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  山东大学学报(工学版)  2017, Vol. 47 Issue (4): 70-76  DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.047
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白凤月, 温邦耀, 白书战. Urea-SCR系统尿素结晶现象分析及解决方案[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(4): 70-76. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.047.
BAI Fengyue, WEN Bangyao, BAI Shuzhan. Analysis and optimization of urea deposits formation in urea-SCR systems[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2017, 47(4): 70-76. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.047.

基金项目

国家重点研发计划资助项目(2016YFD700705-01);山东省重点研发资助项目(2015GSF117013);山东省农机装备研发创新计划资助项目(2016YF003)

作者简介

白凤月(1993—), 男, 河北沧州人, 硕士研究生, 主要研究方向为内燃机排放控制及结构优化. E-mail:1204169515@qq.com

通讯作者

白书战(1979—), 男, 山东聊城人, 副教授, 博士, 主要研究方向为柴油机燃烧及排放控制技术. E-mail:baishuzhan@sdu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-02-08
网络出版时间:2017-03-31 15:20:00
Urea-SCR系统尿素结晶现象分析及解决方案
白凤月, 温邦耀, 白书战     
山东大学能源与动力工程学院, 山东 济南 250061
摘要:通过利用热重-红外联用(thermo-gravimeter-fourier transform infrared spectroscopy, TG-FTIR)技术检测尿素沉积物成分及利用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)技术模拟排气系统中气流运动, 分析尿素选择性催化还原(urea selective catalytic reduction, urea-SCR)系统中的尿素结晶现象。针对尿素喷雾碰壁问题及雾化不良问题, 根据CFD仿真结果提出一体式喷嘴座结构和集成式喷嘴座封装结构, 然后利用柴油机台架试验优化尿素启喷温度和喷射速率。试验结果表明:当尿素启喷温度为272 ℃或喷射速率为5 g/min时, 两种优化结构中均无尿素沉积物生成, 解决尿素结晶结石问题, 为柴油机SCR系统优化设计提供依据。
关键词柴油机    尿素选择性催化还原系统    尿素沉积    结构优化    尿素喷射策略    
Analysis and optimization of urea deposits formation in urea-SCR systems
BAI Fengyue, WEN Bangyao, BAI Shuzhan     
School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China
Abstract: Urea crystallization in the urea selective catalytic reduction (urea-SCR) system was analyzed by detecting the components of the deposits with thermo-gravimeter-fourier transform infrared spectroscopy (TG-FTIR) technology and simulating the air motion in the exhaust system with computational fluid dynamics (CFD) technology. To solve the problem of urea solution hitting the wall and poor atomization, the integral nozzle mountings structure and integrated nozzle seat package structure were put forward based on the CFD results, and the exhaust temperature when it started to spray and the injection rate of urea solution were optimized with engine bench tests. The results indicated that there were no urea deposits in the optimized structures when the exhaust temperature reached 272 ℃ or the injection rate of urea solution reached 5 g/min, thus solved the urea crystallization problem, which could provide effective methods for design and optimization of SCR systems for diesel engines.
Key words: diesel engine    urea-SCR system    urea deposition    structural optimization    urea injection strategy    
0 引言

Urea-SCR技术是重型柴油机满足国Ⅳ及以上排放标准的主要手段之一[1-2], 以质量分数为32.5%的尿素溶液作为还原剂的SCR技术, 通过与燃烧匹配优化, 可以有效降低柴油机氮氧化物排放, 同时还能改善燃油消耗。随着国Ⅳ排放法规的实施, Urea-SCR技术在车用柴油机上得到越来越广泛的应用。但该技术在开发和应用中也存在一些问题, 如尿素结晶、结石。选择性催化还原过程包含复杂的物理变化和化学反应, 例如尿素水溶液的雾化、蒸发及水解、液滴与柴油机排气的动量和能量交换、液滴碰壁、液膜形成、氮氧化物的催化还原等[3-6]。柴油机的运行工况多变, 导致尿素水溶液喷射到排气中的雾化蒸发过程也会随之变化。尿素水溶液分解生成氨气的同时也会产生氰酸、三聚氰酸、缩二脲等产物, 这些沉积物最终会形成结晶甚至结石[7-12]。随着尿素沉积物的累积, 排气背压升高, 导致发动机经济性变差, 严重时会堵塞排气管, 使发动机无法正常工作。高俊华[13]、XU L等人[14]利用气相色谱质谱联机、红外光谱、核磁共振和热重质谱联机等设备对尿素沉积物进行成分分析。ZHENG G等人[15]利用发动机台架试验研究SCR系统布置、排气管壁面温度及混合装置对尿素结晶结石的影响。SALANTA G等人[16]利用模拟计算及发动机台架试验研究不同结构的混合器及管路减少尿素结晶结石的效果, 张纪元等人[17]试验研究排气温度、排气速度等对柴油机SCR系统的尿素沉积物的影响。本研究针对国内Urea-SCR系统开发及应用中出现的尿素沉积现象, 在对尿素结晶结石成分和形成条件进行分析的基础上, 提出SCR系统结构优化和喷射策略优化方案, 为SCR系统设计和优化提供参考。

