尿素SCR系统对柴油车NOx排放控制的进展

尿素SCR系统对柴油车NOx排放控制的进展

[来源：本网讯 2007/02/05]

[美] Tennison P Lambert C Levin M

【摘要】与相同技术的汽油车相比，柴油车具有工作效率高、燃油经济性好、HC、CO和CO2排放低等明显优势，但柴油机的NOx排放控制难度较大，这是因为排气中的O2浓度较高，传统的三效催化器无法解决。目前有2种车载系统能降低NOx的排放：以尿素水溶液作为还原剂的选择性催化还原（SCR）系统和稀NOx捕集器（LNT）。研究探讨了SCR的应用。用氨作还原剂的SCR多年来一直用于固定源的排放控制，而尿素水溶液便于车载中制氨，且NOx的高效还原已在Ford车和其他使用尿素的场合得到了验证。在改进的欧洲Ford Focus 1.8 L TDCi柴油机上采用绿色催化系统后，NOx尾气排放可降到超低排放（ULEV Ⅱ）水平NOx 0.05 g/mile①）。排放也达到美国联邦试验规程（SFTP US06）第二阶段（Tier 2）标准（非甲烷碳氢化合物（NMHC）+ NOx 0.14 g/mile）范围内。尿素SCR上游由发动机排出的HC和CO通过氧化催化器来转化，尿素水溶液由Ford公司开发的空气辅助喷射系统喷入废气流中，添加的尿素还原剂用作SCR金属沸石基的催化剂，在稀燃状态下将NOx还原为N2。

1 前言

为了满足未来的排放标准，柴油车的NOx和颗粒（PM）排放是最受关注的问题。柴油车的CO2排放比现今的汽油车约低20%，而燃油经济性有可能高出40%。但是，由于排气中缺少还原物质，因此在稀薄（富氧）废气中去除NOx成了关键问题。用氨作还原剂的SCR技术一直被广泛用于固定源排放的NOx治理[1]。在富氧环境下氨与NOx的反应有较高的选择性，使SCR系统对轻型柴油车具有一定吸引力。与氨相比，尿素水溶液喷射装置更便于车载使用，其可行性已被Ford[2]、Volkswagen[3]、Mack Truck[4]及Daimler-Chrysler[5]公司的应用所证实。

个人用车配装尿素SCR系统需具备以下条件：

（1）在加油站和维修点应有尿素水溶液供给设施；

（2）尿素水溶液的添加方式应便于司机操作。

尿素水溶液供给设施的使用期限已有相关论述[6~8]。其费用由Ford公司基于市场销售情况评估为0.50～3.00美元/gal，由此得出，轻型车中轿车的尿素消耗为4 000 mile/gal，较重的多功能运动车（SUV）为1 000mile/gal，其寿命周期（12万mile）成本约为15～360美元，或小于柴油成本的5%。

添加尿素最好是在汽车加油时通过常规喷油嘴和加油管口同时进行，尿素的这种添加方式较为适宜。个人在这方面无需过多的知识和技巧，只要根据分配器上的提示和标价操作即可[9]。车载中混合添加尿素的方法已在轻、重型车运用上得到验证[10]。

本研究旨在对改进的欧洲Ford Focus 1.8 1TDCi柴油机排气系统，包括氧化催化器、尿素水溶液SCR系统和柴油机颗粒催化过滤器（CDPF）的转化效率进行评估，目的是论证其排放与ULEVⅡ排放标准NOx 0.05 g/mile、PM 0.01 g/mile、NMOG 0.040 g/mile和CO 1.7 g/mile）的可比性。同时也表明其排放达到Tier 2 SFTP US06工况标准（NMHC+NOx 0.14 g/mile）的可行性。试验采用含硫量约5×10-6的低硫柴油。全部车辆试验在美国密执安州迪尔伯恩市的Ford汽车研究和先进工程部的排放控制研究室中进行。

2 试验

2．1 化学试验

一旦与高温废气相遇，尿素水溶液就能迅速分解成氨（NH3）。特别采用摩尔比NH3/NOx＝1（或略低于化学计量比），以避免NH3在流经SCR时“逸出”并随尾气排放进入大气中。另外，在速度和负荷

突变时SCR能够储存NH3并起到暂缓的作用。尿素的分解和NOx的还原过程如下：

尿素分解：

理想的反应生成物应该是N2和NH3的氧化物，而非N2O。另外，在到达SCR催化器表面之前尿素不能完全分解[2]。

用于本研究的SCR催化剂是不含钒的金属沸石基，这一点已被证实，在宽广的温度范围内NOx具有较高转化率（图1）。该温度范围覆盖了车底温度，被典型用于轻型车的试验循环。在催化器中NO和NO2的混合增强了低温下NOx的转化。

图1 假设给料中NO和NO2混合，排气流量为30 k/h时SCR催化剂的典型性能（数据来自试验室单核流动反应器，NH3/ NOx摩尔比设置为1）

已有文献报道金属沸石基催化剂较适合于轻型柴油车。众所周知，沸石能够吸收NH3且吸收能力随温度的升高而降低，这可能导致NH3在流经SCR时逸出。沸石也吸收碳氢化合物（HC），在NH3温度＜400℃时会对NOx的转化不利，同时还影响FTP试验循环下轻型车的性能。硫也是目前存在于柴油和机油中的有毒物之一，所以，使用低硫燃油将使催化剂受到的影响最小。另外，温度<800℃时沸石的功效有限，因此，热管理是影响SCR系统耐久性的关键。

2．2 排气系统、尿素喷射系统和试验装置

图2为排气系统示意图。所有催化剂都是预处理且新鲜的。一个总容积为1.6 L的柴油机氧化催化

器（DOC）紧靠发动机位置安装。DOC在转化排气中HC和CO的同时，也将部分NO转化成NO2。

图2 车载排气系统示意图

采用Ford公司开发的空气辅助喷射系统，在容积为3.7L的SCR催化器上游约55 cm处喷入尿素水溶液。为了达到最好的尿素混合和催化剂表面区域的利用，优化了进入SCR的喷射距离和喷射锥角的设计。利用重量比为30%的尿素水溶液和雾化空气使尾气中的还原剂获得较好扩散。该浓度与含少量水蒸气、尿素重量比为32.5%的低熔化合物相近。假定尿素完全分解，当排气中加入尿素水溶液时，发动机工作过程中进入SCR的NH3/NOx的摩尔比保持在约为1。尿素流率由SCR的平均温度（由SCR前、后2个电阻测温传感器求得）、排气NOx传感器（日本NGK公司，NOx范围1 000×10-6）和发动机的基本参数来控制。基于尿素熔点（135℃）和催化剂活性参数，将SCR入口温度150℃作为尿素开始喷射的起点。尿素水溶液的相关特性见表1。用差压传感器监测CDPF上的碳烟负荷。

2．3 油品试验与环境

车辆试验全部采用含硫量5×10-6的柴油。来自燃油混合物中的柴油是模拟符合美国2007含硫标准的欧洲柴油。与美国典型柴油相比，十六烷值较高而芳香族化合物较低，燃油特性见表2。