柴油机选择性催化还原（Urea- SCR）技术研究进展*

焦运景纪丽伟纪晓静（-上海柴油机股份有限公司　上海　200438 2-天津大学机械工程学院3-北华航天工业学院）



柴油机选择性催化还原（Urea- SCR）技术研究进展*

焦运景1，2，3纪丽伟1纪晓静1
（1-上海柴油机股份有限公司上海200438 2-天津大学机械工程学院
3-北华航天工业学院）

摘要：氮氧化物（NOx）是大气的主要污染物之一，选择性催化还原技术是降低车用柴油机排放NOx的有效措施。概述了尿素选择性催化还原（Urea-SCR）技术的机理，介绍了国内外Urea-SCR技术的发展及应用以及数值模拟技术在SCR中的应用及发展，提出了目前尚待研究的几个问题，展望了SCR研究领域的未来发展方向。

关键词：柴油机氮氧化物SCR

引言

随着我国汽车工业的快速发展，机动车尾气污染已成为我国空气污染的重要来源，其中，氮氧化物由于参与光化学烟雾和酸雨的形成而危害性更大[1]。研究表明，目前国内机动车NOx排放量占总排放量的31%，其中保有量仅占5%的重型柴油车氮氧化合物排放量却占汽车总排放量74%。由此可见，柴油车尤其是重型柴油车已成为我国机动车NOx排放的主要污染源，急需重点控制。为了降低NOx排放，我国针对车辆排放污染的限制日益严格。国家“十二五”规划提出到2015年要求氮氧化合物总量排放减少10%。

尿素选择性催化还原（Urea-SCR）技术因其具有高效率、高选择性、高经济性及耐硫等优点将是未来国内柴油机排放升级主要技术方向[2]。Urea-SCR系统是控制柴油机排放后处理的一种装置，它是将尿素溶液喷射到排气管中，尿素溶液在排气高温下分解为氨气和二氧化碳，氨气在催化剂的作用下，与NOx发生还原反应，将NOx还原为无害的氮气和水，从而降低柴油机的NOx排放。

1 Urea-SCR系统原理及基本化学反应

Urea-SCR系统是控制柴油机排放后处理的一种装置，其示意图如图1所示。它是将浓度为32.5%尿素溶液喷射到排气管中，尿素溶液在排气高温下分解为氨气和二氧化碳，氨气在催化剂的作用下，与NOx发生还原反应，将NOx还原为无害的氮气和水，从而降低柴油机的NOx排放。

图1　 SCR系统原理示意图

1）氨气的生成

尿素水溶液喷射进排气管后，在排气管和催化转化器中，尿素水溶液首先蒸发析出尿素颗粒———CO（NH2）2

尿素热解反应，生成了等摩尔的氨气和异氰酸：

异氰酸进一步发生水解反应：

2）NOx的催化还原反应

标准SCR反应：

快速SCR反应：

反应式（3）和（4）是NOx的催化还原反应中的主要反应；

在NH3选择性还原NOX的同时，同样会发生如下副反应：

在柴油机的尾气排放中，NOx以NO为主，NO通常占氮氧化物含量的85%～95%，因此在NOx的催化还原反应中化学方程式（3）是最主要的反应，但是化学方程式（4）的反应优先级比式（3）高，废气中的NO2和一部分NO能够通过化学方程式（4）快速被消除。经过化学方程式（3）和（4）的反应，大部分的NOx被转化为无害的N2和H2O。

