尿素水溶液特性及影响SCR效率的若干因素

尿素水溶液特性及影响选择性催化还原SCR后处理装

置催化效率的若干因素

余皎

（潍柴动力技术中心，山东，潍坊，261001）

Characteristics Of Urea Water Solution And Factors Affecting SCR Conversion Efficiency

Yu Jiao

(Weichai Power R&D Center, Weifang, 261001)

Abstract: The selective catalytic reduction (SCR) based on urea water- solution is an effective technique to reduce NOx emitted from diesel engines. However, characteristics of urea water solution and SCR configuration are two issues have to be resolved to ensure high NOx conversion efficiency with SCR. In this paper, the properties of the urea water solution, urea water stability in storage, influence of urea water solution on the wetted materials in SCR box are introduced. For SCR configuration, the CFD code is applied to simulate the flow field and ensure the uniform distribution on both the exhaust velocity and the ammonia concentration at the entrance of the SCR catalyst. Urea water solution deposition on the exhaust pipe wall caused by urea water solution impingement has to be addressed.

Key words: SCR, urea water solution, conversion efficiency

摘要：尿素选择性催化还原系统（SCR）是未来降低重型柴油机的NOx排放的一种有效方式，保证SCR系统在高催化效率下的正常运行是满足排放法规的关键因素,本文首先从尿素水溶液的物理化学特性出发，论述如何合理运输、对保存和使用尿素水溶液提出建议，以及对尿素箱材料选用的要求；另外，从影响SCR后处理装置催化效率的因素的角度，阐述在SCR系统设计中,如何优化布置SCR载体入口前排气混和管，如何确定尿素喷射装置的喷射位置和喷射角度等。利用计算流体力学CFD软件对SCR载体内的流动性能进行计算,保证排气在载体入口的速度、发应物浓度分布均匀，实现高的催化效率。

关键词： SCR； 尿素水溶液；CFD；催化效率

尿素选择性催化还原系统（SCR）是降低重型商用车NOx排放的一种主要方式,SCR系统的基本工作原理是：排气从涡轮出来后，进入排气混和管，在混和管上

安装有尿

素计量喷

射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨，在SCR系统催化剂表面利用氨还原NOx，排出N2，多余的氨也被还原为N2防止氨泄漏。

SCR系统包括尿素水溶液储罐，输送装置，计量装置，喷射装置，催化器以及温度和排气传感器等。图1为SCR系统原理图。

作者简介：余皎（1974－），男，博士，研究方向：柴油机燃烧与排放控制，内燃机工作过程数值模拟计算。E-mail: yuj@

为了更好的发挥SCR的效率,需要对SCR系统催化反应效率的影响因素进行全面深入的分析,本文从尿素水溶液特性和影响载体催化效率的若干因素两个角度对此进行阐述。

1 尿素水溶液特性

商业上用的尿素和水溶液（浓度为32.5%±0.5%)称为AdBlue，它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，常温(20℃)下的密度为1.09kg/m3，呈碱性，其PH值为8.8。欧洲2003年8月公布利用DIN 70070标准定义它的产品属性，见索引图1，日本利用JASO E502标准定义它的产品属性，见索引图2。

尽管更高浓度的尿素水溶液能减少车辆携带的重量，但32.5 %浓度的尿素水溶液提供最低的结晶温度-11℃，从图2我们可以看出更高或更低浓度凝点都提高。另外一个优点是当溶液部分冷冻的时候，溶液浓度不变化，从这个角度出发,我们通常选择32.5 %浓度的尿素水溶液作为反应物。

由于尿素水溶液在运输或者存储的过程中需要长期保存，另外车辆有可能较长的时间不使用，因此必须研究尿素水溶液的稳定性，在正常的储存条件下, 图3表明在96天的时间内尿素水溶液的PH 值，密度都没有发生变化，也没有发生沉积现象，这说明AdBlue浓度不会发生变化，有很好的储存稳定性。

在温度低于11℃时候开始结晶，因此储存容器，输送管露，泵以及喷嘴在环境低于11℃时候，为了防止结晶，都需要加热，尿素箱都有在低温下的加热装置，以解决这一问题，尿素箱的加热一般利用发动机循环水，管路中和喷射装置一般利用电加热；图4为尿素箱的图，其中我们可以看到加热装置。

在高温储存条件下(>50℃)，AdBlue开始分解为缩二脲、氨气、碳酸氨，氨基甲酸盐，这可以由闻到氨的气味检测出来，AdBlue必须保存在低于50℃的温度避免分解。

AdBlue有腐蚀性，必须使用稳定材料制作的容器存储，管道运输以及填充，比如奥氏体钢，铝，以及不同塑料。纯的或者镀锌的钢以及铜和其合金都不适合尿素水溶液。尿素水溶液对金属和橡胶的腐蚀性见下图5。

图3尿素水溶液的储存特性

[1]

图4尿素箱中的加热装置

[1] 图2尿素水溶液不同浓度下的凝结点[1]