SCR后处理系统（共8篇）
SCR后处理系统 篇1
SCR尾气后处理控制技术是目前世界各国特别是欧盟各国普遍采用的控制柴油车尾气排放的一项成熟技术。其基本工作原理就是通过优化柴油发动机缸内燃烧过程, 使燃烧废气中的一氧化碳 (CO) 、碳氢化合物 (HC) 及颗粒 (PM) 等排放物得到有效控制并达到法规要求, 最后对发动机排出尾气中含量较高的氮氧化物 (NOX) 再利用专门的车载后处理系统进行处理, 以满足法规要求。
由于优化缸内燃烧过程主要由发动机生产厂完成, 因此整车厂更为关心的是车载后处理系统的整车集成及匹配设计。
尾气后处理系统的基本组成
SCR尾气后处理系统主要由催化器, 尿素箱, 定量给料单元, 喷嘴, 传感器, 压缩空气罐, 空气滤清器等组成。其系统基本组成见图。其中定量给料单元是保证该系统正常工作的核心控制和执行单元。由于定量给料单元的工作主要依赖发动机的运行工况数据和电控单元控制, 因此CAN线必不可少, 通过CAN线达到电气数据共享和工作指令的传递, 通过系统各元件的协调配合达到最终控制目标。
各部件的主要功能及后处理系统的工作过程
尿素箱用于尿素溶液的储存与供给。在尿素箱上安装有液位及温度传感器。液位传感器用于系统诊断、尿素用量监控及低液位报警等。温度传感器则用于监测尿素溶液的温度, 以确定是否需要启动或者关闭加热装置, 防止溶液冻结或过热。对尿素箱的加热大多利用发动机冷却液来完成, 其冷却液管路的控制电磁阀由发动机电控单元控制。
压缩空气罐用于给定量给料单元提供压缩空气。压缩空气经空气滤清器过滤后再进入定量给料单元。
定量给料单元是SCR尾气后处理系统的核心单元, 也是一个高精度元件。它的微处理器受发动机电控单元ECM控制, 用于将与发动机运行工况所产生的氮氧化物量相匹配的尿素量喷入排气管。在进行给料工作时, 其内部的电动泵根据微处理器接收到的指令从尿素箱吸入所需要量的尿素溶液, 尿素溶液与压缩空气混合并雾化后进入喷射管路。为了保证其正常工作, 该单元还具有自除气和自清洁功能。即在每次工作前, 电动泵以最大工作流量从尿素箱吸入尿素溶液并经回流管返回, 以除去管路中可能存在的空气对计量精度的影响, 该过程称为除气过程。在电动泵停止工作后, 压缩空气会持续供给, 直至将管路中的尿素溶液吹除干净, 以防止尿素在管路中残留结晶阻塞管路, 该过程称为清洁过程。
定量给料单元与尿素箱之间有两条管路相连, 即供给管和回流管。供给管用于给料及除气过程尿素溶液的供给。回流管则主要用于除气过程中尿素溶液的回流。为了保证在较低环境温度条件下后处理系统的正常工作, 防止管路中尿素溶液冻结, 该两条管路采用了电加热装置来进行有效保护。电加热装置的控制继电器也是由发动机电控单元控制。
喷嘴安装于催化器前的排气管道内, 通过喷射管道与定量给料单元相连。主要作用是在给料过程中将雾化的尿素溶液均匀地喷入发动机排气中, 这样将使尿素溶液遇热后分解出的氨能更均匀地分布到排气中。
催化器是SCR尾气后处理系统的另一个核心单元, 兼有尾气催化转化和噪音消声两个功能。其内部由三个独立、串联的单元组成, 分别是氨扩散器、催化转化器和消声器。扩散器的主要作用是将氨均匀地分布到催化器表面。氮氧化物与氨经催化还原反应最终生成无害的氮气和水的过程则是在催化转化器内完成的。催化器还对燃油提出了特殊的要求, 即必须使用符合规定的低硫含量的燃油。若使用高硫含量的燃油, 则其产生的硫化氨会污染催化转化器表面, 这样就会降低催化器的转化效率, 尤其是在低温时的转化效率。
在催化器的入口和出口处各安装有一只温度传感器, 用于检测催化器是否达到要求的温度来保证催化还原反应的正常进行, 并据此确定需要喷入的尿素量。催化还原反应所要求的最低排气温度为200℃。
催化器上还安装有一只氮氧化物传感器, 用于监测经过催化器处理后尾气中氮氧化物的排放是否达到预期的效果。这也是法规要求的车载诊断 (OBD) 系统的一项内容。
车载诊断系统是新排放法规的强制要求, 主要用于保证车辆尾气后处理系统的正常工作。其功能包括车辆通电后系统的自检, 使用过程中尿素用量的监测和低液位报警以及氮氧化物排放超限报警等。
以上就是SCR尾气后处理系统的主要部件。在此对尾气后处理系统的工作过程概述如下。
