SCR系统降低柴油机NO_x排放的试验研究

为船用柴油机 Ｓ 了台架试验 ， Ｃ Ｒ 系统的研究提供试 验参考 。
１ Ｓ Ｃ Ｒ 系统的设计
本试 验 以 尿 素 为 还 原 剂 ， 尿素与一定量水混合 后， 按照还 原 剂 控 制 策 略 喷 入 柴 油 机 排 烟 管 中 ， 在 Ｔ ｉ Ｏ ２ －ＷＯ ３－Ｖ ２Ｏ ５ 催 化 剂 的 作 用 下 将 ＮＯ ｘ 还原成 Ｎ ２ 和 Ｈ ２Ｏ。 １． １ 催化剂的制备 按质量比 ９ 钨酸铵 ０∶９∶１ 准确称取二氧化钛 、 和偏钒酸铵
转化率可达到 ５ ０％ ～６ ０％ 。 最后分析了 Ｓ Ｃ Ｒ 系统 ＮＯ ｘ 转化率相对不高的原因 。 关键词 ：选择性催化还原 ；催化剂 ；氮氧化物 ；转化率 （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ４ ２ １． ５ 文献标志码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ０ ０ １ ２ ２ ２ ２ ２ ０ １ １ ０ ２ ０ ０ ７ ６ ０ ３ － － －
；修回日期 ： ２ ０ １ １ ０ １ ３ ０ ２ ０ １ １ ０ ３ １ ８ 收稿日期 ： － － － －
， 作者简介 ：薛冬新 （ 女， 副教授 ， 博士 ， 主要研究方向为内燃机排放控制 ； １ ９ ６ ２—） ｈ ｏ ｕ ｗ ｅ ｎ ｕ ｎ １ １ １ １＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ。 ｊ
磷 酸 加 入 适 量 的 蒸 馏 水 中， 将蜂窝陶瓷浸入 Ｐ ＶＡ、 取出 后 在 １ 在马弗炉 其中 １ ２ｈ， ２ ０ ℃下干燥２ ４ｈ， 中６ ０ ０ ℃ 下 煅 烧 ２ｈ。 得 到 负 载 Ｔ ｉ Ｏ ２ －ＷＯ ３－Ｖ ２Ｏ ５ 催化剂的蜂窝陶瓷 。 １． ２ 尿素喷射系统的设计 １． ２． １ 材料及设备 喷射系统的动力设备为 Ｅ 辅以 Ｓ—Ｂ １ １ 计量 泵 ， 压力表 、 稳压罐可实现压力与流量的控 背压止回阀 、 制 。 喷 嘴 为 陶 瓷 离 心 叶 片 雾 化 喷 嘴 ，孔 径 为 从尿素箱泵 入 的 溶 液 需 经 过 高 密 ｐ ０． １ｍｍ， ｐ滤芯 过滤器才可进入喷嘴喷射 ， 以防止喷嘴堵塞 。 １． ２． ２ 喷射系统设计及工作过程 图 １ 示出尿素喷射系统流程图 。 将配好的质量 分数为 ３ 计量泵通 ２． ５％ 的尿素水溶液加 入 尿 素 箱 ， 过过滤器将尿素水溶液泵出 。 计量泵的工作压力范 ， 由于计量泵是以脉冲形式工 围为 ０． １～１． ０ ＭＰ ａ 作， 所以为保护压力表 ， 系统设计了稳压罐来稳定喷
距在常温常 压 下 为 ５ 则设计喷嘴到反应器 ８ ０ ｍｍ， 前法兰的距离为 ６ ０ ０ｍｍ。 １． ３． ２ 反应器结构 气体进入反应器采用锥形入口扩张会使反应效
１ １］ ， 。锥形入口与主反应 率提高 ［ 设计锥形角为４ ５ °
左侧 器由 ６ 孔均布法 兰 连 接 。 蜂 窝 陶 瓷 横 向 定 位 ， 由法兰定位 ， 右侧由 Ｍ ２ ５ ０ 外 螺 纹 的 卡 环 定 位。 蜂 窝陶瓷纵向用金属丝网缠裹定位达到减振效果 。 图 ２ 示出反应器装配图 。
·７ 车 用 发 动 机 ２ ８· ０ １ １ 年第 ２ 期
第４个工况为 ３ ７ １ ℃， ＮＯ ６． ２％ ； ｘ 的转化率为 ５ 排温 ２ ２ ５％ 负荷 ， ９ ３ ℃， ＮＯ ７． ９％ 。 ｘ 的转化率为 ４
第 ２期（ 总第 １ ９ ３期） ２ ０ １ １年４月
车 用 发 动 机 Ｖ ＥＨ Ｉ Ｃ Ｌ Ｅ Ｅ ＮＧ Ｉ Ｎ Ｅ
（ ） Ｎ ｏ ． ２ Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎ ｏ ． １ ９ ３ Ａ ｒ ． ２ ０ １ １ ｐ
