重型柴油机国排放计算及排放物处理技术方案研究

重型柴油机国排放计算及排放物处理技术方案研究

对于节能和co排放，包括发动机在内的所有燃料发动机都无法替代。柴油机排气中有PM,NOx,HC和CO等有害污染物,其中PM和NOx是排放法规的主要控制对象。为减轻柴油机对大气环境的污染,各国排放法规越来越严格。在发动机常用工况范围内,仅采用机内措施降低PM和NOx排放已逐渐趋于极限,只有对柴油机排气采取后处理净化措施,才能满足未来更为严格的排放法规。目前常用的排气后处理技术主要有针对PM的氧化催化转化器DOC、颗粒捕集器DPF,针对NOx排放的选择性催化还原技术SCR、稀燃NOx捕集技术LNT或者NAC、稀薄NOx催化LNC等,废气再循环EGR并非严格意义上的后处理技术,但它是降低NOx排放的重要技术,并且和废气直接相关,也列入讨论范围。要满足柴油机欧Ⅴ(或US2010)排放法规,仅靠单个排气后处理技术无法满足要求,需要采取不同后处理技术的组合措施。这对我国柴油机实现国Ⅴ排放具有参考价值。1循环下限高、过渡时间和排放限值目前世界上已形成以美国、欧洲、日本为代表的三大排放法规体系,其他各国基本上是采纳其中一种。图1和图2示出欧美及中国重型柴油机PM和NOx的部分排放法规限值的对比。图中欧洲和中国采用的是欧洲稳态测试循环下的限值,美国采用的是瞬态工况标准测试循环下的限值。由图1和图2可以看出:美国由US2002至US2010,NOx排放限值由5.36g/(kW·h)降低到0.27g/(kW·h),减少95%,PM排放限值由0.13g/(kW·h)降低到0.013g/(kW·h),减少90%,过渡时间为8年;欧洲从2000年的欧Ⅲ标准到2008年的欧Ⅴ标准,NOx排放限值由5.0g/(kW·h)降低到2.0g/(kW·h),减少60%,PM排放限值由0.1g/(kW·h)降低到0.02g/(kW·h),减少80%,过渡时间为8年;我国自2007年国Ⅲ(欧Ⅲ)标准到2012年的国Ⅴ(欧Ⅴ)标准,过渡时间仅为5年。日趋严格的排放法规推动着国内柴油机技术和燃油制备技术的迅速发展,同时也使其面临严峻的考验。2柴油排放的主要影响因素是so2、pm柴油机排放的废气中,N2约占75.2%,CO2约占7.1%,O2及其他成分约占16.89%,有害排放物约占0.81%。有害物中,NOx占35.4%,CO占35.3%,HC占8.54%,SO2及PM等占20.76%。车用柴油机主要有害排放物为PM和NOx,而CO和HC排放较低。控制柴油机尾气排放主要是控制PM和NOx生成,降低PM和NOx的直接排放。PM主要在扩散燃烧期富油区生成,是高温缺氧产物;其组分为干炭烟(Soot),可溶有机成分(SOF),硫酸盐和其他成分。NOx是空气中O2和N2在高温燃烧条件下反应生成的,是高温富氧的产物。PM和NOx之间存在折中效应(trade-off)。因此,在柴油机排放已经很低的情况下,继续减少柴油机NOx和PM排放存在很大困难,组合式排气后处理系统的出现成为必然(见图3)。3scr+dpf组合技术在柴油机组合式排气后处理系统中,有以下3种方案较为典型:a)SCR+DOC+DPF/POC组合技术;b)EGR+DOC+DPF组合技术;c)LNT+DOC+DPF组合技术。3.1柴油的后处理和性能利用排气后处理措施降低有害物排放,可有效保证柴油机的动力性能和燃油经济性。PM的主要后处理措施有DOC,DPF和POC;而NOx后处理通常采用SCR技术。3.1.1净化排气中的二环芳香烃和乙醛柴油机氧化催化转化器(DieselOxidationCatalyst,DOC)是净化排气中的未燃HC,CO和SOF的常用有效措施,同时也可以有效去除多环芳香烃和乙醛等有害成分。DOC是以铂(Pt)、钯(Pd)为催化剂,因此对燃料中的S特别敏感,很容易引起催化剂中毒,所以DOC一般适用于含S量较低的柴油。3.1.2dpf再生过程柴油机微粒捕集器(DieselParticulateFilter,DPF)是目前公认的有效的柴油机微粒后处理技术,它利用过滤体对排气中的PM进行过滤处理,需定时对过滤器内的沉积PM进行清除,即DPF再生。再生通常采用PM燃烧的方式来实现。一般情况下,PM起燃温度一般为550~650℃,要高于柴油机的正常排气温度。