车辆通电后, 车载诊断系统首先进行系统自检。通过自检后, 方可起动发动机。同时尾气后处理系统也即刻进入工作状态。这时定量给料单元会根据预设指令首先启动电动泵吸入尿素溶液并全部回流至尿素箱, 以除去管路中可能存在的空气。除气过程完成后定量给料单元即转入给料工作过程, 这时发动机电控单元会根据检测到的催化器进出口排气温度以及发动机运行工况参数确定出对应的尿素需要量, 并将指令传递给定量给料单元, 定量给料单元按指令吸入所需要量的尿素溶液, 同时压缩空气进口处的电磁阀开启, 压缩空气与尿素溶液混合雾化后, 被喷射进入发动机排气管。在排气管内尿素溶液中的水分迅速气化, 尿素分解出的氨则随排气一起进入催化器, 再经过氨扩散器进一步混合后, 在催化器表面与氮氧化物经过充分的催化反应, 将大量的氮氧化物转化为无害的氮气和水并随排气排出发动机。随着发动机运行工况及排气温度的变化, 发动机电控单元也在实时地调整传递给定量给料单元的尿素需要量指令, 以保证其良好的氮氧化物转化率水平。在发动机停止工作后, 定量给料单元的电动泵停止工作, 这时压缩空气仍将持续供给, 直至喷射管路中的尿素溶液残留被全部吹除, 防止尿素残留在管路中的结晶造成管路堵塞。
车辆在低温环境中运行时, 若尿素箱上的温度传感器测得温度低于规定值 (一般设定为0℃) , 发动机电控单元就会发出指令开启发动机通往尿素箱的冷却液管路控制电磁阀, 利用发动机的冷却液给尿素箱加热, 防止尿素溶液冻结或解冻已冻结的尿素溶液, 保证后处理系统的正常工作。当尿素溶液温度上升到规定值 (一般设定为7℃左右) 时则断开控制电磁阀, 防止尿素溶液过热。在对尿素箱加热的同时, 电控单元会同时通过控制电路开启尿素箱与定量给料单元之间的管路加热器的控制开关, 利用电加热器给管路进行加热, 防止管路中出现冻结堵塞。
尾气后处理系统的整车集成及匹配设计
SCR尾气后处理系统所需要的尿素为工业尿素与水混合成浓度为32.5%的溶液, 其商品名称是AdBlue。在国Ⅳ排放阶段, 其与燃油的消耗比为5%左右, 因此尿素箱的容积大小可据此设计选择。考虑到低温情况下可能出现的溶液冻结引起体积膨胀, 尿素箱应留有足够的膨胀空间。由于尿素溶液具有较强的腐蚀性, 因此尿素箱及其传输管路的材料选择应特别加以注意, 适合的材料有不锈钢、镁铝合金及中高密度聚乙烯等。尿素箱的出口还必须设有规格为70μm滤网以保证进入系统的尿素溶液的清洁。
定量给料单元是一个高精度元件, 在运输和装配过程中应特别注意轻拿轻放, 避免跌落引起损坏。在整车上布置安装时还应注意其安装方向, 须严格按照生产厂家的安装技术要求保证其正确的安装方向。定量给料单元的正常工作还需要车辆持续提供所需的压缩空气。对重型车辆, 空气消耗量大约为标准状态空气20L/min。对每一种应用类型均应进行空气消耗量的研究, 以确保车辆的压缩空气供应能持续保证定料给料单元的需要。为了保证供给定量给料单元的压缩空气的清洁, 在定量给料单元前的管路中要求使用一滤网精度为5μm的滤清器。另外定量给料单元的耗电量也应在车辆供电系统设计时予以考虑。对重型车辆, 定量给料单元正常工作时的持续耗电量约为32W, 低温环境下内部加热器工作后的稳态耗电量<200W。
喷嘴的理想安装位置应该是在一段笔直的排气管上, 距催化器入口端不小于440mm。在实际应用中, 应确保喷嘴不会位于弯管下游100mm和弯管上游270mm的范围内, 并在排气管内居中布置, 以利于尿素喷入后与排气的均匀混合, 防止在弯管壁形成聚合物残留。从定量给料单元到喷嘴间应采用柔性管道连接, 以适应两者之间可能出现的相对移动。连接管的内衬应采用PTFE材料, 以减少尿素结晶附着在管壁上的危险。该连接管特别是喷嘴端还应具有耐高温性能。
催化器内化学反应正常进行所要求的排气温度不能低于200°C, 因此催化转化器的布置应尽可能靠近发动机的排气出口。
SCR后处理系统 篇2
SCR脱硝系统对锅炉设备的影响及对策
以绥中发电B厂的`烟气脱硝工程为例,介绍了选择性催化还原(SCR)脱硝工艺,并对SCR脱硝系统对锅炉设备的影响进行了分析,提出了解决对策,为新建脱硝系统及脱硝装置改造提供借鉴.