Ｓ Ｃ Ｒ 系统降低柴油机 Ｎ Ｏ ｘ 排放的试验研究
薛冬新 ，侯文俊 ，宋希庚
图 ４ 负荷特性燃油消耗率曲线
参考文献 ：
［ １］ ｏ ｅ ｂ ｅ ｌ Ｍ， Ｅ ｌ ｓ ｅ ｎ ｅ ｒ Ｍ， Ｋ ｌ ｅ ｅ ｍ ａ ｎ ｎ Ｍ．Ｕ ｒ ｅ ａ Ｓ Ｃ Ｒ：ａ Ｋ － Ｐ ｒ ｏ ｍ ｉ ｓ ｉ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｕ ｅ ｔ ｏ Ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ＮＯ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ ｇ ｑ ｘ Ｅ 图 ５ Ｓ Ｃ Ｒ 反应器前后 ＮＯ ｘ 排放量
１． ２． ３ 还原剂控制策略 尿素水溶液的分解 ： （ 水溶液 ）→ ＮＨ２） Ｃ Ｏ（ ２ （ ； 固态 ） 气态 ） ＮＨ２） Ｃ Ｏ（ ＋Ｈ２Ｏ（ ２ （ 固态 ）→ ＮＨ２） Ｃ Ｏ（ ２ ； 气态 ） 气态 ） ＮＨ３（ ＋ ＮＨＣ Ｏ（ 气态 ）＋ Ｈ２Ｏ → ＮＨＣ Ｏ（ 。 气态 ） 气态 ） ＮＨ３（ ＋Ｃ Ｏ ２（ ＮＯ ｘ 的催化还原反应中主要有两个反应 ： ４ ＮＨ３ ＋４ ＮＯ＋Ｏ ４ Ｎ Ｈ２Ｏ， ２ → ２ ＋６ ２ ＮＨ３ ＋ＮＯ＋ＮＯ ４ Ｎ Ｈ２Ｏ。 ２ → ２ ＋３ 尿素水溶液理 论 需 求 量 根 据 计 算 为 ２． ６ ８ ７ Ａ， 其中 Ａ 为排 气 中 ＮＯ 由反应器前排 ｘ 的 质 量 流 量， 。 放数据确定 由 此 设 计 喷 嘴 孔 径 为 ０． 喷射 ２ ｍｍ， ／ 喷射压力范围为 流量范 围 为 ０． ６ ７ ２～１． ２ ９ ６Ｌ ｈ， 。 ０． ４ ５～１． ２ ＭＰ ａ １． ３ 反应器设计 １． ３． １ 反应器尺寸 空速 对 催 化 性 能 的 影 响 很 大 ， 空速越小催化效
·７ ７· ２ ０ １ １ 年 ４ 月 薛冬新 ，等 ： Ｓ Ｃ Ｒ 系统降低柴油机 ＮＯ ｘ 排放的试验研究
嘴输出压力 。 调节阀用来控制回流多余的溶液以保 通过调节阀和 护计量泵 。 喷嘴压 力 以 压 力 表 测 量 ， 计量泵脉冲调节来给定所需压力 。 由于喷嘴喷孔有 制造公差 ， 为保证喷射流量的精度 ， 喷嘴在试验前需 做压力流量标定 。
［ ］ ６ ８ －
， 待 用。 取 二 氧 化 钛、 钨酸铵在适量
的蒸馏水中溶解 。 加入一定量草酸 （ ＷＯ ３ 与草酸物 ） ， 质的量比为 ２∶１ 用搅拌器水浴搅拌浸渍 １ 浸 ２ｈ， 渍 温 度 控 制 在７ ５ ℃。 浸 渍 后 的 浆 液 在 烘 箱 中 烘干后的固体在马弗炉中 １ １ ０℃ 下 干 燥 ２ ４ ｈ，
图 ２ 反应器装配图
２ Ｓ Ｃ Ｒ 系统台架试验
图 １ 尿素喷射系统流程
２． １ 试验设备 本试验是在 ６ １ ０ ６增压中冷直喷式电控柴油机 试验台架上进行 的 ， 柴油机标定功率为１ 标 ５ ５ｋＷ， ／ｍ 定转速为 ２ ３ ０ ０ｒ ｉ ｎ。 所采 用 的 设 备 有 智 能 油 耗 仪、 ＮＯ Ａ Ｂ Ｂ 空气流量计及水 ｘ 与 烟 度 测 试 分 析 仪、 力测功机等 。 ２． ２ 试验策略 试验设备 示 意 见 图 ３。 将 Ｓ Ｃ Ｒ 系统安装在排 烟管上 。 配制 好 ３ ２． ５％ 的 尿 素 水 溶 液 作 为 还 原 剂 并加入尿素罐 。 检查后起动柴油机 ， 待运转稳定后 ， 按照还原剂控制策略起动 Ｓ Ｃ Ｒ 系统 。 在 Ｓ Ｃ Ｒ 反应 器前后设置两个测点 ， 检测记录柴油机的排放数据 。 对比反应器前后的排放数据， 计 算 分 析 ＮＯ ｘ 的 转化率。
