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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 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: 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 2 SCR催化效率的影响因素 2.1 混合管路形状和尿素喷射位置 尿素水溶液喷雾是一个复杂的过程，其中包括液滴的雾化，破碎，蒸发，液滴与气体能量、动量交换，粒子与壁面的相互作用，液膜的形成等。一般采用DDM方法来描述离散液滴分布，它不考虑全部液滴，而只处理其中若干具有代表性的样本。每个样本都代表一定数目的大小和状态都完全相同的液滴。用拉格朗日方法跟踪这些液滴样本的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组微分方程3-4。图6为尿素水溶液液滴轨迹计算结果。在实际排气系统中，由于在某些负荷下排气温度相对较低，而且排气系统管道直径较小，液滴不可避免要撞击到壁面，喷雾撞壁可以导致管道壁面温度降低，当壁面温度降低到一定程度就造成液滴沉积和液膜形成。液膜的蒸发进一步降低了壁面的温度。液滴与壁面碰撞以后的撞壁类型由以下参数决定，液滴速度，液滴尺寸，液滴温度，液滴运动入射角度，粘度，表面张力，壁面温度，表面光洁度。撞壁类型有粘附，反弹，飞溅，发射，蒸发等。通过液膜模型可以计算液膜厚度和液膜在壁面速度图7为管道壁面在一次喷射后液膜厚度计算结果。2.2 SCR载体布置形式 根据欧洲成熟经验5，SCR后处理器载体体积应为发动机排量的2.53倍，并考虑到排气温度以及排气背压对后处理器和发动机本身性能的影响，选择载体直径5.66,长度6，共12个，体积为30L，材料为陶瓷载体。针对常用催化剂的特性选用催化效果相对较好的V2O5。根据所需载体的大小以及整车匹配的需要，确定SCR 后处理器尺寸。催化载体入口的速度分布是否均匀直接影响催化剂的催化转化效率。流速不均匀会在载体中心区域产生过高的气流速度和温度，加剧催化剂的劣化速度，缩短其使用寿命。另外，流速分布不均匀还会导致载体径向温度梯度过大，产生较大的热应力梯度，产生热疲劳破坏。通常利用速度均匀性系数来评价入口的速度是否均匀。速度均匀系数由下面的公式计算2，6、：速度脉动定义：（1）图 5 尿素水溶液对不同材料的腐蚀情况1 图 7 管道壁面液膜厚度分布 图 6 尿素水溶液喷液滴轨迹 通过以上公式计算得到的速度均匀系数越大，入口的速度越均匀，数值越小，速度分布越不均匀。通常需要速度均匀系数在0.8以上。催化载体入口浓度均匀性由类似于速度均匀系数的浓度均匀系数来衡量，计算公式也类似于上式，入口物质浓度越均匀，载体内各部分催化剂都能有效的利用，达到高的催化效果。较高的排气背压不但制约了发动机的输出功率，还影响发动机的燃油经济性，特别是在较高的排气流量和较高的温度下。性能优良的催化转化器一方面应当使排气气流均匀通过催化剂载体从而有效降低汽车排气污染物浓度；另一方面应当产生较低的排气背压，对发动机的动力性和燃油的经济性负面影响较小。通过计算，在发动机排气最大时，SCR系统的压力损失在容许范围内，对燃油经济性的影响也能满足要求。图9为载体中压力分布。3 结论（1）尿素水溶液有其特有的物理化学性质，在尿素溶液的储存和运输和使用过程中必须考虑其性能对SCR系统正常使用的影响；（2）在SCR系统的设计中，混合管路的布置，尿素喷射位置，以及SCR载体的布置对催化效率都有很大的影响，在设计中应重点考虑尿素是否在管路壁面沉积结晶，载体入口气体速度和浓度分布是否足够均匀，最后需要验证SCR系统的压力损失是否满足背压的要求。（4）CFD计算分析是SCR系统设计的强有力的工具，是保证设计合理的前提。4 参考文献 1.Kiminobu Hirata,Nobuhiko Masaki,etc,Development of Urea-SCR System for Heavy-Duty Commercial Vehicles,SAE2005-01-1860 2.Herman Weltens,Harald Bressler,etc,Optimization of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Prediction,SAE930780 3.Johann C.Wurzenberger，.Multi-scale SCR modeling,1D kinetic analysis and 3D system simulation,SAE paper 2005-01-0948,2005 4.Felix Birkhold,Ulrich Meingast,Peter Wassermann,et al.Analysis of the injection of urea-water-solution for automotive SCR DeNOx-Systems:modeling of two-phase flow and spray/wall-interaction,SAE paper 2006-01-0643,2006 5.William R.Miller,John T.Klein.The development of Urea-SCR technology for US heavy duty trucks,SAE paper 2000-01-0190,2000 6.Ming Chen,Shazam Williams.Modeling and optimization of SCR-Exhaust aftertreatment systems.SAE paper 2005-01-0968，2005 7.作者介绍：作者介绍：8.余皎博士，潍柴动力技术中心首席工程师，2003年 3 月加入日本西迪阿特有限公司工作，任CFD 工程师，2006 年 8 月加入潍柴动力股份有限公司，先后负责柴油机性能仿真和 CFD 计算（2）0.850.850.850.830.850.8图 8 SCR 载体入口速度分布及速度均匀系数 图 9 SCR 载体内压力分布截面 分析，柴油机先进燃烧技术，柴油机和后处理集成优