尿素选择性催化还原转化器分析技术(第2部分)——催化剂反应过程模拟

作为一项极有前途的能降低柴油机氮氧化物(NO_x)排放的技术,尿素选择性催化还原(SCR)系统受到了广泛关注。开发了尿素SCR催化反应模型,用于分析催化剂表面尿素的分解反应及其详细的化学反应。通过对催化转化器内部的直接测试分析,证实了尿素分解反应模型的有效性。采用新开发的模型,可以成功地预测安装尿素SCR系统的车辆在各种实际行驶条件下的废气(如NO_x和氨)排放性能。

尿素选择性催化还原转化器分析技术(第1部分)——还原剂转化过程测试

为了分析尿素选择性催化还原(SCR)转化器中还原剂的转化过程,开发了2种诊断技术:一种用于测量氨(NH_3),另一种用于测量包括未参与反应的尿素和异氰酸在内的还原剂总量。这些技术适用于测量SCR转化器入口及内部的还原剂形态。揭示了尿素→NH_3的转化率,以及催化转化器入口的还原剂分布,同时也分析了催化转化器内部的尿素→NH_3转化率随时间的变化趋势。

选择性催化还原系统尿素分解研究进展

选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)技术是降低柴油机氮氧化物(NO_(x))排放的有效手段,而在柴油机urea-SCR系统中,尿素分解在NO_(x)还原过程中起着重要作用。阐述了尿素分解的研究现状,重点讨论了副产物的反应路径和反应温度。分析了催化剂对尿素分解的催化作用,总结了减少沉积物的4种措施。提出了未来技术改进的3个方向:研究实际工况下的详细反应机理;使用详细分解机理进行数值模拟同时降低时间成本;使用催化剂提高中间体的反应速率。

煤粉工业锅炉的选择性非催化还原脱硝性能试验改进

采用选择性非催化还原(SNCR)脱硝须克服脱硝效率偏低和氨逃逸严重等现象,对其进行试验改进可提升多种类型锅炉的脱硝性能。基于煤粉工业锅炉SNCR试验系统,通过试验测量2种炉膛结构、不同容量的煤粉工业锅炉炉膛温度分布,从喷枪支数、温度和SNCR等方面阐述对脱硝性能的影响,对4个供热站的15台锅炉进行SNCR优化改造,增加喷枪开孔和电磁流量计并改造SNCR系统管路,进而对SNCR优化改造效果进行评估,从而研究单喷枪和多喷枪组合对选择性非催化还原(SNCR)脱硝性能的影响。结果发现:喷枪组合的脱硝效率一般优于单喷枪,主要取决于炉膛内温度分布,即需获得最佳脱硝反应温度和氨氮物质的量比及找到锅炉SNCR的最佳喷枪位置;当炉膛截面平均温度为800~900℃、氨氮比为1.5~2.0时,SNCR可达到较好的脱硝效率且氨逃逸较低;对供热站改造前后的脱硝反应剂用量进行分析,发现改造后的尿素用量比未改造前总体降低23.2%,液氧用量总体降低75.3%,即改造后的尿素用量和液氧用量均显著降低,说明供热站SNCR改造能够大幅降低煤粉锅炉的运行成本。

基于计算流体力学的柴油机选择性催化还原系统尿素水溶液喷雾特性分析

为探究影响柴油机排气管尿素水溶液(urea water solution,UWS)雾化效果的因素,搭建了UWS喷射试验台架,通过激光粒度仪测得尿素液滴粒径分布,并运用Rosin-Rammler函数对试验获得的累积粒径分布进行非线性拟合,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对柴油机负荷工况、UWS喷射温度和排气管壁温3种不同因素对UWS喷雾雾化特征、NH3浓度分布及液膜形成的影响进行仿真计算。结果表明:低负荷工况下的排气流量和温度低,UWS喷入量少,尿素液滴分解NH3的速率较低,80 ms时刻NH3主要分布在排气管中游;中高负荷工况,排气温度高、UWS喷入量多,有利于尿素蒸发热解生成NH3,该时刻NH3浓度区域偏离轴线,贴近排气管上表面;喷雾液滴粒径随UWS喷射温度的升高而减小,范围在1~12μm,空间内NH3浓度小幅增加,液膜沉积率随喷射温度升高显著降低;排气管壁温对UWS喷雾液滴粒径和蒸发热解速率影响较大,壁温升高加快了液滴粒径减小的速度,当壁面温度为473K时,150ms时刻下液滴粒径主要集中在30μm以下,附着壁面的液膜厚度明显减小直至消失,尿素结晶问题得以改善。