作 者：宁献武 刘树民 刘志杰 何磊 马楠 作者单位：神华国华绥中发电有限责任公司,辽宁,葫芦岛,125222刊 名：电力环境保护英文刊名：ELECTRIC POWER ENVIRONMENTAL PROTECTION年，卷(期)：25(6)分类号：X701.7关键词：SCR 锅炉 空预器 影响
SCR后处理系统 篇3
关键词：尾气排放,SCR尾气后处理,整车集成,匹配设计
1. 概述
伴随社会经济的不断发展,环境污染日益严重问题已受到全社会越来越多的关注。而随着我国汽车产业的迅速发展,汽车尾气排放已成为大气环境污染的重要来源。正是基于这一原因,我国汽车排放法规的升级速度逐步加快。继2008年7月对商用车辆全面实施国三排放法规后,更高要求的国四排放法规的实施日期已不再遥远。为了应对新的排放法规要求,各发动机、主车生产厂均加快了新一代车型的研制开发步伐。
借鉴国外特别是欧盟国家排放控制的成功经验,国内各商用车辆生产厂大多采用了选择性催化还原型即SCR尾气后处理控制技术来降低发动机尾气中有害物的排放,以满足国四排放法规的要求。
2. 尾气后处理控制技术的基本工作原理
SCR尾气后处理控制技术是目前世界各国特别是欧盟各国普遍采用的控制柴油动力车辆尾气排放的一项成熟技术。其基本工作原理就是通过优化柴油发动机缸内燃烧过程,使燃烧废气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)及颗粒(PM)等排放物得到有效控制并达到法规的要求,最后对发动机排出尾气中含量较高的氮氧化物(NOX)再利用专门的车载后处理系统进行处理,以满足法规要求。在后处理过程中,定量给料单元会根据发动机电控单元给出的指令精确地将与发动机运行工况相匹配的尿素量喷入排气管,尿素分解出的氨与氮氧化物在催化器中经过催化还原反应最后生成无害的氮气(N2)和水(H2O)。据测定,SCR尾气后处理系统对氮氧化物的转化率通常能达到60%以上。
由于优化缸内燃烧过程主要由发动机生产厂完成,因此整车厂更为关心的是车载后处理系统的整车集成及匹配设计。
3. 尾气后处理系统的基本组成
SCR尾气后处理系统主要由催化器,尿素箱,定量给料单元,喷嘴,传感器,压缩空气罐,空气滤等组成。其系统基本组成见图1。其中定量给料单元是保证该系统正常工作的核心控制和执行单元。由于定量给料单元的工作主要依赖发动机的运行工况数据和并通过电控单元控制,因此CAN线必不可少,通过CAN线达到电气数据共享和工作指令的传递,通过系统各元件的协调配合达到最终控制目标。
4. 各部件的主要功能及后处理系统的工作过程
尿素箱用于尿素溶液的储存与供给。在尿素箱上安装有夜位及温度传感器。液位传感器用于系统诊断、尿素用量监控及低液位报警等。温度传感器则用于监测尿素溶液的温度,以确定是否需要启动或者关闭加热装置,防止溶液冻结或过热。对尿素箱的加热大多利用发动机冷却液来完成,其冷却液管路的控制电磁阀由发动机电控单元控制。
压缩空气罐用于给定量给料单元提供压缩空气。压缩空气经空气滤清器过滤后再进入定量给料单元。
定量给料单元是SCR尾气后处理系统的核心单元,也是一个高精度元件。它的微处理器受发动机电控单元ECM控制,用于将与发动机运行工况所产生的氮氧化物量相匹配的尿素量喷入排气管。在给料工作时,其内部的电动泵根据微处理器接收到的指令从尿素箱吸入所需要量的尿素溶液,尿素溶液与压缩空气混合并雾化进入喷射管路。为了保证其正常工作,该单元还具有自除气和自清洁功能。即在每次工作前,电动泵以最大工作流量从尿素箱吸入尿素溶液并经回流管返回,以除去管路中可能存在的空气对计量精度的影响,该过程被称作除气过程。在电动泵停止工作后,压缩空气会持续供给直至将管路中的尿素溶液吹除干净,以防止尿素在管路中残留结晶阻塞管路,该过程被称作清洁过程。
定量给料单元与尿素箱之间有两条管路相连,即供给管和回流管。供给管用于给料及除气过程尿素溶液的供给。回流管则主要用于除气过程中尿素溶液的回流。为了保证在较低环境温度条件下后处理系统的正常工作,防止管路中尿素溶液冻结,该两条管路采用了电加热装置来进行有效保护。电加热装置的控制继电器也是由发动机电控单元控制。