1 尿素结晶结石现象分析

尿素沉积一般发生在喷嘴位置、喷嘴座下端、排气管内壁和催化剂前端面。

1.1 喷嘴位置的尿素结晶结石现象

整机耐久试验后, 尿素喷嘴处尿素结晶现象见图 1。由图 1知, 尿素喷嘴处生成了大量尿素结晶, 长期发展会导致喷嘴座孔堵塞。

图 1 喷嘴座处的尿素结晶结石现象 Figure 1 Urea deposition on Urea nozzle holder

喷嘴处气流运动仿真结果见图 2。由图 2知, 在尿素喷嘴处出现了局部涡流, 部分喷射液滴随气流在喷嘴座孔套管内旋转, 最终沉积在喷嘴附近的狭缝中, 形成液膜, 水分蒸发后形成结晶并不断积累, 最终堵塞喷嘴座孔。

图 2 喷嘴处气流运动仿真结果 Figure 2 Airflow simulation result at the nozzle position
1.2 喷嘴座下端尿素结晶结石现象

喷嘴座下端尿素结晶结石现象见图 3。由图 3a)知, 喷嘴座下端集聚了大量尿素结晶, 加热后无法消除, 说明结晶已转变为结石。由图 3b)知, 连接管狭长, 喷嘴安装位置不合理, 尿素喷射到管壁上, 形成结晶, 最后发生质变形成结石。另外, 喷嘴座安装方式为焊接, 喷嘴座内积累了一定量的焊渣, 也为尿素结晶形成提供有利条件。

图 3 喷嘴座下端尿素结晶结石现象 Figure 3 Urea deposition under the nozzle holder
1.3 排气管路中的尿素结晶结石现象

由于喷嘴座安装角度在装配中会造成一定偏差, 尿素水溶液被直接喷射到排气管内壁面上。当柴油机在小负荷工况运转时, 排气温度较低, 喷射到排气管内壁面上的尿素水溶液会在排气管内壁面形成液膜, 液膜受热水分蒸发而导致尿素沉积。此外, 管壁温度由于液膜蒸发吸收热量而进一步降低, 加快尿素结晶形成。排气管内壁尿素结晶结石现象见图 4

图 4 排气管内壁尿素结晶结石现象 Figure 4 Urea crystallization and sedimentation at inner wall of exhaust pipe
1.4 载体前端面处的沉积现象

催化剂端面上的尿素沉积现象见图 5。由图 5知, 载体前端面的蜂窝孔内有大量白色沉积物, 而载体后端面的蜂窝孔内没有。这些沉积物会导致载体孔隙变小, 增加排气背压, 影响发动机性能。

图 5 催化剂端面尿素沉积现象 Figure 5 Urea deposition phenomenon in the end face of the crystal

综上所述, 导致尿素溶液产生结晶结石的原因主要包括:

(1) 尿素喷嘴在排气管中的位置及结构设计不合理, 导致液膜形成, 最终产生尿素结晶结石。

(2) 尿素喷射系统故障导致的雾化不良, 尿素溶液在排气管内壁上形成液膜, 最终转变为尿素结晶。到达催化剂载体前端面前还未雾化分解的尿素溶液, 在载体表面形成尿素结晶。

