacttimebecomesshorterand the makeslower conversionIf catalyst NOx reactor is the has canreducethe space

10、velocityhigh，andcatalyst goodactivity，it amountof thecostofthe catalyst，therebysaving catalyst the hasbeensetdownunderthe research，a By experiment dosingstrategy differentand with can emission SCRreduce 65 speedtorqueTheengine NOx by 11 江苏大学硕士学位论文 N in andreduce Stationary H3slip ETC EuropeanCyde an

11、dESC European Transient IV standard Europe Cycle ，reach Keywords：diesel，selectivecatalyticreduction，nitrogenoxide，NOxconversion， temperature，reactorspacevelocity III 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫

12、描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d 学位论文作者签名：当t1伟 指剥雠：肛 r-日 州。年6月亿日 沙f。年6只t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：当J馈 日期：lOo年 月11日 江苏大学硕士学位论文 绪论三百T匕 第一章弟一早 11本文研究背景及意义

13、 随着世界经济等各方面的发展和进步，人们对能源的需求也越来越多，因此 产生的环境污染也会日益严重。在诸多的环境污染中，大气污染已成为最为关注 的问题之一【lJ【21。 光化学烟雾是排入大气的氮氧化物和碳氢化合物受太阳紫外线作用产生的 一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，包含有臭氧 03 、醛类、硝酸酯类 PAN 等多种 复杂化合物。这些化合物都是光化学反应生成的二次污染物。当遇到低温或不利 于扩散的气象条件时，烟雾会积聚不散，造成大气污染事件。光化学烟雾对人体 最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道粘膜，引起眼睛红肿和喉炎，这可能与产生 的醛类等二次污染物的刺激有关。光化学烟雾对人体的另一些危害则与臭氧浓度

14、 有关。当大气中的臭氧浓度达至U200-looo lgm3时，会引起哮喘发作，导致上 呼吸道疾病恶化，同时也刺激眼睛，任视觉敏感度和视力降低；浓度在 4001600pgm3时，只要接触2h就会出现气管刺激症状，引起胸骨下疼痛和肺 通透性降低，是机体缺氧；浓度再高，就会出现头痛，并使肺部气道变窄，出现 肺气肿。接触时间长，还会损害中枢神经，导致思维紊乱或引起肺水肿等。臭氧 还可以引起潜在性的全身影响，如诱发淋巴细胞染色体畸变、损害酶的活性和溶 血反应，影响甲状腺功能，使骨骼早期钙化等。所以，必须采取一系列综合性的 措施来预防和减轻光化学烟雾给人类造成的损割31。 根据国家权威部门统计数字，200

15、7年我国机动车保有量超过了133亿辆， 我国原油消耗量约346亿吨，其中进口159亿吨，对外依存度达46，而原油 消耗中的60用作内燃机的燃料H1。同时，国内外的研究表明，在今后的30S0年， 内燃机仍将是最主要的原动机，而石油仍是内燃机的主要燃料陆1。随着机动车保 有量的持续增长，我国机动车污染物排放总量持续攀升。事实上，汽车所产生的 空气污染量比任何其他单一的人类活动污染量都多。柴油机的欧排放标准 国家环保总局的数据表明，我国城市80以上的一氧化碳和40以上的氮氧化 物来自于机动车的排放，颗粒物污染中200-30也来自于机动车的排放。全球 江苏大学硕士学位论文 因燃烧矿物燃料而产生的一氧化

16、碳 CO 、碳氢化合物 HC 和氮氧化物 NOx 的排 放量，几乎S0来自于汽油机和柴油机，在表1-1中介绍了各类发动机排放量的 情况口1。 最近几年，我国对环境的投入不断加大，通过政府和社会的努力，我国城市 空气质量总体上也有好转。2003年监测的340个城市中，142个城市达到国家环 境空气质量二级标准 居住区标准 ，占417，比2002年增加79个百分点； 空气质量为三级的城市有107个，占315，比2002减少35个百分点；劣于三 级标准的城市有91个，占268，比2002年减少44个百分点3。 表1-1各类发动机有害物比较 微粒 C0 HC 臭气 NOx S02 机型 铅化物 碳烟

17、油雾 式 中 很少 少 中 四冲程 多 多 多 少 汽油机 二冲程 多 多 少 很少 多 少 多 多 柴油机 少 少 中 少 无 多 少 多 LPGCNG发动机 少 中 中 无 无 少 无 少 无 无 氢发动机 无 无 多 无 无 无 很少 旋转活塞汽油机 多 多 少 中 少 中 中 甲醇发动机 少 少 少 无 无 无 少 少 表12柴油机与汽油机排放比较 汽油机 柴油机 有害成分 0005 015030 微粒 gm3 016 00S050 CO 2000 2001000 HC 106 20004000 7002000 NOx 106 从表中可以看出，柴油机污染物的排放总的来说比汽油机排放物要