选择性非催化还原脱硝温度窗口内尿素液滴的蒸发和转化特性

主要围绕SNCR温度区间内尿素液滴的蒸发和转化特性开展研究。建立了尿素液滴蒸发和转化过程的在线观测实验系统和数据处理方法,可定量化描述蒸发和转化过程中的尿素液滴粒径变化。实验发现,尿素液滴在高温环境中主要经历了水分蒸发和尿素分解两个阶段,水分蒸发阶段的特征与单质水基本一致,尿素分解阶段的特征与单质尿素基本一致,在尿素分解阶段伴随有微爆现象。温度、尿素溶液浓度的增加会缩短尿素液滴第1阶段的标准化蒸发时间,加剧第2阶段的微爆现象,而液滴初始粒径对第1阶段的影响较小。

谁将胜出 选择性还原催化转化器VS废气再循环

与载货汽车不同，欧洲一些更为环保的客车车型并没有得到政府税收上的优惠，政客们也仅仅热衷于在研制的新型环保客车前留影哗众取宠，此时客车的价格是不在考虑之列的。

选择性催化还原转化器的新发展

谈论柴油机总绕不开博世公司和大陆公司。在过去的20年中,这两家系统供应商对柴油机的繁荣发展起到了决定性的作用。最近,这两家公司已分别开发了新技术,实现了NOX排放值明显低于法规所规定的排放限值。这些措施效果明显,例如在不同的运行工况下点喷射精确的尿素量,而且喷束的几何形状能适应各自的废气排放装置。此外,新技术还设置了与整车连接的系统接口。

无源氨选择性催化还原三效催化转化器的设计——适用于稀燃火花点燃直接喷射汽油机的排气后处理系统

稀燃火花点燃直接喷射汽油机技术能改善燃油经济性,然而,稀燃运行时的氮氧化物(NO_x)还原始终是实施有效节能技术的主要障碍。一些被广为应用的排气后处理技术包括了稀氮氧化物捕集和有源尿素选择性催化还原(SCR)技术,其缺点是材料成本高,并且需要用户干预尿素溶液充注。报道了一种既简单成本又低的无尿素的无源氨(NH_3)-SCR系统,它具有在稀燃汽油机中应用的潜力。这种无源NH_3-SCR排气后处理系统的关键组件包括紧耦合式三效催化转化器(TWC)和置于车底的SCR系统。可以通过短暂的发动机富油燃烧运行在三效催化转化器中生成NH_3,然后将它储存在车底的SCR催化转化器中。在新欧洲行驶循环的瞬态循环稀燃运行时,通过TWC的NO_x会被SCR催化转化器内储存的NH_3还原。TWC的设计对NH_3的生成至关重要,并对低排气温度下碳氢化合物及一氧化碳排放的降低起关键作用。总之,试验证实,无源NH_3-SCR是一种适用于稀燃火花点燃直接喷射汽油机的高效、低成本的稀NO_x后处理技术。详细介绍了该系统,以及包括稳态试验结果在内的其他结果。

电站锅炉选择性非催化还原脱硝实验研究——还原区温度、尿素溶液喷射体积流量的影响

对一台HG410／9．8-YW15型煤粉锅炉，在常规煤粉再燃技术改造的基础上进一步结合了使用尿素溶液喷射的选择性非催化还原（SNcR）技术．实验主要在280、345、410t／h 3个负荷下进行．实验结果表明，各个负荷下，SNCR技术可以将NOx排放降至低于200mg／m^3（标准状态、6％O2体积分数、干态），达到40％～60％的脱硝效率．应选择950℃左右的喷射层进行喷射为宜，温度过高或过低均会导致脱硝效率的降低，过低的温度还会使得尾部NH3排放大量增加．通过增加层喷射体积流量可以提高脱硝效率，在实验范围内得到的层最佳喷射体积流量为1．0～1．6m^3／h．同时，增加层喷射体积流量对NH3及N2O的减排也是有益的，而喷人的水量会对锅炉效率造成约0．5％的损失．

沥青基球状活性炭担载尿素用于NO_2的低温选择性催化还原行为研究

将作为还原剂的尿素担载于沥青基球状活性炭(PSAC)上研究了NO2的低温选择性催化还原(SCR)反应。结果表明,PSAC上尿素担载量的提高可以增大NO2与尿素的反应几率;当尿素担载量由8%提高到30%时,SCR反应脱硝活性显著提高,脱硝时间相应延长。在30～90℃,升高反应温度会减小NO2在PSAC表面的吸附量,从而导致NOx的脱除量减小。增加反应气氛中NO2和O2的浓度均有利于脱硝活性的提高,但当O2进料浓度大于9%时,继续增加O2进料浓度对脱硝活性的改善作用变得微弱。降低空速有利于提高脱硝活性和延长脱硝时间。当反应温度为30℃、空速为2 000 h-1、NO2和O2的进料浓度分别为0.05%和21%时,尿素担载量为8%的PSAC可在49 h内实现85%以上的NOx转化率。