喷嘴安装于催化器前的排气管道内,通过喷射管道与定量给料单元相连。主要作用是在给料过程中将雾化的尿素溶液均匀地喷入发动机排气中,这样将使尿素溶液遇热后分解出的氨能更均匀地分布到排气中。
催化器是SCR尾气后处理系统的另一个核心单元,兼有尾气催化转化和噪音消声两个功能。其内部由三个独立、串联的单元组成,分别是氨扩散器、催化转化器和消声器。扩散器的主要作用是将氨均匀地分布到催化器表面。氮氧化物与氨经催化还原反应最终生成无害的氮气和水的过程则是在催化转化器内完成的。催化器还对燃油提出了特殊的要求,即必须使用符合规定的低硫含量的燃油。若使用高硫含量的燃油,则其产生的硫化氨会污染催化转化器表面,这样就会降低催化器尤其是在低温时的转化效率。
在催化器的入口和出口处各安装有一只温度传感器,用于检测催化器是否达到要求的温度来保证催化还原反应的正常进行,并据此确定需要喷入的尿素量。催化还原反应所要求的最低排气温度为200℃。
催化器上还安装有一只氮氧化物传感器,用于监测经过催化器处理后尾气中氮氧化物的排放是否达到预期的效果。这也是法规要求的车载诊断(OBD)系统的一项内容。
车载诊断系统是新排放法规的强制要求,主要用于保证车辆尾气后处理系统的正常工作。其功能包括车辆通电后系统的自检,使用过程中尿素用量的监测和低液位报警以及氮氧化物排放超限报警等。
以上就是SCR尾气后处理系统的主要部件。在此对尾气后处理系统的工作过程概述如下。
车辆通电后,车载诊断系统首先进行系统自检。通过自检后,方可起动发动机。同时尾气后处理系统也即刻进入工作状态。这时定量给料单元会根据预设指令首先启动电动泵吸入尿素溶液并全部回流至尿素箱,以除去管路中可能存在的空气。除气过程完成后定量给料单元即转入给料工作,这时发动机电控单元会根据检测到的催化器进出口排气温度以及发动机运行工况参数确定出对应的尿素需要量并将指令传递给定量给料单元,定量给料单元按指令吸入所需要量的尿素溶液。同时压缩空气进口处的电磁阀开启,压缩空气与尿素溶液混合雾化后被喷射进入发动机排气管。在排气管内尿素溶液中的水分迅速气化,尿素分解出的氨则随排气一起进入催化器,在经过氨扩散器进一步混合后,在催化器表面与氮氧化物经过充分的催化反应,将大量的氮氧化物转化为无害的氮气和水并随排气排出发动机。随着发动机运行工况及排气温度的变化,发动机电控单元也在实时地调整传递给定量给料单元的尿素需要量指令,以保证其良好的氮氧化物转化率水平。在发动机停止工作后,定量给料单元的电动泵停止工作,这时压缩空气仍将持续供给直至喷射管路中的尿素溶液残留被全部吹除,防止尿素残留在管路中的结晶造成管路堵塞。
车辆在低温环境中运行时,若尿素箱上的温度传感器测得温度低于规定值(一般设定为0℃),发动机电控单元就会发出指令开启发动机通往尿素箱的冷却液管路控制电磁阀,利用发动机的冷却液给尿素箱加热,防止尿素溶液的冻结或解冻已冻结的尿素溶液,保证后处理系统的正常工作。当尿素溶液温度上升到规定值(一般设定为7℃左右)时则断开控制电磁阀,防止尿素溶液过热。在对尿素箱加热的同时,电控单元会同时通过控制电路开启尿素箱与定量给料单元之间的管路加热器的控制开关,利用电加热器给管路进行加热,防止管路中出现冻结堵塞。定量给料单元则一般配有自我控制的加热元件防止内部管路冻结堵塞,保证其正常工作。
车辆在运行过程中,若出现尿素缺少或者氮氧化物排放超出限值等问题,车辆诊断系统的故障指示灯就会点亮,提示司机后处理系统出现故障,同时发动机会降低功率输出。维修人员可以通过故障指示灯的闪码显示或直接利用电脑的故障诊断软件获取故障的具体信息,指导故障的排除。
5. 尾气后处理系统的整车集成及匹配设计
尾气后处理系统的各组成单元均需在整车上集成安装,最终形成一个完整有效的后处理系统。在整车集成设计过程中,需确保系统与整车之间以及系统内部各组成单元之间的良好匹配,只有这样才能保证后处理系统的正常工作。