18、少，所以 现在柴油机以其优良的动力性、经济性和排放性倍受青睐。但是柴油机存在一个 严重的问题，就是柴油机与同等功率的汽油机相比，微粒和氮氧化物 NOx 的排 放量较高。针对柴油机排放气中大量的微粒，通过改善机内燃烧和微粒捕集器的 2 江苏大学硕士学位论文 后处理可以对其进行充分的改善。如何有效的降低氮氧化物 NOx 也是柴油机排 放物控制的难点和重点。由于机内净化控制不能完全净化氮氧化物 NOx 的排放， 所以采用机外控制技术十分必要。氮氧化物 NOx 的机外净化技术主要是催化转 化技术，主要有：吸附催化还原法、选择性非催化还原、选择性催化还原和等离 子辅助催化还原，其中主要以选择性催化还原法

19、 SCR 为主流技术。 12 SCR SelectiveReduction 技术国内外研究现状 Catalytic 121国外研究现状 为了满足同趋严格的排放法规，国外许多汽车及发动机制造商已经开始把 SCR SelectiveReduction 技术运用到产品上，也就意味着SCR技术开 Catalytic 始进入实用阶段。 格伦德福斯托普索尿素SCR系统丹麦格伦德福斯公司和托普索科技公司合 作研发出卡车用新型柴油引擎催化转化器。该装置可节省4的耗油量，将对人 体有害的纳米级PM排放量减半，并降低NOx和烃的排放量，减少柴油燃烧时产 生的异味。格伦德福斯公司作为泵和电了控制系统的供应商与催化剂

20、的研制者托 普索公司进行了战略伙伴合作，开发出了这套系统。格伦福德斯公司估计至2010 年这一装置在全球市场的销售总额将达到800亿丹麦克朗 约合96亿美元 。 这套尿素一SCR系统能够有效地消除大部分的NOx和未燃HC及柴油机排气中那些 危害人类健康的物质。柴油难闻的气味主要是它的成分中有未燃烃，将未燃烃去 除，柴油车的工作环境将得到很大的改善。SCR系统基本由尿素储存罐、尿素喷 射系统和催化器组成。通过向汽车排出的气体喷入尿素，尿素分解为NH2来去除 被留在催化器上，但不会与喷射的尿素混在一起。喷射的尿素是质量分数为325 的溶液，用手接触是很安全的，不会对环境造成污染。 DCLInter

21、national Inc 开发柴油机废气排放控制技术已有十五年的历史，产品覆 盖的柴油机功率范围从5-10000hp。该公司最近推出一种选择性催化还原系统 DCL SCR系统 ，包括一个紧凑的催化反应器壳体，壳体中有SCR剂块和一个 3 江苏大学硕士学位论文 可任选的催化剂层。尿素或氨水调节喷射系统的特别设计，使排出废气流中的还 原剂分布均匀，同时尽量减少氨的逃逸。系统会自动NitS-个与NOx排放量有 关的参数，如柴油机负荷参数，并以此来控制还原剂的流量。控制系统可以确保 柴油机的NOx排放率符合法规要求。为了使NH3的滑失量低于5ppm，而NOx的减 少率超过85，NH冀NO的摩尔比应为0

22、9,-一1161。 针对计划于2005年10月实施的欧IV标准，康明斯将采用集成式排放控制 系统IEM技术，即把发动机缸内净化和尾气后处理集成在一起，实现“从进气 到排气”的全过程控制。为了有效地控制排放，康明斯IEM采用了高效的SCR， 并由电控模块对其进行控制。电控系统能够根据发动机的实时工作状况，准确地 将适量的催化剂 尿素溶液 喷入SCR装置前端的排气气流中。这个过程将产生 催化反应，从尿素溶液中释放NH3，对排气中NOx进行还原，从而有效地减少发 动机有害气体的排放。电控系统还可根据车载排放诊断系统 OBD ，驾驶员可 以通过驾驶室中的仪表或指示灯随时了解SCR系统的运行情况。车载排

23、放诊断 系统可以提醒驾驶员及时加注尿素溶液，按时对SCR系统进行保养。在SCR系 统工作过程中，尿素溶液以燃油消耗量5佝比例喷入排气气流中。根据车辆的 不同类型和使用情况，车辆上安装的尿素溶液储存罐与燃油油箱的容积比通常为 1：1，2：1或3：1。在欧洲，环保部门已经开始在商用车上推广使用SCR系统， 用户可以方便地购买和使用尿素溶液，确保车辆排放满足欧IV标准。车辆使用 康明斯mM系统后，燃油经济性的提升将抵消使用尿素溶液增加的成本。尿素 溶液的喷射由康明斯电控系统精确控制，可以完全消除尿素溶液的泄漏而产生的 气味吲。 戴姆勒一克莱斯勒公司日前宣布，为了使配备柴油机的商用车符合欧IV及 欧V