混合器对国六柴油机选择性催化还原系统尿素结晶的影响

针对国六柴油机选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理系统尿素结晶问题,设计了两种不同的混合器结构。利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对两种混合器方案的尿素碰壁位置、尿素轨迹、气流速度、流速均匀性、NH_3均匀性、压力损失等进行了仿真分析和对比,最后通过发动机台架试验验证两种方案的排放性能和结晶性能。CFD分析及试验结果表明:方案二的气流速度、流速均匀性和NH_3均匀性都优于方案一,而方案一的压力损失小于方案二;方案一台架试验的结晶质量为608g,不满足主机厂要求,方案二台架试验的结晶质量为6g,满足主机厂要求。CFD分析和试验结果趋势一致,表明CFD分析是合理有效的。

发电柴油机选择性催化还原系统尿素喷雾锥角的仿真及试验研究

对大功率发电柴油机选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)尿素喷雾锥角进行研究。运用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件模拟了4种不同喷雾锥角尿素混合管内的结晶风险和NH3分布均匀性,通过分析仿真结果,优选出60°和70°两种喷雾锥角的尿素喷嘴。使用选定的喷雾锥角进行结晶对比试验和性能对比试验。结晶对比试验结果显示,60°喷雾锥角的结晶风险明显低于70°喷雾锥角的结晶风险。性能对比试验结果显示,两种喷雾锥角的NOx转化效率基本一致。综合分析仿真结果与试验结果,最终将SCR系统的尿素喷雾锥角优化为60°。

CH_4对于尿素选择性非催化还原脱硝的影响研究

在加热的石英反应器中研究CH_4对于模拟烟气尿素选择性非催化还原(SNCR)脱硝过程的影响。结果表明:添加CH_4可使脱硝曲线向低温方向移动,提高低温下的脱硝效率及脱硝温度窗口宽度,但最佳脱硝效率略有降低,当CH_4添加比由0增大到6.0时,尿素SNCR最佳脱硝效率减少了近14百分点,最佳脱硝温度降低了200℃,当CH_4添加比为2.0时脱硝温度窗口宽度最大,为296℃;添加CH_4可以缓解尿素SNCR体系的NH_3、HNCO逃逸,NH3、HNCO的近零排放温度均下降约150℃,为控制CH_4逃逸,喷入CH_4时应尽量保证喷入处温度不低于850℃;添加CH_4会提高低温下尿素SNCR的N_2O生成浓度,因此低温下N_2O的排放问题要引起足够重视;温度低于1 000℃时,提高氨氮比可以增强CH_4对脱硝效率的促进作用,但高于1 000℃时则起抑制作用。

柴油机选择性催化还原后处理系统的尿素沉积特性

采用非气助式尿素选择性催化还原后处理系统在柴油机试验台架上进行试验,探究不同尿素喷射量、壁面温度及尿素喷射次数对尿素沉积的影响。研究结果表明:排气管的空间布置会影响气流运动,导致排气管内壁面的尿素沉积物非对称分布;在排气温度为200℃、排气流量为200 kg/h、尿素喷射量为270 g、喷射次数为10 800次的条件下,当排气管壁面温度高于140℃时,内壁面的尿素沉积质量与壁面温度呈负相关。当尿素喷射总量为270 g时,尿素喷射次数的增大将增加排气管内壁面的尿素沉积质量和尿素沉积长度。

双级尿素-选择性催化还原系统对柴油机排放特性的影响研究

为满足国Ⅵ排放标准,提出并开发了双级尿素(urea)选择性催化还原(selective catalytic reduction system, SCR)系统及控制策略,并针对该系统在柴油机上的NOx排放特性及对柴油颗粒捕集器(DPF)被动再生的影响进行了台架验证。结果表明:冷态国际统一瞬态循环(WHTC)双级urea-SCR系统NOx转化效率达到89.2%,比单级urea-SCR系统提高了5.4%,冷起动NOx排放显著降低;热态WHTC双级urea-SCR系统NOx转化效率达到99.3%,比单级urea-SCR系统提高了3.0%;对双级urea-SCR系统尿素喷射量采用闭环控制策略,热态WHTC下DPF平衡点碳载量仅比单级urea-SCR系统提高了0.2 g/L,DPF被动再生效果几乎未受影响。