SCR尾气后处理系统所需要的尿素为工业尿素与水混合成浓度为32.5%的溶液,其商品名称是Ad Blue。在国四排放阶段,其与燃油的消耗比为5%左右,因此尿素箱的容积大小可据此设计选择。考虑到低温情况下可能出现的溶液冻结引起体积膨胀,尿素箱应留有足够的膨胀空间。由于尿素溶液具有较强的腐蚀性,因此尿素箱及其传输管路的材料选择应特别加以注意,适合的材料有不锈钢、镁铝合金及中高密度聚乙烯等。尿素箱的出口还必须设有规格为70μm滤网以保证进入系统的尿素溶液的清洁。
定量给料单元是一个高精度元件,在运输和装配过程中应特别注意轻拿轻放,避免跌落引起损坏。在整车上布置安装时还应注意其安装方向,须严格按照生产厂家的安装技术要求保证其正确的安装方向。定量给料单元的正常工作还需要车辆持续提供所需的压缩空气供应。对重型车辆,空气消耗量大约为20L/min的标准状态空气。对每一种应用类型均应进行空气消耗量的研究,以确保车辆的压缩空气供应能持续保证定料给料单元的需要。为了保证供给定量给料单元的压缩空气的清洁,在定量给料单元前的管路中要求使用一滤网精度为5μm的滤清器。另外定量给料单元的耗电量也应在车辆供电系统设计时予以考虑。对重型车辆,定量给料单元正常工作时的持续耗电量约为32W,低温环境下内部加热器工作后的稳态耗电量<200W。
喷嘴的理想安装位置应该是在一段笔直的排气管上,距催化器入口端不小于440mm。在实际应用中,应确保喷嘴不会位于弯管下游100mm和弯管上游270mm的范围内,并在排气管内居中布置,以利于尿素喷入后与排气的均匀混合,防止在弯管壁形成聚合物残留。从定量给料单元到喷嘴间应采用柔性管道连接,以适应两者之间可能出现的相对移动。连接管的内衬应采用PTFE材料,以减少尿素结晶附着在管壁上的危险。该连接管特别是喷嘴端还应具有耐高温性能。
由于催化器内化学反应正常进行所要求的排气温度不能低于200°C,因此催化转化器的布置应尽可能靠近发动机的排气出口,以防止低负荷工况时由于排气温度低引起催化转化效率的急剧下降。同时由于催化器比传统的消声器重量增加很多,需要重新设计或计算校核其支架安装系统的强度,以确保催化器在整车上的可靠安装。
虽然说SCR尾气后处理控制技术是一项在国外已被普遍应用的成熟技术,但在国内的应用才刚刚开始,基于国内车辆使用环境的特殊性,该技术在实际应用中可能还会出现一些新情况和新问题。这可能也将是国内各整车生产厂今后需要面对并开展研究加以解决的新课题。
6. 结束语
本文就满足国四排放法规的商用车辆SCR尾气后处理控制技术的工作原理、基本组成、工作过程及整车集成与匹配设计等做了系统的介绍和分析。期望能帮助读者对该控制系统有一个全面的认识,并对今后的产品开发工作有所裨益。同时对车辆的正确使用和维护提供一定的指导作用。
参考文献
[1]Mayer K P,Wuensche P,Dreisbach R.以欧3柴油机为基础开发达到欧4标准的发动机[J].国外内燃机,2007,6:40-46
[2]郝勇等,孙健,王启峰,郑晓晨.重型车用柴油机排放法规及技术路线综述[J],内燃机与动力装置,2009,3:51-55
SCR后处理系统 篇4
相对于汽油机,柴油机具有高的热效率、低的油耗和CO2排放等优点。目前,所有的重型卡车和大部分轻型卡车都采用柴油机。然而,随着世界各国对柴油车排放的要求越来越严格,柴油机颗粒物(PM)及NOx排放控制成为柴油机发展的关键技术。当前针对PM及NOx排放控制的柴油机排气后处理技术有两种方法:一种是通过废气再循环(EGR)技术降低发动机缸内燃烧的NOx排放,然后用柴油机颗粒捕集器(DPF)控制PM;另一种是通过燃油高压喷射技术降低发动机缸内燃烧的PM排放,然后用选择催化还原技术(SCR)控制NOx。SCR技术因具有更高的燃油经济性和良好的耐硫性能,被认为是最有优势的技术路线,在欧洲已经得到了广泛应用[1],在我国也处于推广应用阶段。由于SCR反应涉及到NOx浓度等排气氛围、催化剂及还原剂,还原剂的供给需要动态考虑NOx浓度、催化剂工作状况和NH3泄漏量等,故还原剂喷射的控制是SCR应用所面临的一个重要问题[2]。
