1、第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING收稿日期：2023-05-02doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.016低温条件下 SCR 不同载体参数对氨逃逸影响和志高1，段绍斌2，杨辉1，字进远1，郭天伟1（1.671006云南省大理市滇西应用技术大学；2.678400云南省德宏傣族景颇族自治州德宏职业学院）摘要 研究了 3 种不同载体参数（300、400、600目）的载体入口 NH3分布均匀度及 NOX转化效率
2、，重点分析了低温工况下不同载体对 SCR 反应及氨逃逸的影响。结果表明，多孔和薄壁的载体结构在低温工况下对载体入口面NH3分布均匀度有明显提高；随着孔目数不断增多和壁厚的减小，不同方案 NOX转化效率均提高约为 5%，氨逃逸量明显减小。载体的多孔和薄壁结构能明显改善低温下 SCR 催化器的 NOX转化效率和氨逃逸，并有效减少 SCR 催化器尿素结晶可能性。关键词 低温工况；NH3分布均匀度；氨逃逸 中图分类号 U464.172 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0077-06引用格式：和志高,段绍斌,杨辉,等.低温条件下 SCR 不同载体参数对氨逃逸影响 J.农业装
3、备与车辆工程,2023,61(8):77-82.Effect of different carrier parameters on ammonia escape in SCR under low temperature conditionsHEZhigao1,DUANShaobin2,YANGHui1,ZIJinyuan1,GUOTianwei1(1.WestYunnanUniversityofAppliedSciences,Dali671006,Yunnan,China;2.DehongVocationalCollege,Dehong678400,Yunan,China)AbstractTh
4、eresearchanalyzedtheNH3distributionuniformityatinlet,andNOXconversionefficiencyofthreedifferentcarrierparameters(300,400,600/in2),andfocusedontheeffectsofdifferentcarriersonSCRreactionandammoniaescapeunderlow-temperatureconditions.Theresearchresultsshowedthattheporousandthin-walledcarrierstructureco
5、uldsignificantlyimprovetheuniformityofNH3distributionattheinletsurfaceofthecarrierunderlow-temperatureconditions.Withtheincreaseinthenumberofporesandthedecreaseinwallthickness,theNOXconversionefficiencyofdifferentschemesincreasedbyabout5%,andtheammoniaescapeamountwassignificantlyreduced.Theporousand
6、thin-walledstructureofthecarriercouldeffectivelyimprovetheNOXconversionefficiencyandreducetheammoniaescapeoftheSCRcatalystatlowtemperatures,andeffectivelyreducethepossibilityofureacrystallizationintheSCRcatalyst.Key wordslow-temperatureconditions;ammoniadistributionuniformityofNH3;ammoniaescape0 引言柴
7、油机是比汽油机更加节能的内燃机，其主要排放物是 NOX和 PM，NOX还原为 N2难度相对较大1。柴油机富氧燃烧，排放物中剩余氧含量较高，使得转化 NOX的还原反应难以进行2。国 VI 的瞬态测试循环（WHTC）要求 NOX排放限值（PEMS）为 0.46g/kW h；对后处理 SCR 喷射尿素也有新的要求，NH3的泄漏不能超过 10ppm。国 VI 排放法规还要求 NOX排放后处理 SCR 必须加装氨逃逸催化器（ASC）3。另外，国 VI（b）排放要求中增加了整车实际道路排放测试要求和限值，而实际道路的排放量要高于 WHTC 测试，导致发动机尾气净化难度进一步增大4。这对柴油机机内和机外净化
8、技术都是巨大挑战。为满足排放要求，目前国内外通用的后处理技术路线为 DOC+CDPF+SCR+ASC。其中，SCR 主要采用在催化还原装置前端喷射尿素的方式，将NOX还原为 N2，而未参与反应的 NH3直接进入大气，造成氨逃逸现象5。研究表明，SCR 催化反应在低温环境下 NOX的转化效率较低，NOX的不完全转化也是造成 NH3逃逸的主要原因6-7，此外尿素的喷射量也是造成 NH3逃逸的重要原因8。在实际应用中，还原剂的分布不均匀同样对 SCR 的氨逃逸具有显著影响。NH3的不均匀分布会导致 SCR系统空间内氨氮比出现偏差，其平均氨逃逸量随氨氮比的增大而增大9-10。因此，SCR 系统的催化反
9、应均匀性设计、载体的目数、壁厚、催化剂的涂覆及 NOX与催化剂的接触面积对 SCR 的低温反应条件下氨逃逸影响研究尤为重要。本文以四缸直列式高压共轨柴油发动机为研78农业装备与车辆工程 2023 年究对象，搭建了加装 DOC+CDPF+SCR 后处理系统的试验台架，进行了温度与 NOX转化效率的试验、发动机低温工况下氨氮比与 SCR 转化效率的试验；在试验研究基础上，构建并验证了 SCR 三维 CFD仿真软件模型。重点针对目前采用的主流 SCR 和ASC 的目数、壁厚、催化剂类型和涂层厚度进行模拟计算，分析了不同设计方案的NH3分布的均匀性、NOX转化效率及氨逃逸，对低温条件下不同载体参数的