2 Urea-SCR技术国内外发展研究现状及发展动态

2.1国外研究发展及现状

SCR技术原理首先由美国安格（Engelhard）公司于1957年发现并申请专利，其后日本成功研制出现今被广泛使用的V2O5/TiO2催化剂，并于上世纪70年代在燃油和燃煤锅炉等固定污染源上投入商业运行[3]。近十几年来，随着各国机动车辆排放法规的日益严格，应用SCR技术降低车用柴油机NOx排放成了新的研究热点。国外SCR系统研发与生产时间较早，技术也较成熟。美国的康明斯集成式排放控制系统（IEM，Integrated Emissions Management）采用了高效的SCR技术，由电控模块对SCR排气后处理系统进行控制，该电控系统能够根据发动机的实时工作状况，准确地将适量的尿素水溶液喷入SCR装置前端的排气气流中，也可根据发动机的燃油喷射、缸内燃烧和进气状况，对SCR系统的喷射进行同步控制[4]。丹麦的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机催化转化器，该装置可节省4%的耗油量，并可同时降低NOx和烃的排放量，减少柴油燃烧时产生的异味。为了使配备柴油机的商用客车在欧盟地区符合欧Ⅳ及欧Ⅴ排放标准，美国的戴姆勒-克莱斯勒公司已于2005年开始在其卡车和大型车上采用Urea-SCR技术来控制排放污染物[5]。德国的MAN公司采用一种调整的柴油催化转换器（GD-CAT），以加速SCR中NOx的还原；博世（BOSCH）公司也针对SCR的应用开发了由喷射模块（Dosing module）和定量配给模块（Delivery module）组成的SCR应用系统。荷兰的达富（DAF）公司为满足欧Ⅳ及欧Ⅴ排放标准，在其12.9L排量的发动机上采用SCR系统，将燃烧效率大幅度提高，发动机燃油经济性提高[6]。由此可见，国外对SCR技术已较成熟。目前，国外对SCR系统的催化剂的研究较为热门，主要为拓宽催化还原反应温度窗口[7-10]，在较宽的温度范围内降低NOx排放。

2.2国内研究现状及发展

在国内，对车用SCR系统的研究才刚刚起步，尽管上柴、一汽、潍柴、玉柴等国内主要车用柴油机企业也与国外合作开发了适用于重型车用柴油机的SCR系统，并达到了国IV阶段排放标准，但是对SCR系统还需要做进一步深入的研究。近十年来，国内一些高等院校和科研院所也开始对SCR技术进行深入的研究，如山东大学、武汉理工大学、清华大学、浙江大学、天津大学、哈工大、重庆大学等，都展开了尾气催化还原降NOx排放方面的技术研究。

在保证动力性经济性的前提下，降低碳烟的同时，使Urea-SCR系统实现高效的NOx催化转化效率是近年来SCR技术研究的关键所在。影响NOx催化转化效率的因素主要从以下几方面来考虑：尿素的喷射控制、喷入排气管内后的物理过程和化学化程、混合器内的温度场、流场及浓度场分布情况、催化剂的化学性能等。

2.3数值模拟技术在SCR中的应用及发展

在对柴油机的后处理系统进行大量试验研究的同时，与试验研究相结合的数值计算越来越受到研究工作者的重视。数值模拟研究可获得在试验中无法获取的SCR系统内部信息，在短时间内进行广泛的变参数研究，揭示SCR系统内部流体运动与反应规律；模拟计算还可有效减少SCR系统开发的时间和成本。

国外关于三元催化转化器的三维模拟研究起步较早，CFD首先被应用到三元催化转化器的结构设计中。1993年，Herman Weltens等人[11]采用CFD对催化转化器内部的流动进行了稳态模拟；同年，Lloyd-Thomas等人[12]将CFD辅助设计的概念引入到三元催化转化器的开发中，并用实例证明了CFD在催化转化器设计选型中的作用。1996年，Clarkson[13-14]将简化的催化表面反应机理应用到催化转化器CFD计算中，实现了化学反应动力学计算与流体动力学计算的耦合。1998年，Martin等人[15]建立了三元催化系统的CFD模型，并探讨了不同锥扩张管结构对流体分配均匀性及转化器性能的影响。现在CFD与化学反应动力学相结合的方法被广泛用于三元催化转化器的结构优化与性能评价中[16-17]。SCR催化器与三元催化转化器内的过程都包含气体传热传质、多孔介质内流动、催化反应，因此三元催化转化器的模拟研究对SCR后处理系统建模具有一定的借鉴作用。