(3) 发动机长期工作在小负荷工况, 导致排气温度低, 尿素分解困难, 最终形成结晶。

2 尿素结晶结石成分及原因分析

分别采集尿素喷嘴、喷嘴座下端及排气管内的尿素沉积物样品, 基于TG-FTIR技术对其进行成分分析。

2.1 热重分析

将SCR系统不同位置的尿素沉积物与纯尿素进行热重分析对比, 温升速率为10℃/min。尿素结晶和纯尿素加热过程中剩余物质的质量分数随温度的变化趋势见图 6(图中ω为剩余物质的质量分数, t为加热温度)。由图 6知, 当温度升高至410℃时, 90%左右的尿素结晶已经分解。喷嘴处和喷嘴座下端的尿素沉积物热分解过程相似, 这说明二者的组分基本相同。沉积物质量在190℃开始下降, 350℃后下降幅度加大, 420℃时剩下原质量的10%, 500℃时只有原质量的5%, 700℃时剩下原质量的1.5%, 之后质量保持不变。排气管内尿素沉积物的热分解过程与喷嘴处及喷嘴座下端的沉积物在220~245℃区间内有所不同, 与纯尿素的热分解过程类似, 说明该位置的尿素沉积物中含有部分尿素; 245℃以上温度区间的热分解过程与喷嘴处及喷嘴座下端沉积物的热分解过程基本一致, 说明3个位置尿素沉积物的主要成分一致。

图 6 沉积物和纯尿素加热分解过程的对比 Figure 6 Comparison of the heating process between the Urea depositions and pure urea
2.2 尿素沉积物加热分解产物红外光谱扫描分析

应用红外光谱对不同位置的尿素沉积物和纯尿素热重分析过程中的分解产物进行扫描分析, 红外光谱中不同位置尿素沉积物的吸收光谱与氨气、异氰酸的标准红外吸收光谱对比见图 7(图中x为吸光度, nw为波数)。由图 7知, 不同位置的尿素沉积物加热分解过程中都只产生了一个吸收光谱的峰值, 纯尿素加热分解过程中产生两个吸收光谱的峰值。尿素沉积物分解产物与异氰酸的光谱吸收图相似, 可以认为这些尿素沉积物分解的主要成分为异氰酸。纯尿素分解产物的光谱吸收图的两个峰值分别与氨气及异氰酸的光谱吸收图相似, 所以尿素热分解过程中首先分解生成氨气, 随后生成异氰酸。

图 7 红外吸收光谱对比 Figure 7 Comparison of the infrared absorption spectrum

由热重-红外联用技术分析结果知, SCR系统中尿素沉积物热重分解的产物主要包括氨气和异氰酸, 氨气主要是尿素分解的产物, 而异氰酸是在350℃以上时生成的。由此知SCR系统中尿素沉积物主要由尿素和三聚氰酸组成。

2.3 生成原因分析

尿素水溶液的分解过程由一系列复杂的化学反应组成[18], 反应过程见图 8。由图 8知, 反应过程中会产生缩二脲、三聚氰酸等中间反应物。附着在排气内壁和载体表面的沉积物高温下受热生成缩二脲、三聚氰酸及三聚氰铵等, 三聚氰胺导致结石生成。这些产物在温度更高时发生分解反应, 若三聚氰胺的生成速度大于分解速度, 会产生尿素沉积物, 同时会增加尿素水溶液碰壁的概率, 这又会加速尿素结晶结石等沉积物的积累。

图 8 尿素分解及结晶形成过程示意图 Figure 8 Reactions involved in urea decomposition
3 解决措施与设计改进方案 3.1 结构设计改进

为适应不同车型的匹配和布置需要, 提出两种改进方案来改善SCR系统尿素结晶问题。

3.1.1 改进方案(一)

原方案为组合焊接式喷嘴座结构, 尿素喷嘴座通过焊接的方式固定在排气管上, 见图 9a)。焊接方式要求喷嘴座凸出排气管壁面较长距离, 这导致尿素容易被喷射到连接管内壁上, 促进尿素结晶结石的形成。

图 9 喷嘴连接结构示意图 Figure 9 Layout of the nozzle mounting

针对组合焊接式结构, 提出一体式喷嘴座结构, 见图 9b)。喷嘴座与排气管连接处为一体式, 流动空间的增大使喷嘴座与排气管连接处的漩涡消失, 减小尿素液滴飞溅到管壁上的概率。

一体式喷嘴座处的气流运动仿真结果见图 10。从图 10知, 一体式喷嘴座能有效防止尿素沉积物在喷嘴座处的积累, 从而降低尿素水溶液在此处形成结晶的风险。

图 10 喷嘴连接处CFD计算结果 Figure 10 CFD Results of integral nozzle layout
3.1.2 改进方案(二)

为促进尿素液滴更充分的雾化、混合及分解, 设计将尿素喷嘴布置在SCR入口的集成式喷嘴座封装结构, 见图 11

图 11 集成式喷嘴座封装结构 Figure 11 The integrated nozzle mounting

尿素水溶液的雾化、混合及分解需要空间与时间, 因此尿素喷嘴后排气管管路的结构要满足尿素水溶液雾化的空间要求, 尿素喷射起始点到壁面的距离要大于喷雾的贯穿距离。喷嘴集成式安装使喷嘴处有较大空间, 降低尿素液滴碰壁的风险。喷射雾化管设在箱体内部, 可以有效防止热量的散失, 消除由于排气管壁温度差造成的尿素结晶结石现象。