24、排放标准，采用了使用尿素的SCR法陋h该公司将于2005年上半年在卡车 及大巴中采用SCR法，在2006年10月符合区IV标准前，开始阶段性地支持欧 lv标准。该公司今后还将继续开发SCR技术，以尽早达到欧V标准的要求。SCR 70070标准的雾状尿素水溶液 法采用在尾气中喷射质量含量为325，符合DIN 途运输的卡车，2L尿素可行驶100km，如配有100L的燃料罐，补充一次尿素 可行驶5000km。据报道，配备SCR系统的维修成本不会增加，无需使用低S 4 江苏大学硕士学位论文 柴油燃料嘲。 122国内研究现状 由于排放法规要求的相对滞后，SCR系统在国内的应用研究较国外起步晚， 国内的几

25、大柴油机生产企业，如玉柴、潍柴、锡柴、上柴等也在研制符合欧排 放标准的柴油机。2006年2月中国第一台达到欧排放的柴油机在广西玉柴诞 生。该机在YC6L-30的基础上，采用SCR系统。目前，该款机型已进入小批试 产阶段。该款YC6L-40柴油机ESCETC实验循环的排放水平，完全达到欧排 放标准，是一台真正意义上的欧发动机。 威孚判断在实施国标准后，SCR系统将成为中重型商用车后处理系统的 首选。统计北京环保局2008年以来公布的符合国标准的重型柴油车和重型柴 油发动机也可得到类似的结论。根据北京环保局公布的目录来看，目前国内SCR 系统排气处理器主要采用进口产品和合资公司产品。进口产品主要有

26、博世、康明 产品；威孚力达则是唯一一家国产系统供应商。SCR计量泵则基本采用博世、 康明斯等公司的进口产品，目前玉柴等国内厂商也开发了自主产品，但采用的较 少。威孚力达目前自主SCR催化剂技术已经非常成熟，能够完成加药、载体、 催化剂和分装四大部分工艺。在未来SCR催化剂市场上力达最大的国内竞争对 手仍然是昆贵研，在“十一五”期间，威孚力达和潍柴合作，昆贵研和玉柴合作在 做国柴油机排放控制技术项El，进行SCR或DPF催化剂方面的开发研究。 其他的还包括张家口百通环保科技公司 2009年7月开始动工新建15套产能的 柴油机后处理系统生产线，以SCR技术为主线 等。但是借助威孚高科同各家 柴油厂

27、之间的长期合作关系，以及同博世共轨系统的协同 ECU和尿素控制系 年进入市场，我们预计未来博世的控制系统在出厂即可匹配力达的SCR，而其 他产品可能需要重新匹配 ，威孚力达在国阶段SCR排气处理器市场的竞争 中将全面领先。 采用SCR系统的欧柴油机相比欧III柴油机，在燃烧上进行了最大的优化， 5 江苏大学硕士学位论文 燃油消耗率降低5，符合国内低油耗的市场要求，利于市场的推广。 13氮氧化物的生成机理 车用发动机排气中的氮氧化物 NOx 包含NO和N02，其中大部分是NO，其主 要来源是参与燃烧的空气中的氮 N2 。汽油和轻柴油本身含氮很少，不足以产生 显著的氮氧化物 NOx 的排放。只有重

28、质燃油可能含有千分之几的氮，可能从排 气中排放一小部分所谓的“燃油NO”。 131 NO的生成机理 化学计量混合比 仍a 1 附近导致生成NO和使其消失的主要反应式为： 11 0220 1-2 0+N2兮NO-I-N 13 N-I-02NO-i-0 N+0H甘N0-I-H 14 反应式 14 主要发生在非常浓的混合气中，NO在火焰的前锋面和离开火 焰的已燃气体中生成。汽油机的燃烧在高压下进行，并且燃烧过程进行得很快， 反映层很薄 约01ram 且反应时间很短。早期燃烧产物受到压缩而温度上升， 使得已燃气体温度高于刚结束燃烧的火焰带的温度。因此除了混合气很稀的区域 外，大部分NO在离开火焰带的已