2005年，DCL国际公司的Ming Chen等人[18]通过CFD模拟还原剂与排气的混合特性，来优化还原剂浓度的分布，从而实现对Urea-SCR系统的优化设计。同年，Soo-Jin Jeong等人[19]对重型柴油机SCR后处理系统的尿素水溶液的喷射过程进行了CFD模拟，分析了喷射压力、喷射位置、喷孔数对催化剂入口NH3浓度不均匀性指数的影响。2011年，Subhasish Bhattacharjee等人[20]通过建立CFD模型对重型柴油机Urea-SCR系统内部的尿素蒸发、热解及水解过程进行了模拟，预测了催化剂入口氨浓度分布，得出催化剂阻力越大，氨的浓度分布越均匀。2011年美国俄亥俄州立大学的谢明锋等，对双Urea-SCR系统的SCR模型进行了研究，建立并发展了完整的SCR后处理系统控制模型和NOx传感器模型；并在后处理控制模型的基础上，对影响催化还原反应中的标准反应和快速反应的主要因素进行了研究[21-22]。同年，美国的Maruthi Devarakonda和Russell Tonkyn，研究了水和碳氢化合物对催化还原反应中的标准反应和快速反应的影响[23]。

在国内，清华大学帅石金等人[24]应用AVL FIRE软件对柴油机SCR系统内的排气流动、尿素水溶液喷射雾化、液滴蒸发、尿素热解和催化剂表面化学反应等整个NOx后处理过程进行了模拟。2009年，江苏大学的王谦采用计算流体力学和化学反应动力学相结合的方法，运用FIRE软件对某Urea-SCR催化器系统进行全尺寸模拟，研究分析了催化器的流场、尿素流动和组份浓度的分布规律[25]。2011年，军事交通学院联合清华大学对配备Urea-SCR系统的重型柴油机达欧IV排放进行了试验研究和一维数值计算分析，分别得出稳态工况和瞬态工况下的NOx转化效率[26]。武汉理工大学温苗苗等人[27]采用CFD与化学反应动力学结合的方法建立了车用Urea-SCR排气后处理系统的数值模型，对尿素水溶液蒸发及热解、催化还原化学反应等过程进行了模拟，并对比了不同排气管结构、混合器、喷嘴结构及位置对催化器NOx转化率的影响。雷达等人[28]利用数值方法对燃煤电站SCR内烟气流场与还原剂的浓度分布进行分析，对比研究了喷氨格栅（AIG）、导流板、整流栅、混合器等流场优化装置对氨氮比不均匀性、速度不均匀性、温度不均匀性、系统压降的影响。武汉科技大学2013年发表了对SCR系统模型参数优化的文章[29]，该研究采用一维数值计算对SCR模型参数进行优化，对发动机瞬态工况下的NOx进行了预测。

3　结论

综上所述，面临世界各国愈加严格的排放法规，科研工作对SCR技术的研究范围还在不断深入。一方面需要SCR后处理系统进行精确控制；另一方面为拓宽催化还原反应温度窗口，以求在较宽的温度范围内降低NOx排放。近年来，对SCR系统的催化剂的研究成为热门课题。

针对我国国情，从目前来看，SCR技术的使用所带来的问题主要包括如下几个方面：

1）SCR系统入口处流动、浓度的分布均匀性会极大影响整个系统的NOx转化效率及NH3泄漏；

2）尿素在低温下易结晶，从而影响转化率。为迎接更严格的排放法规，还需要对现存的问题寻求技术突破口，并深入分析寻求解决问题的方法。

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Diesel Selective Catalytic Reduction（Urea-SCR）
Technology Research

Jiao Yunjing1，2，3，Ji Liwei1，Ji Xiaojing1
1- Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd.（Shanghai，200438，China）2- Mechanical Institute，Tianjin University
3- North China Institute of Aerospace Engineering

Abstract：NOxis one of the main pollutants in the atmosphere, and selective catalytic reduction technology is an effective measure to reduce NOx emissions from diesel engines. The reaction mechanism of Urea-SCR is provided in the article. The technology development and application of Urea-SCR at home and abroad are introduced，and the simulation techniques and development of SCR are also overviewed. Several problems to be studied are proposed in this paper. At last，the future development direction in the field of SCR is presented.

Keywords：Diesel engine，NOx，SCR

收稿日期：（2015-04-13）

*基金项目：上海市博士后科研资助计划资助，项目编号14R21420600。廊坊市科技支撑计划项目，项目编号2014011054。河北省自然科学 ，项目编号E2015409022。

作者简介：焦运景（1971-），女，博士，研究方向为内燃机工作过程与排放控制。

文章编号：2095-8234（2015）03-0075-05

文献标识码：A

中图分类号：TK421+.5