因此,要使PM燃烧,一是通过在燃油或者过滤体表面加入催化剂,降低PM的反应活化能,从而降低PM的起燃温度,在正常排气温度下使其氧化,即被动再生;二是采用加热技术提高柴油机排气温度或过滤体的温度,达到PM起燃温度,使过滤体内沉积的PM得以燃烧,即主动再生。3.1.3catalystpoc过滤柴油机微粒氧化催化器(ParticulateOxidationCatalyst,POC)是半通式的过滤器,POC中的PM在催化剂的作用下被NOx氧化为CO2,从而解决黑烟颗粒问题,净化效果在50%左右。POC质量轻、体积小、尺寸可变,易于集成到排气后处理系统中。3.1.4nh3+2no+2no2o44nh34nh34.34.34.234.234.234.234.234.234.234.234.234.234.234.234.234343434.234.234.234.234.234.234.234.234.234.23.23.23.23.23.23.23.234.234.234.234.234.234.24e5e的选择对于排气中的NOx,目前采用的比较成熟的后处理技术是利用尿素水溶液(体积分数为32.5%±0.5%),将NOx还原为N2和H2O,即选择性催化还原技术(SelectiveCatalyticReduction,SCR)。NH3-SCR在与NOx反应时主要有以下4个反应:4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O4ΝΗ3+4ΝΟ+Ο2→4Ν2+6Η2Ο,(1)4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O4ΝΗ3+2ΝΟ+2ΝΟ2→4Ν2+6Η2Ο,(2)6NO2+8NH3→7N2+12H2O6ΝΟ2+8ΝΗ3→7Ν2+12Η2Ο,(3)4NH3+3O2→2N2+6H2O4ΝΗ3+3Ο2→2Ν2+6Η2Ο。(4)反应(1)为标准SCR反应,由于排气中的NO与NO2的比例一般在9∶1以上,此时SCR催化器中主要发生标准SCR反应。反应(2)称为快速SCR反应,研究表明,此反应可以在较低温度下进行,并且在较低温度下反应速率是标准SCR反应的17倍。提高NOx中NO2的比例可以使SCR在较低温度下发生快速SCR反应,有利于提高NOx转化率。因此,提高尾气中NO2的比率是提高SCR转化率的有效途径。SCR本身对S不敏感,我国燃油品质较差,含S量偏高,因此SCR适合在我国使用。但是SCR技术通常需要前置DOC调节NO2比例,或者后置DOC来处理泄漏的NH3,而DOC一般都是对S敏感的,这就影响了SCR在国内的应用。只有通过提高燃油品质,降低燃油中的S含量来解决这个问题。为同时去除排气中的NOx和PM,需将不同排气后处理技术合理结合。3.1.5两种后处理方案的对比DOC+DPF+SCR的布置方案见图4。DOC在组合式排气后处理系统之前,可以将排气中的CO,HC和PM氧化成CO2和H2O,有效降低PM,所以可以在机内优化燃烧的情况下只采用DOC来达到PM排放标准。另外DOC可以将部分NO氧化为NO2,从而提高NOx转化速度。本研究只对SCR+DOC+DPF系统进行分析。方案一的优点是有利于DPF再生,可以有效地利用NO2的被动再生作用,减少有源再生的次数,提高整机的经济性;缺点是DPF有源再生时的高温与热应力将影响SCR。因此,要求SCR的催化剂不仅低温时有较高的NOx转化效率,而且具有较好的高温稳定性。另外在冷起动时SCR进口排气温度很低,使NOx排放增加。方案二的优点是可以减少SCR的加热时间,从而减少冷起动和低负荷工况下的NOx排放,此外,由于DPF后置,DPF主动再生时,降低了燃料燃烧峰值热应力对SCR的影响;其缺点是排气到达DPF时温度低,不利于DPF的被动再生,从而增加了有源再生的次数,使燃油消耗率增加。两种排气后处理方案在不同的温度下NOx转化效率见图5。当温度低于180℃时,方案一的NOx转化效率高,即DPF前置,SCR后置;当温度在180~240℃时,方案二的NOx转化效率高。方案一中由于排气到达DPF时温度较高,利于DPF的再生。Urea在DPF之后喷射入喷气管中,进行快速SCR反应。但由于排气温度可能过低,导致NOx转化效率降低。方案二对DPF的再生提出了更高的要求。