选择性催化还原控制的当前发展状况教材

摘要

选择性催化还原技术（SCR）是一项先进的去处废气中氮氧化物（NOx）的后处理技术（DeNOx）。该技术现在面临一个重要的技术挑战，特别是在高转化率下，因为两种反应物（氮氧化物NOx和氨）都是有毒的，任何一个超标都是非常不理想的。

为了满足现实的需要和满足未来的排放标准，众多的SCR系统布置方式和控制模型已经开发出来。本文简要概述了SCR后处理系统控制模型的发展现状，提供了一个研究SCR控制方式的综合的，结构化的概论。现在的SCR控制技术主要分为三大类：传统的SCR控制方式，基于模型的SCR控制方式和先进的SCR控制方式。对于每种类型而言，其基本的技术是确定的，未来在各类型的技术发展是要解释与弥补其相应的优缺点。

因此本文提供了SCR控制研究领域的当前发展现状概览，这是非常活跃的研究领域，希望对当前各类型的SCR控制发展提供更好的理解，未来该领域的核心是发展满足日益严苛的排放法规的设备这一终极目标。

简介

SCR催化还原反应通过与还原剂反应达到去除氮氧化物(NOx)，其中最典型的还原剂是氨（NH3）。需要催化剂来加速这一还原反应，从而显著减少有害的NOx 的排放。基于尿素的SCR催化剂使用喷入废气中的液态的尿素来产生NH3作为活性NOx的还原剂。典型地，尿素含量为32.5%的水溶液作为柴油机排放处理液搭载在车上。这个浓度具有最低的冻结温度（共熔混合比），所以即使部分冻结的尿素罐也仍然有相同的浓度。喷射系统用于向废气流中提供尿素使之进入SCR催化器中，过程中尿素被分解为气态的NH3同时储存自催化器上。然后废气中的NOx与储存的NH3发生反应，生成氮气和水。尿素的喷射量要控制在能提供高NOx转化率的情况下同时具有较低的氨的泄漏（滑失）。这是一对相互矛盾的目标，喷射更多尿素能够提高NOx转化率，但同时也导致氨的滑失。在高转化率时，误差的余量很小，这使得精确的尿素定量配给技术是一个挑战。在SCR后使用氨氧化催化器（AOC）能够降低NH3的泄漏。这提升了过量喷射的误差余量，但氨氧化催化器在较高温度下才具有好的转化效率，而且这可能产生不需要的副产物N2O。

SCR催化器最初使用在重型固定发动机上，因其有很高的NOx排放，同时稳态工作循环被认为是其主要的工作状态。在以上条件下，可以通过修正氮氨比的SCR开环控制达到合理的转化率。这种简单的方式应用到瞬态工况更频繁的车辆上，更具有挑战性，需要特定的瞬态修正。

SCR的结构

一个典型的柴油机或者稀燃发动机的后处理系统包括柴油催化氧化器（DOC），柴油机颗粒物滤清器（DPF），尿素SCR催化器和可选的氨氧化催化器（AOC）。DOC，DPF，SCR能够结合在各种排气系统组合中［１］。DOC通常布置在最前面以利用废气的高温［２］。ＳＣＲ可以布置在ＤＯＣ的前面或者后面，两种布置方式对不同的装置有好处。例如，［３］下图展示了一种典型的布置方式，ＳＣＲ被布置在ＤＯＣ和ＤＰＦ下游（图１），这种布置的优势在于ＤＯＣ能将ＮＯ转化为ＮＯ２，这能使ＳＣＲ中的ＮＯｘ

转化更有效率。

图１.ＳＣＲ在排气系统中的布置

然而，把ＳＣＲ布置在ＤＰＦ前有助于避免燃油经济性的损失［２］，同时有助于减轻沉积物的形成。可变结构的排气管线后处理装置是可能的。在［４，５，６，７］，集成ＤＰＦ与ＳＣＲ在一个催化器中有助于减少系统的尺寸。在ＳＣＲ系统加装ＮＯｘ捕集装置，在ＳＣＲ启动前吸收ＮＯｘ，ＳＣＲ启动后释放收集的ＮＯｘ，能够显著的改善发动机冷启动时的排放。在ＳＣＲ系统后附加的氨氧化催化器（ＡＯＣ）或者氨滑失催化器（ＡＳＣ）能够减少泄漏到环境中的氨［６］。这同时允许ＳＣＲ系统喷射更多的氨来达到较高的转化率。基于实际因素，车载的ＮＨ３大多数是尿素溶液。

ＳＣＲ系统存在的问题

ＳＣＲ系统的控制和控制相关任务需要满足一系列的问题，最基本的是要满足排放法规，同时避免沉积物和过高温度对系统造成损害。

ＳＣＲ控制系统的主要挑战可以归结为以下几点：

·ＮＯｘ传感器与ＮＨ３的交叉耦合反应

·化学反应速率的高非线性

·集短，中，长的时间尺度的反应于一个系统中。

大多数ＳＣＲ控制策略通常涉及开环与闭环的组合。基于输出反馈（仅依靠传感器）和基于状态（依靠状态估计的模型）都被广泛应用。

模型

为了使控制策略简单有效，ＳＣＲ系统的模型必须要能反应系统的主要特征，同时不应过于复杂而难于矫正和评估。

反应的化学动力学

根据Ｅｌｅｙ－Ｒｉｄｅａｌ反应机理，在催化反应器中的８个主要反应以及有关的化学动力学反应如表１所示。

表１.化学反应机理，根据文献［３９，４８，４９］

根据反应方程速率模型，表1中那些对反应速率有限制作用的反应物都用黑体加粗。（注意，即使同一种类的多个分子被转化，通常只有第一个具有速率限制）。

在以上反应中，NH3表示的是气态的ＮＨ３（以气相存在）。S代表的是未被占据的催化剂活性位，（NH3）s代表的是NH3分子被吸收在活性位上（在固相中）。只有吸附在活性位上的NH3，即（NH3）s是具有活性能与NOx发生反应的分子（3-5,8）。

表1中的前两个方程式表示NH3分子在催化剂的表面的吸附与解析，这决定了催化剂表面NH3的平均覆盖率。

接下来三个是在不同化学计量比和动力学的情况下的选择性催化还原反应（3-5）（在表2中以高亮表示）。它们都通过与NH3结合来分解NOx，相关的反应速率取决于NO与NO2之间的比值。第一个反应被称为快速SCR反应，它需要NO与NO2同时存在，且NO与NO2之间的比值接近于1。任何过量的NO将导致第二个更慢的反应，我们通常称为标准SCR反应。过量的NO2将通过第三个反应来转化，它的反应速率比标准反应更慢。

表2，关键的SCR反应

表1中的第6个反应是指催化剂表面的NH3被氧化，这会导致NH3的损失。第7个反应是指NO被氧化为NO2，大多数SCR催化器中不会发生相关的反应，但它在氧化催化器（DOC）中有显著的速率。

NO2会进一步发生化学反应（8），是N2O的主要来源。由于它较低的反应速率，所以它不是影响NO2平衡的主要反应，但如果N2O要考虑在内的话，该反应是主要的，基础的反应。

作为替代阿累尼乌斯化学动力学反应，使用粘附方程来描述吸附反应。它是基于一个单独随机性的局部模型，而不考虑活化能，从而导致了一个略微不同的动力学模型。