用于SCR催化转化器的尿素添加剂

监近2006年10月实施欧Ⅳ排放法规的最后期限正进入倒计时，对考虑选择性催化还原（SCR）的经营业主而言，到新标准实施之日尚有短短不到4个月的准备时间．在定货或者购买新货车时．必须考虑它是否能满足欧Ⅳ和欧Ⅴ废气排放标准．还得开始准备尿素添加剂（AdBlue）。荷兰尿素生产商英国经营站经理克里斯·海恩斯（Chris Haynes）说．”很难描述货车经营业主打算怎样解决欧Ⅳ排放法规的棘手问题。”Haynes确信．选择SCR而不是EGR的业主将必须尽快地做出决定在哪里得到他们所需的尿素添加剂（AdBlue）。

选择性催化还原系统胶囊式气动尿素泵设计与流量特性分析

针对现有的选择性催化还原系统容积式尿素泵尿素液供给间断对喷嘴喷射特性产生的影响,以及在泵体、喷嘴等部位残留尿素液易导致结晶等问题,设计了一种胶囊式气动尿素泵,并介绍了胶囊泵的结构与工作原理。胶囊泵通过设置泵内腔结构,使其在出液单向阀开启时,胶囊外腔向喷嘴与泵内腔同时供给尿素液;当出液单向阀关闭时,由泵内腔向喷嘴供给尿素液,确保了尿素液周期性连续供给。同时,通过控制电磁阀启闭对胶囊泵气路进行调节,实现了泵体、喷嘴等处残留尿素液回收。对胶囊泵在一个周期内,胶囊外腔排出尿素液总体积V、以及喷嘴、泵内腔分别排出尿素液体积V,V进行了理论计算与分析,并探究了胶囊泵排量特性,分析结果表明胶囊泵的排量V与占空比D成正比,通过设置占空比D即可对其排量V进行线性调节。其次,借助AMESim仿真平台对胶囊泵进行了仿真模拟,深入探究了电磁阀在不同频率f及占空比D时对胶囊泵的响应特性与流量特性的影响。最后,通过试验验证了胶囊泵的流量特性与供给精度,试验结果表明,胶囊泵具有良好的流量调节特性与喷射精度,在占空比10%~80%区间,其供给精度为±5%,质量流量可以在7~56 g/min范围内线性调节,能够满足选择性催化还原系统在不同工况的使用需求。

选择性非催化还原法在电站锅炉上的应用

对一台HG-410／9．8-YW15型煤粉锅炉，在已进行常规煤粉再燃改造基础上进一步结合了选择性非催化还原（selective non—catalytic reduction，SNCR）的改造，即对该锅炉采用了联合Reburning／SNCR技术。通过实验运行表明：当仅有再燃投入运行时，NOx可以低于350mg／m^3（标准状态，6％O2，干烟气）；而当结合了SNCR运行时，NOx则达到了200mg／m^3以下，同时尾部氨泄漏小于7．6mg／m^2。低负荷情况下脱硝率较高，对于51％负荷（φNH3）／φNO）等于1．0），NOx降至160mg/m^3，而此时的尾部氨泄漏只有1．14mg/m^3。此外，根据负荷及φ（NH3）／φ（NO）的不同，单独SNCR技术在再燃的基础上也实现了38．2％-73．9％的脱硝率。尾部烟道中的氨分布呈现出前墙高于后墙的现象。SNCR的投运对飞灰含碳量、排烟温度及CO排放等几乎没有影响，但会造成尾部排烟量的增加，即对锅炉效率造成了约0．5％的损失。

选择性非催化还原脱硝特性试验研究

采用锅炉燃烧模拟装置研究了氨水和尿素的选择性非催化还原（selectivenon—catalytic reduction，SNCR）脱硝性能，考察了工况参数对脱硝效率的影响，并研究了添加剂碳酸钠、乙醇、甘油和乙酸甲酯对SNCR脱硝特性的影响。试验结果表明氨水和尿素脱硝适宜工况参数：温度窗口927-1110℃，最佳反应温度约1000℃，停留时间约为1．2S，氨氮比为1．5。氨氮比为1．5的典型试验条件下时，氨水和尿素的最大脱硝效率为90％左右。一定参数范围内，增加氨氮比、增加停留时间、较高的初始NO浓度都会提高SNCR脱硝效率。烟气中氧浓度增大尿素的脱硝效率明显降低，氨水的还原能力降低不明显。碳酸钠可以拓宽SNCR温度窗口，并使其向低温方相移动。有机添加剂在较低温度下激发还原反应，提高低温下氨剂还原效率，降低了最大脱硝效率。碳酸钠可以减少喷入氨剂引起的CO排放，在较低温度下有机添加剂可不同程度地增加CO排放。