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解决柴油发动机排放问题--SCR技术

2017-03-09 [2210]

      目前,中国的雾霾灾害越来越严重,其中,机动车的排放物已成为雾霾的重要污染源。在机动车中,造成污染zui严重的是柴油车。我国的柴油车发展起步较晚,加上以前长时间“重汽轻柴”的发展政策,使柴油车技术长时间处于落后状态,一些旧式柴油车油耗高,噪声大,黑烟滚滚 。对于柴油机尾气排放后处理,SCR技术是常用的处理方式。

  从2017年1月1日开始,全国范围内已全部执行国五标准。国五作为汽车尾气排放标准,相当于欧盟的欧五标准,欧盟已经从2009年起开始执行,其对氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳和悬浮粒子等机动车排放物的限制更为严苛。从国一提至国五,每提高一次标准,单车污染减少30%至50%。柴油机厂家大多通过机内净化降低碳烟,然后利用SCR系统降低NOx排放的方法来满足国五排放法规对碳烟和NOx的限制。

  下面我们简单了解下SCR技术

  SCR(Selective Catalytic Reduction),即选择性催化还原,其原理是在含有NOx的尾气中喷入氨,尿素或者其它含氮化合物,使其中的NOx还原成N2和水。还原反应在较高的温度范围(870—1100℃)内进行,不需要催化剂,称为选择性非催化还原(SNCR);还原反应在较低的温度范围(315—400℃)内进行,需要催化剂,称之为选择性催化还原(SCR)。由于NH3可以选择性的与NOx反应而不是被氧气氧化,因此反应称为选择性的。目前SCR用到的催化剂主要有TiO2为载体,V2O5为活性物质的平板式催化剂。

  SCR的关键因素有二:一是排气与NH3充分混合;二是按进入反应区的NOx浓度及去除率严格控制NH3的喷入量。

  主要反应方程式:

  4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(1)

  2NO+4NH3+2NO2→4N2+6H2O(2)

  6NO2+8NH3→7N2+12H2O(3)

  3O2+4NH3→2N2+6H2O(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N Ox 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。

  SCR的性能因素:

  1. 催化剂的活性。由于烟气的某些成分引起催化剂中毒,烟气温度过高导致的催化剂烧结,飞灰的撞击造成催化剂的腐蚀等都会降低催化剂的活性。

  2. 烟气温度。烟气温度既决定了催化还原进行的速度,也决定了催化剂的活性。

  典型的SCR系统结构包括尿素水溶液储存、传输、喷射系统,压缩空气系统以及控制系统。其主要部分及功能如下:

  尿素箱:尿素水溶液的储存容器。因为尿素水溶液具有一定的腐蚀性,因此其储存和传输设备应该选用特殊的材料或者进行防腐蚀处理,来防止或减缓腐蚀。

  尿素泵:尿素泵是尿素水溶液传输的动力装置,它将尿素水溶液输送到计量设备中,并且维持一定的压力备用。

  压缩空气系统:尿素的喷射分为压缩空气辅助喷射和无压缩空气辅助喷射两种方式。目前应用较多的是利用压缩空气辅助喷射,采用这种方式就需要用压缩空气系统。其优点是雾化效果好,但是由于使用压缩空气系统导致系统复杂,成本高,而且输送管路中尿素水溶液中的水分蒸发会使尿素晶体析出,堵塞喷嘴;若不使用压缩空气辅助喷射,虽然可以使系统简单,但是雾化效果不好,影响SCR反应的程度,使NOx转化率下降,NH3泄露量大,因此应用不多。

  尿素喷嘴:尿素喷嘴安装在排气管上,将计量设备送来的尿素与压缩空气的混合物顺流喷射进入排气管中,并且尽量使喷出的尿素水溶液均匀雾化,尿素水溶液的雾化程度,与尾气混合的均匀程度对scR反应的程度有极大的影响。尿素水溶液的雾化对喷嘴的型式,数目等都有一定要求,此外,对喷嘴的安装位置也有一定的要求,研究发现喷嘴到催化消声器的入口至少300mm,距离越大混合的效果越好嘲。

  催化转化器:Nox还原反应发生的场所,一般采用蜂窝状的内部结构,为了提高SCR反应的程度要获得尽量大的内表面积,同时也要尽量减小转化器造成的排气背压升高。SCR催化剂附着在催化转化器的内表面,工作时吸附在表面上的NH3与NQ在催化剂作用下发生反应。

  针对空气污染的现状,朝辉推出了两款专为柴油机尾气排放后处理装置DOC/DPF和SCR系统的汽车尾气压力传感器PT124B-245/249系列产品,现已批量投入市场,使用的DOC/DPF和SCR系统完全符合国家排放标准,将明显改善环境质量,为减少雾霾天气做贡献。