本文针对具有自主知识产权的重型柴油机尿素SCR后处理系统,介绍了尿素喷射电子控制单元(DCU)的系统结构、硬件开发、控制策略研究,以及DCU在发动机及其尿素SCR后处理系统上的匹配标定和试验结果。
1 DCU系统结构
DCU的系统结构如图1所示。可靠性是DCU结构设计的基础,需要综合考虑散热、抗振动、密封性能和成本等多方面因素。该DCU采用73针脚密封插头,兼具防水和防振动功能的外壳,电子控制单元电路板采用全表面焊接,无需额外增加散热器。
1.1 DCU主芯片
尿素SCR后处理控制单元是一个以单片机为核心的微处理器。控制器是DCU的核心部件,通过各种外围电路对传感器和执行器进行采样、控制,实现DCU控制策略。该控制器必须满足与计量泵进行10ms一次通信的要求,至少2路高速CAN通信模块分别与主机ECU和计量泵进行通信,1路串口通信至少6路A/D转换通道,并要求成本低。因此,选用了Freescale公司的高速16位单片机作为电子控制单元的控制器。
1.2 系统电源控制
系统电源控制需向单片机及其他功率芯片提供稳定的5V稳压电源及传感器处理电路必需的12V电源。尿素SCR系统应用于柴油发动机,其蓄电池电压为+24 V,所以要求输入电压的范围上限足够高。同时,由于发动机工作状况的复杂多变,要求系统在各种负载情况下均能保持电压稳定,具有足够大的电流通过能力,以提高系统工作的稳定性。
为保证系统在宽广的电压变化范围内工作正常,本系统选用智能芯片L9741为系统提供1路5V稳压电源;采用最大输入电压上限45V,并具有最高达3A带自保护的输出电流通过能力的LM2576芯片为系统提供1路12 V稳压电源。同时,本系统采用双备份电源提高系统的可靠性,不会由于单个电源损坏导致整个系统工作的瘫痪。
1.3 模拟信号输入信号处理电路
信号处理电路主要用于处理环境温度传感器、空气质量传感器、催化剂前、后温度传感器等传感器信号,需要经过电路放大到0~5 V的范围内,再进入单片机的A/D转换器中。同时,由于在发动机工作环境中存在强烈的信号干扰源,还需要对传感器信号进行去噪处理,并加以限压保护,避免主芯片在任何情况下被有害信号损坏。本文所设计的处理电路具有信号放大、阻容滤波、限压保护等功能,保证系统对输入模拟信号的正确采集。
2 DCU控制策略研究
控制策略决定了不同工况下排气管中尿素的喷射量,控制策略是否合理直接影响NOx的转化率以及氨气的泄漏量。按照SCR的工作原理,SCR控制策略一方面应将NOx排放尽量减少,以满足法规需求;另一方面需要保持NH3泄漏量平均在10×10-6以下,最大不超过25×10-6。SCR后处理系统的尿素喷射控制策略分为开环控制和闭环控制。相对于开环控制策略,闭环控制策略能大幅提高NOx转化效率,其中开环控制策略下的最高NOx转化效率为80%,而闭环控制则能达到95%[3]。但是,闭环控制需要实时测量SCR后的NOx或NH3排放,NOx传感器[4]和NH3传感器[5]由于价格及性能原因,基本用于试验室研究,尚未达到规模应用的程度。
本文采用的尿素喷射基本控制思想是:首先根据发动机的工况(转速、转矩百分比),通过查发动机静态MAP图得到发动机排气总流量、排气中NOx浓度,从而计算出NOx的摩尔流量,确定每个发动机循环中尿素的基本喷射量;然后根据催化剂转化效率、催化剂载体温度、空速等对尿素基本喷射量进行稳态修正,得到稳态下的尿素喷射量;最后根据当前发动机的工况对稳态下的尿素喷射量进行动态修正,得到最终实际需要的尿素喷射量。图2为DCU控制策略示意图。
2.1 尿素基本喷射量
DCU是在催化剂载体温度高于200℃以上才开始喷射,因为最低喷射温度既要使尿素充分分解,又不致造成催化剂活性利用程度不够。当催化剂载体温度低于200℃时,不仅催化剂活性不够,而且会造成尿素水溶液的结晶,造成管路堵塞,影响整个后处理系统的正常稳定工作。
尿素水溶液的基本喷射量是根据发动机的运行工况,通过查表获得的。
2.2 尿素喷射稳态修正