10、SCR 和 ASC 可行性进行了综合评价。1 方案设计1.1 试验设备本次试验研究对象为某四缸直列式高压共轨柴油发动机，主要技术参数如表 1 所示。后处理系统中 SCR 载体涂覆的催化剂为钒基催化剂（V2O5-WO3/TiO2），相关参数如表 2 所示。表 1 发动机主要参数Tab.1 Main engine parameters发动机指标参数缸径 行程/mm95105排量/L2.977额定功率/kW/转速/(r/min)110/3200最大转矩/(Nm)/转速/(r/min)400/16002600最低燃油消耗率/(g/kWh)工况 A工况 B。工况 D 中NH3的滑移量最大，原因是低温工况
11、下随着排气流量较大，尿素喷射量增多，温度较低时空速加快导致 NH3不能反应，因此 NH3的滑移量增大。2.2.2 不同载体结构 NOx 转化效率对比分析图 8 为 A、B 和 D 三个低温工况下 SCR 不同载体方案 NOX转化效率的对比。可见 3 个工况 SCR反应的 NOX转化效率增长趋势相似，转化效率从大到小排序：载体 3 载体 2 载体1 原载体。在低温工况 A 对比载体 1、2 和 3，随着目数增多和壁厚减小，NOX转化效率均增加约 5%，当载体达到 600目时，NOX转化效率比原载体上升近 15%。原因是载体目数增多，单个孔道的直径增大，有较大的催化剂涂层表面积，NH3/NOX与催
12、化剂的接触面积增多，因此反应虽在低温条件下，但载体目数越多，NOX转化效率反而更高。另外，对比不同方案工况 A、B 和 D 中，工况 D 的 NOX转化效率增加量最大，工况 D 中虽 NO2/NOX比值较低，但工况 D 排气温度的升高和催化剂涂层表面积增大，共同促进 SCR 催化还原反应，导致 NOX转化效率增大。2.2.3 不同载体方案尿素壁膜分布对比分析图 9 为 A、B 和 D 三个低温工况下 SCR 不同载体方案尿素壁膜分布仿真对比。如图所示，在相同的低温工况下，随着孔目数增多，载体入口区域尿素壁膜分布变化情况相同，而出口区域的尿素壁膜面积越来越小，原因是孔目数增多催化剂涂层的表面积增
13、大，载体 CAT2 上的 NH3氧化剂与尿素和 NH3的接触面积也增大，尿素和 NH3更多被氧化所导致。不同低温工况下，随着排气流量增多，载体出口区域尿素壁膜面积区域增多，原因是随着排气流量的增多，尿素喷射量加大和空速加快，而SCR 反应时间减少，尿素和 NH3的滑移量增多所导致。综上可知，载体的目数越高，NOX转化效率均保持较高，且载体出口区域的尿素壁膜面积较小，氨逃逸量明显减小，使 SCR 催化器尿素结晶的可能性降低。3 结论（1）不同方案载体参数结构在低温工况下，随着排气流量增大，载体孔目数增多和壁厚减小，对载体入口面 NH3分布均匀度有明显提高。NOX转化效率/%80706050403
14、0201000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0时间/s原载体载体 1载体 2载体 3（c）图 8 不同载体方案 NOX转化效率对比Fig.8 Comparison of NOX conversion efficiency of different carrier schemes（a）工况 A（b）工况 B（c）工况 D（a）（b）1009080706050原载体载体 1载体 2载体 30.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0时间/sNOX转化效率/%1009080706050原载体载体 1载体 2载体 30.00.10.20.30.40
15、.50.60.70.80.91.0时间/sNOX转化效率/%工况工况 A（142.7kg/h）工况 B（156.1kg/h）工况 D（202.1kg/h）原载体载体 1载体 2载体 3Wallfilm:SpeciesMassFraction_VREA_AQ-00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0图 9 不同载体方案尿素壁膜分布对比Fig.9 Comparison of urea wall film distribution of different carrier schemes82农业装备与车辆工程 2023 年（2）随着孔目数的不断增多和壁厚的减小，不同方案 NOX
16、转化效率均增多约为 5%；载体 3在排气温度较低时 NOX转化效率比原载体上升近15%，当温度超过 200，NOX转化效率均超过90%。（3）随着载体孔目数增多和壁厚的减小，低温工况下载体入口区域尿素壁膜分布情况基本一致，而出口区域的壁膜面积减小，氨逃逸量减小显著；载体的多孔和薄壁结构，能显著改善低温下SCR 催化器的 NOX转化效率和氨逃逸。参考文献1 杨东徽,李军.柴油机排放污染控制技术及发展趋势 J.汽车工业研究,2016(08):54-58.2吕玲玲,胡京南,何立强,等.汽油车技术发展对尾气排放影响研究进展 J.环境科学研究,2021,286-293.3 李松峰,张春化,李阳阳,等.柴
17、油车选择性催化还原和氨逃逸催化研究进展 J.长安大学学报(自然科学版),2022,42(1):97-114.4 张凡,李昂,于津涛.车用发动机 WHTC 试验 NOx 排放测量结果的不确定度评定 J.小型内燃机与车辆技术,2015,44(6):18-23+37.5王国仰,张俊,祁金柱,等.重型柴油车尿素 SCR 系统及其控制策略研究进展 J.内燃机工程,2018,39(6):1-10.6SUNLiang,CAOQingqing,HUBingqing,etal.Synthesis,characterizationandcatalyticactivitiesofvanadium-cryptomel
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