29、燃气体中发生，只有很少部分NO产生在火焰带 中。也就是说，燃烧和NO的产生是彼此分离的，应主要考虑已燃气体中NO的生 成【3】。 NO的生成主要是与温度和过量空气系数有关【3】。NO的生成随着温度的提高 而呈指数函数急剧增加。当温度低于1800K时，NO的生成速率极低；到2000K 就达到很高的速率。大致可认为温度每提高100K，NO的生成速率几乎翻了一番。 氧含量提高也使NO生成量增加。由于NO的生成反应比燃料的燃烧反应慢，所以 只有很少一部分NO产生于很薄的火焰反应带中，大部分NO在火焰离开后的已燃 6 江苏大学硕士学位论文 气体中生成。如果反应物在高温环境停留时问不足，贝IJNO达不到平

30、衡含量，使NO 排放量减少。 火焰中生成的NO可以通过反应 1-5 NO+H02一N02+OH 迅速转变为N02，但N02又会通过反应 1-6 N02+0-NO+02 重新变为NO，除非已生成的N02通过与较冷的气体混合而冻结。化学平衡计算 表明，在一般火焰温度下，已燃气中N02含量与NO相比可忽略不计。在点燃式 内燃机中，当仍a 115时，比值N02NO不超过2。点燃发动机长期怠速运转 产生相对较多的N02。柴油机在大多数情况下，这个比值在01以下，但在小负 荷下此值最高可达03左右。 点燃式内燃机的过量系数函。既影响燃烧温度，又影响燃烧产物中氧的含量， 所以对NOx的排放量影响很大。与点燃

31、式内燃机一样，压燃式内燃机气缸内达到 的最高燃烧温度也是决定NOx生成量的最重要因素。NOx排放随着柴油机负荷增 大而显著增加。这是因为随着负荷增大，司燃混合气的品均空燃比仅减小，使最 高燃烧温度提高。但是当柴油机负荷超过某一限度时，NOx的浓度反而下降，这 是因为燃烧室中氧相对缺少导致燃烧恶化。可见温度越高，氧浓度越高，反应时 间越长，NO的生成量越多，所以对NO的主要控制方法就是降低最高燃烧温度。 发动机在运转过程中因燃烧经历时间极短 只有几毫秒 ，温度的上升和下降都 很迅速，故NO的生成不能达到平衡状态，且分解所需的时间也不足，所以在膨 胀过程初期反应就冻结，使NO以不平衡状态时的浓度被

32、排出。从燃料燃烧过程 看，最初燃烧部分 火花塞附近 生成的NO约占其最大浓度的S0 其中有相 当部分后来被分解 ；随后燃烧的部分所生成的NO浓度很小且几乎不再分解，因 此NO的排放不能按平衡浓度的方法计算，只能由局部的燃烧温度及其持续时间 决定。 132 lq02的生成机理 汽油机排气中的N02浓度与NO浓度相比可忽略不计，但在柴油机中N02可占 到排气中总NOx的1030。目前对N02生成机理的研究还不透彻，大致上认 7 江苏大学硕士学位论文 为NO在火焰区可以迅速转变成N02，反应机理如下： 17 NO+H02_N02+OH 然后N02又通过下述反应式转化为NO 1-8 N02+0一NO+

33、02 只有在N02生成后，火焰被冷的空气所激冷，N02才能保存下来，因此汽油 机长期怠速会产生大量的N02。柴油机在小负荷运转时，燃烧室中存在很多低温 区域，可以抑制N02向NO的再转化而使N02的浓度增大。N02也会在低速下在排 气管中生成，因为此时排气在有氧条件下停留时间较长【3】。 14改善NOx排放的措施 141燃油改善 1 减少燃油中芳烃成分，可以减少NOx的排放。柴油中的芳烃会增加柴 油机的微粒和NOx排放，并使排气中毒性大的多环芳烃的含量增加。所以，低排 放柴油严格限制芳烃，特别是其中多环芳烃的含量。 2 根据燃油的馏程，合理提高燃油的十六烷值，能有效降低NOx的排放。 3 进行

34、柴油的乳化处理。在柴油中加入适当的乳化剂，通过乳化燃料中 水的汽化降低缸套温度和燃烧温度，减少NOx的排放n们。 4 降低柴油中硫的含量。低排放柴油的标志性特征是降低柴油中的硫含 量，这是因为很难找到抗硫性很好的富氧NOx催化剂。欧洲排放体系对柴油硫含 量的要求对比，见表口113。 表13欧洲排放体系对柴油硫含量要求对比表 EumI EuroII EumII Eur0 EumV 2000 500 50 10 350 硫 10一6 142机内净化 1 采用低排放燃烧系统、低排放柴油喷射系统和多气门技术，使供油、 喷射和燃烧达到最佳匹配口帅引。 2 采用进气中冷技术降低增压柴油机进气温度，燃烧温度可以得到有效 8 江苏大学硕士学位论文 控制，有利于减少NOx的生成口3H141。 3 采用废气再循环系统 EGR 。尽管在柴油机大负荷工况下采用废气再 循环系统 E