柴油机尿素-SCR后处理技术研究现状

陈全征，曹钢，邹世凡，申梦杰，王乐乐

（华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450045）

1 引言

SCR后处理技术相比其他后处理技术具有燃油经济性好、安全系数高、硫敏感低等诸多优势，是目前国内外主流的柴油机后处理技术[1]。本文综述了尿素-SCR后处理技术的基本原理、研究现状、技术瓶颈以及未来的发展趋势，为科研工作者提供了较好的入门技术指导。

2 尿素-SCR技术的基本原理

柴油机尿素-SCR后处理系统是以 32.5%尿素水溶液作为还原剂，基于特定的喷射控制策略进行喷射。喷入的尿素水溶液与柴油机排出的废气进行混合。由于排气温度的影响，尿素水溶液发生热解反应，生成氨气和异氰酸，生成物伴随尾气一起进入SCR催化器，在催化剂的作用下，异氰酸会水解为氨气和二氧化碳。氨气在合适的温度和催化剂的作用下，选择性和一氧化氮发生反应，生成氮气和水，排入空气中。SCR的系统原理图如图1所示[2]。

尿素的热解反应为：

尿素的水解反应为：

由于柴油机排气中大部分是一氧化氮，此时催化器发生的主要的反应为：

此反应称为标准SCR反应，当排气温度在300℃～500℃时，该反应有较高的反应速率，但是当温度低于 250℃时（冷启动或怠速工况下），反应速率有明显的下降，这也是柴油机尿素-SCR产生沉淀的原因之一。为了在排气温度较低的情况下柴油机SCR系统还能保持一个较高的催化反应速率，相关业内人士通过对催化反应机理研究发现，当一氧化氮和二氧化氮的百分比为1:1时，一氧化氮有很高的反应速率。由于反应速率大约是标准SCR反应速率的17倍，因此该反应称为快速SCR反应，反应的化学方程式为：

3 尿素-SCR技术的研究热点

目前国内各大高校和研究单位的研究方向主要集中在混合器和催化剂的研究上。江苏大学刘军等人设计了一种新的催化器，该催化器加速了尿素的热解和水解。湖南大学谭理刚等人基于fluent软件对有无混合器的催化器和混合器的位置影响进行了仿真，混合器使尾气和氨气混合的更加均匀，混合器的位置对NOx的转化率有重要影响。大连理工大学苏庆运等人基于fire和boost软件对SCR系统内的化学反应和流动过程进行了研究。浙江大学高翔等人对尿素SCR系统的新型催化剂进行了研究，设计并开发了一种新的宽温度窗口催化剂。

4 尿素-SCR技术的技术瓶颈

由于轻型柴油车的空间有限，其SCR催化转化装置通常设计的更加紧凑，例如缩短了催化剂载体的长度，喷嘴和催化器之间的距离以及排气管的长度等，这样就加大了排气流场分布不均匀的可能性，使催化剂载体局部流速过快，缩短反应时间，导致 NOx 排放量上升。同时，催化器内可供排气与尿素水溶液混合的区域减少，不利于尿素热解水解反应的充分发生，从而减少还原剂的生成量，降低催化转化效率。

实际应用中，特别是在低温工况下，尿素不能很好的热解水解，在喷嘴附近、排气管管壁和催化器等位置会产生沉淀[3]，如图2所示，该沉淀降低了NOx的转化效率，增大了机动车的排气背压，严重影响了发动机的性能。

由于轻型车大多是奔跑在城市的道路上，中小负荷以及怠速工况是经常发生的。频繁的多工况就必须有一个严格而又精确的尿素喷射策略[4]。而且当出售的车辆运行一段时间之后，由于受到发动机管理系统各种控制元件损坏和催化剂老化等因素的影响，汽车的排放会有不同程度的恶化，甚至会大大超过法规要求。因此，进行柴油机在线监控与诊断技术的开发和应用的优化也会是制约SCR系统快速发展的瓶颈。

另外高效、经济性好、耐用度高的催化剂的研究也是相关研究人员需要努力的方向。好的催化剂不仅能拓宽SCR催化器的温度窗口，使轻型车更好的适应城市的交通，而且还能保证较高的催化还原效率，避免氨气的逃逸。催化剂载体的优化也需要业内人士的持续关注，一个好的催化剂载体能减小SCR系统的排气背压，减小发动机的燃油消耗率，增加发动机的动力输出。

5 尿素-SCR技术的发展趋势

尿素-SCR技术是一种很有应用前景的柴油机后处理技术，NOx转化率可达80%～90%。但该项技术的研究从未止步，主要在以下几个方面进一步研究：

（1）加大对催化剂的研究力度，使新的催化剂有更高的低温NOx转化效率，同时还要兼顾催化剂的抗硫中毒性能的提高。

（2）优化喷嘴的安装位置、安装角度、数量等，使废气和尿素混合的更加的均匀，同时使催化器进口氨气的均匀性提高

（3）优化系统的结构，例如在排气管部分增加混合器[5]，该结构能很好的提高尿素的热解水解速率，使氨气和废气混合的更加的均匀，缩短排气管的长度，使尿素-SCR的结构更加的紧凑，节省了空间。