／ Ｐ Ｏ Ｌ ７ ３ ７ ８附则Ⅵ对于船 国际海 事 组 织 ＭＡＲ 舶废气中的 Ｓ 到２ Ｏ Ｏ ０ １ ６年 ｘ 和 Ｎ ｘ 的排放作了限制 ， ／ （ ） 降至 低速机 ＮＯ ７． ０ｇ ｋＷ·ｈ ｘ 的排放限值要从 １ ／ （ ， ／ （ 高 速 机 从 ９． 降至 ３． ４ｇ ｋＷ ·ｈ） ８ｇ ｋＷ ·ｈ） ／ （ ） 。 柴油机机 内 净 化 措 施 已 无 法 满 １． ９ ６ｇ ｋＷ·ｈ 必须要以排放后处理技术 足日益严格的排放 法 规 ， 来达到降低 ＮＯ ｘ 排 放 的 目 的。 目 前 公 认 的 效 果 最
图 ３ 试验设备示意
２． ３ 试验数据对比分析 由于安装 Ｓ Ｃ Ｒ 系统前后负荷特性燃油消耗率 的试验数据并无太大变化 ， 故只给出安装 Ｓ Ｃ Ｒ 系统 。 由 图 可 见， 后负荷特 性 燃 油 消 耗 率 曲 线 （ 见 图 ４） 加装 Ｓ Ｃ Ｒ 系统对 柴 油 机 的 动 力 性 和 经 济 性 没 有 产 生太大影响 。 图 ５ 示出 Ｓ Ｃ Ｒ 反应器前后 ＮＯ ｘ 排放 ／ ， 量的对比 。 本试验转速定在 ２ 第 １ 个工 ０ ６ ６ｒ ｍ ｉ ｎ 况为 １ 排温５ ０ ０％ 负 荷 ， ７ ７ ℃， ＮＯ ｘ 的 转 化 率 为 第 ２ 个工况为 ７ 排温４ ５ ０． ６％ ； ５％ 负 荷 ， ７ １ ℃， ＮＯ ｘ 的转化率 为 ５ 第３个工况为５ 排温 ７． ８％ ； ０％ 负 荷 ，
３ 结束语
试验表 明 ， 以Ｔ ｉ Ｏ ２ －ＷＯ ３－Ｖ ２Ｏ ５ 为催化剂的尿 素Ｓ 空速６ Ｃ Ｒ 系统在３ ５ ０～５ ０ ０ ℃， ０ ０ ０ ０ｈ－１ 的 情 况下 ， 柴油机 ＮＯ 并对 ０％ ～６ ０％ ， ｘ 转化率可达到 ５ 柴油机的动力性和经济性没有太大影响 。 并且排放 的转化效果还有进 一 步 提 高 的 空 间 ， 可以继续进行 优化设计研究 。 本试验的目的 是 为 以 后 的 船 用 柴 油 机 Ｓ Ｃ Ｒ系 统的设计提供参考 ， 为此在考虑试验环境条件 、 系统 的布置和排气背压 分 布 的 同 时 ， 今后还需要研制高 效、 抗震 、 易装卸的 催 化 剂 载 体 ， 并对排气炭烟的处 理和电控尿素喷射系统的闭环控制进行研究 。
（ ） 大连理工大学能源与动力学院 ，辽宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ３ 制备了 Ｔ 在６ 以验证 Ｃ Ｒ 系统反应 器 ， ｉ Ｏ １ ０ ６ 柴 油 机 上 进 行 了 台 架 试 验， 摘要 ：设计了 Ｓ ２ －ＷＯ ３－Ｖ ２Ｏ ５ 催 化 剂，
－１ 在温度为 ３ 空速为 ６ 时， Ｓ Ｃ Ｒ 系统对 ＮＯ ５ ０～５ ０ ０ ℃、 ０ ０ ０ ０ｈ Ｓ Ｃ Ｒ 系统 的 ＮＯ ｘ 排放的转化效率 。 试验结果表明 ， ｘ
［ ］ 并且此技术在欧洲车用柴油 好的是 Ｓ Ｃ Ｒ 技 术 １－２ ，
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冷却后碾磨筛分至小于４ ６ ０ ０ ℃ 下焙 烧 ５ｈ， ０目供 二次浸渍 。 取偏钒酸铵 、 草酸 （ 偏钒酸铵与草酸物质的量比 ） 为 １∶２ 在适量的蒸馏水中溶解 。 加 入 制 备 好 的 小 于４ 用搅拌器水浴搅拌浸渍 ０ 目的 Ｔ ｉ Ｏ ２ －ＷＯ ３ 粉末 ， 得到的浆液在烘箱中 １ 然后 １ ２ｈ， １ ０ ℃ 下干燥 ２ ４ｈ， ， 在马弗炉中６ ０ ０ ℃ 下焙烧５ｈ 冷却后碾磨筛分至小 于４ ０ 目后待用 。 配制 ５％ 的硝 酸 溶 液 ， 将蜂窝陶瓷置入其中浸 ， 干 燥 备 用。 ３ｈ 后取出用蒸 馏 水 冲 洗 ３～５ 遍 ， 按质量比 １ ０ ０∶０． ２ ５∶２ 将 Ｔ ｉ Ｏ ２ －ＷＯ ３－Ｖ ２Ｏ ５ 粉 末、 泡