如果简单根据排气中NOx浓度进行1∶1的尿素水溶液喷射,不考虑催化剂对NOx的转化性能,则会造成大量的NH3泄漏。对于给定的催化器,其对NOx的转化性能取决于空速和温度,特别是温度的影响。因此,根据发动机的空速和温度确定催化剂的转化效率,用尿素基本喷射量乘以转化效率,对基本喷射脉宽进行稳态修正。催化剂的转化效率要合理设定,如果定得太高,催化器出口的氨气泄漏可能超标;而定得太低,则NOx的比排放不能达到法规要求。催化剂载体温度是以催化剂进出口温度、空速为输入,通过计算模型计算得到的。
2.3 尿素喷射瞬态修正
由于发动机的实际工作状况是复杂多变的,仅依靠尿素稳态喷射控制难以保证后处理系统在任何工况下都能有效降低NOx排放和NH3泄漏,因此必须根据发动机的工况负荷变化施以不同的修正。
考虑到发动机在小转矩工况(包括反拖工况)时是不喷油或喷油很少的,几乎没有NOx产生,此时应停止喷射尿素,以减少小转矩工况带来的NH3泄漏峰值。通过转矩百分比判定反拖工况,当转矩百分比≤2%时,判定为小转矩工况,此时则迅速切断尿素喷射。
当转矩百分比大于限值,为了有效降低NH3泄漏,根据发动机的转矩,通过延迟算法设定延迟系数,使尿素喷射量阶梯状增加,渐进地向目标量上逼近,而不是直接达到目标值喷射量,避免尿素过喷,防止NH3大量溢出。
同时考虑催化剂上氨的存储量,采用储氨模型对每个喷射周期的氨吸附量进行估算。当累积到一定量时,需减少喷射量以消耗一部分存储的氨。这个累积量由不同的催化剂载体温度确定。
3 SCR系统匹配与达标测试
本文的尿素SCR后处理系统针对玉柴YC6L240-40机型开发,发动机技术参数如表1所示。SCR后处理系统所用催化剂为BASF的催化剂,其尺寸为26.67×38.10 cm(直径×长度),总体积21L。催化剂进出口温度传感器为PT100温度传感器。计量泵采用Grundfos公司的尿素计量泵,能实现进入排气后处理系统AdBlue液体的高精度喷射。整个SCR系统在发动机台架上的布置如图3所示。
对发动机进行原机排放试验,获取原机NOx排放MAP图和排气流量MAP图,分别如图4和图5所示。图6为催化剂转化效率MAP图。
该尿素SCR后处理系统已通过济南汽车检测中心的国-Ⅳ、国-Ⅴ达标测试。表2为ESC和ETC测试结果。NOx在ESC试验循环下的比排放量为1.5g/(kW·h),在ETC试验循环下的比排放量为1.996 g/(kW·h),低于国-Ⅴ排放标准限值的2.0g/(kW·h)。NH3泄漏量最大为5×10-6,远低于法规限值的25×10-6。
4 结论
(1)本文所开发的DCU在ESC和ETC试验循环下,NOx比排放量分别为1.5和1.996 g/(kW·h),NH3泄漏量最大为5×10-6,能够保证尿素SCR后处理系统满足重型柴油机国-Ⅳ及以上法规排放限值的需要。
(2)该DCU结构紧凑、工作可靠,采用基于MAP图的动态修正控制策略,能够降低整个尿素SCR后处理系统的成本,符合目前国内对于重型柴油机后处理系统的要求。
参考文献
[1]Puetz W.Future diesel engine thermal efficiency i mprovementand emissions control technology[C].Chicago:US Depart mentof Energy Diesel Engine Emission Reduction Conference,2005.
[2]董红义.柴油机NOx选择催化还原技术试验研究与数值模拟[D].北京:清华大学,2008.
[3]Helden R V,Verbeek R,Willems F,et al.Opti mization ofurea SCR de NOxsystems for HD diesel engines[C]//SAE2004-01-0154,2004.
[4]Hof mann L,Rusch K,Fischer S.Onboard emissions monito-ring on a HD truck with an SCR system using NOxsensors[C]//SAE 2004-01-1290,2004.