集成式喷嘴座封装结构内气流运动仿真结果见图 12。由图 12知, 集成式喷嘴座封装结构不仅能够防止尿素液滴在喷嘴处的集聚, 减少在尿素喷嘴座附近形成结晶的风险, 同时也能减少尿素在排气管内壁结晶的现象。

图 12 喷射雾化管CFD计算结果 Figure 12 CFD Results of the injection atomization
3.2 尿素喷射控制策略的标定

一般情况下, 根据发动机氮氧化物排放分布及氨氮比设定需求计算出所需尿素喷射量。另外, 尿素分解速率随温度降低而迅速下降。因此, 尿素水溶液的启喷温度过低或者是低温下尿素喷射量过大, 都会增加排气管内壁和载体通道内表面上尿素结晶的风险。因此不合理的尿素水溶液喷射策略也会造成SCR系统中的尿素结晶现象[19-20]。由于温度对尿素水溶液的雾化分解有重要作用, 受排气温度控制的氨氮比变得异常重要, 策略标定时要综合考虑柴油机的燃烧和SCR催化反应特性, 在保证柴油机性能要求的前提下, 使SCR系统充分发挥催化效果的同时, 避免尿素结晶结石现象。合适的尿素溶液启喷温度和尿素喷射速率的优化能够为解决这一问题提供支持。

4 试验验证 4.1 一体式喷嘴座结构

为验证一体式结构对改善尿素结晶问题的效果, 在柴油机台架上进行200h的初期耐久试验, 试验结束后未发现尿素沉积现象。柴油机台架耐久试验台及试验后喷嘴座处的沉积物检查结果见图 13

图 13 一体式喷嘴座结构试验 Figure 13 Engine dyno test
4.2 集成式喷嘴座封装结构

为验证集成式喷嘴座封装结构对改善尿素结晶问题的效果, 先后开展200h的柴油机台架初期耐久试验和5000km的道路实车验证试验, 试验后喷嘴座处的结果见图 14, 说明该封装结构能够有效防止尿素结晶现象的发生。

图 14 集成式喷嘴座封装结构试验后实物图 Figure 14 Deposit placed at SCR inlet and injector
4.3 尿素喷射控制策略优化 4.3.1 排气温度对尿素沉积物的影响

柴油机台架试验过程中排气速度为20m/s, 尿素喷射速率为8.3g/min, 排温稳定后30 min后收集各种排气温度下的尿素沉积物。不同排气温度下尿素沉积物生成质量统计结果见图 15(图中tw为排气温度, mu为尿素沉积物生成质量)。由图 15知, 随排气温度增加, 沉积物的生成量减少, 当排气温度升高到272℃时, 基本没有尿素沉积物生成。

图 15 排气温度对沉积物生成量的影响 Figure 15 The influence of the exhaust temperature on the generation of the urea deposition
4.3.2 尿素喷射率对沉积物的影响

柴油机台架试验过程中排气速度为20m/s, 柴油机排气温度分别控制在230℃和245℃, 尿素喷射率分别为8.3g/min和5g/min, 稳定运行30 min后收集尿素沉积物并称质量, 结果见图 16(图中υu为尿素喷射速率, mu为尿素沉积物生成质量)。由图 16知, 随尿素喷射率增加, 沉积物的生成量增加; 当尿素水溶液喷射速率为5g/min时, 在排气温度为230℃和245℃下均没有尿素沉积物生成。

图 16 不同温度下尿素喷射速率对尿素沉积物生成量的影响 Figure 16 Influence of the urea injection rate on the depositions mass at different temperatures
5 结论

本研究分析柴油机SCR系统中不同位置尿素沉积物的成分和形成原因, 针对性的提出SCR系统结构改进方案和尿素喷射策略优化方案, 得出以下结论:

(1) 热重-红外联用技术研究结果表明, 尿素沉积物的主要成分为尿素和三聚氰酸, 加热至500℃以上基本都被热解。

(2) 耐久试验结果表明一体式喷嘴座结构和集成式喷嘴座封装结构都能够有效防止尿素沉积。

(3) 选择合适的尿素水溶液启喷温度, 修正低排气温度下的尿素喷射量, 优化尿素喷射策略, 能够有效减少SCR系统中尿素沉积物。

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