研究发现,采用SCR与DPF集成技术在多种发动机多种测试工况下对NOx和PM的转化率可以同时达到75%~90%,并且对HC,CO的减排也有很好的效果,经过合理优化的SCR+DPF后处理系统在各种测试工况下都可满足目前严格的法规标准。3.1.6重型车pm排放技术路线对比由于POC需要较高的再生温度,因此通常需要与DOC配合使用。相对于DOC+DPF系统,DOC+POC系统成本低,在轻型柴油机中有一定的应用前景,但用于重型柴油机仍需面对一系列问题,主要是POC净化PM能力有限,使用时间较长后PM净化效果较差,而法规对于重型车PM排放要求比较严。SCR+DOC+DPF/POC技术路线的燃油经济性好,而EGR+DPF路线的燃油消耗率相对增加1%~2%,在欧Ⅴ阶段欧洲几乎所有重卡公司都采用SCR+DPF路线。由于美国燃油价格较低,尿素供应系统及其相关基础设施建设尚未健全等因素,美国US2007阶段主要采用主动再生EGR+DOC+DPF技术来满足排放法规。3.2egr-dopf集成技术3.2.1egr对燃油及烟度的影响废气再循环(ExhaustGasRecirculation,EGR)是目前降低柴油机机内NOx生成的一种有效措施,冷却EGR系统是在EGR的基础上,对废气冷却后再进入下一循环,使进气充量的温度降低,节流损失降低,新鲜进气充量相应有所增加,过量空气系数增大。另外,混合气温度降低使滞燃期有所增加,同时放热率曲线和放热率峰值相位后移,燃烧最高温度降低。因此,相对于普通EGR系统,采用冷却EGR有利于降低NOx排放及烟度,对发动机性能有更进一步的提高,是今后降低柴油机排放的一个重要方向。但EGR系统在降低NOx的同时将导致过量空气系数下降,并对混合气的形成和燃烧进程产生不利影响;随着EGR率的增加,过量空气系数降低,燃油经济性变差;并且发动机能发出的最大有效压力pme随EGR率的增加而有所减小;另外,随着EGR率的增加,发动机排气烟度也随之增加。因此,采用该技术路线满足国Ⅴ排放法规的先进柴油机应综合考虑排放、动力性和经济性等因素,选取冷却EGR系统的最优EGR率,加置排气后处理系统去除产生的PM。3.2.2排放标准对发动机扭矩性能的影响柴油机EGR+DOC+DPF系统的结构布置见图6。通过EGR与DPF的合理集成,可有效除去排气中的NOx和PM,但是随着排放标准越来越严格,EGR的缺点也越来越明显:EGR率随NOx排放限制降低而增高,使燃油消耗率不断增加;随着负荷的增加,EGR对发动机扭矩性能的影响逐渐显现;含S量过高的燃油不仅降低EGR的反应活性,对PM排放也有恶化作用。3.3lt+学术型dpf组合技术3.3.1nox-nfp降低NOx的另一个研究方向是稀燃NOx捕集(LeanNOxTrap,LNT)技术,LNT的NOx吸收率可达90%以上,与发动机系统进行合理集成后可有效减少排气中的NOx。LNT关键部件是具有NOx吸附能力的碱金属化合物。以含碱金属钡(Ba)的吸附材料为例,LNT的工作原理见图7。ECU通过分析LNT前后温度、NOx浓度等传感器测得的信号,来控制LNT进行捕集吸附NOx或是还原再生。当ECU判断出LNT载体还未达到NOx吸附饱和状态,则控制LNT继续捕集吸附NOx,排气中的NO在金属Pt的催化作用下被氧化成NO2,然后与吸附剂中的碱金属Ba反应生成较稳定的化合物Ba(NO3)2;当判断已达到饱和状态,则调整发动机的工况使其达到富燃条件,此时Ba(NO3)2分解释放NOx。NOx再通过金属Rh,Pt的催化作用与HC,CO和H2发生还原反应,生成N2。由图7可知,燃油中含有的S对LNT的NOx吸附效率影响极大。S燃烧生成的SO2会与吸附催化剂发生类似于NO的反应而生成更为稳定的BaSO4,阻碍LNT对NOx的吸收。另外,燃烧生成的SO2可与机油燃烧排放物反应生成硫酸盐。这些硫酸盐会增加烟度或覆盖在催化剂的表面影响催化效果。因此LNT仅适用于低S含量的柴油燃料,或者需要引入S捕集器(LeanSulfurTrap,LST)来净化排气中的S。GordonBartley和MagdiKhair在所作的研究中指出,采用LST技术捕集燃烧产生的SO2以保护LNT,可以使LNT在更长的时间内保持较高的NOx吸附效率。试验中用含SO2体积分数为1500×10-6的排气通过LNT,未装LST时LNT的NOx吸附率经过1.7h后下降到80%,而LNT在LST的保护下NOx吸附率降到80%需要8h。对于同样对S敏感的DOC和DPF等,也可以加装LST。3.3.2