SCR后处理系统 篇5
欧六标准的发动机到底是怎样实现的?我们与雾霾的对战它是否能有所帮助?小编在此对这方面信息与大家分享一下:
早在2005年欧四/五排放标准出台的时候, 依维柯和菲亚特动力总成工业就已经选择了SCR (选择性催化还原) 技术路线。这种技术可以调节发动机, 从而全面优化燃烧效率, 由此产生的更多的氮氧化物将被SCR排气后处理系统处理干净。
欧洲欧六排放概览
由于燃烧带来的化学反应, 柴油发动机会排放一系列的污染物, 其中最有害的是氮氧化物 (NOx) 和颗粒物 (PM) 。欧六排放法规适用于所有2014年1月1日以后上牌的重型商用车及客车, 其中规定必须显著减少尾管有害污染物的排放量:与欧五相比, 氮氧化物排放量需降低80%;颗粒物排放量需降低66%。计划进一步引入颗粒限值, 这将导致颗粒排放总量减少95%以上。
除此之外, 欧六排放法规还对一系列操作层面的内容做出了更新:应用于全球范围内的、瞬态及稳态下新的测试周期。瞬态周期将重复两次:一次在发动机是冷的时候, 一次在发动机停下一段时间以后。在不使用封闭系统的条件下, 纳入缸体排放。排放的满足期限提高至70万公里或对最大车型延长至7年, 进一步增强车载诊断系统的性能。用便携式测量系统 (PEMS) 检查使用过程中的排放量, 并检查和控制周期外的排放量。采取措施以方便获取车辆维修及保养信息, 从而确保独立运营者能够获得这些信息。由于首次使用了全球统一的发动机认证测试周期, 欧六法规的出台代表了全球排放标准发展的一个里程碑。
科索高效的SCR系统
要达到欧六排放限值, 只有通过使用SCR系统, 此系统或单独使用或与EGR (废气再循环系统) 结合使用。EGR系统通过废气再循环降低了燃烧室中的氮氧化物排放量, 但相应增加了颗粒物的排放量, 降低了燃烧效率。
但是科索发动机另辟蹊径, 通过不使用废气再循环来提高发动机效率, 减少燃烧所产生的颗粒物。燃烧剩余的颗粒物通过被动柴油颗粒过滤器过滤, 而氮氧化物通过排气系统降低, 同时改善了油耗、性能和可靠性。菲亚特动力总成工业的高效SCR系统能够将氮氧化物的排放降低95%以上。
“单一SCR”技术是在菲亚特动力总成工业广泛研究下引进的一个新的综合性方法, 这些研究带来了许多重要的专利:
1、“封闭式”控制:能够精确控制添蓝的配给量, 以在SCR催化剂入口降低氮氧化物排放量。
2、自适应添蓝配给系统:由于使用了氮氧化物和氨气传感器, 控制系统能够对废气的组成提供准确的信息。
3、隔热高湍流混合:允许尿素均匀水解和废气流的正确分布。
4、改进的热管理:在排放周期的冷却段加快SCR系统激活。
整个排放后处理系统的所有组件都包含在一个紧凑的全封闭结构里, 不妨碍改装工作或底盘设备的安装活动, 并可以最大限度地减少重量。
科索欧六发动机
科索欧六发动机引入了技术再造产品, 它使得装配该发动机车辆保持了其领先的技术特点。优化燃烧效率的关键是要有高平均气缸压力和高喷油嘴压力。为了实现这些目标, 发动机缸体和缸盖设计做出了重要变化, 包括增加结构刚度、提高冷却剂流量和增大工作容积。欧六发动机系列采用最新一代共轨喷射系统, 最高喷射压力高达2200巴。
欧六发动机引入了一个新的电控单元来管理发动机参数及对后处理系统进行精确控制。新电控单元旨在优化结构的紧凑性, 充分整合所有发动机、SCR和DPF的功能。Cursor发动机使用可变几何涡轮增压器, 其特点是引入了一个电控单元, 以优化发动机在低转速负荷时的响应, 并提高发动机制动效率。
为了达到最好的环保性能, 欧四/五发动机配备了闭路发动机进气系统, 而科索欧六发动机则保留了此配置。为了防止发动机气体带有油雾, 高性能油分离系统也被引入, 从而最大程度杜绝了燃油污染DPF的可能性。
SCR后处理系统 篇6
柴油机具有负荷大、比油耗低、热效率高、坚固耐用、经济性好等优点,在中重型客、货车上得到了广泛的应用。柴油机的主要排放物氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)无法像汽油机采用三效催化转化器有效地去除,因此在发展现有柴油机机内净化技术的基础上,开发先进的柴油机排气后处理技术是柴油机生存和发展的关键[1,2,3]。
目前,国内市场上仍存在着大量的装备传统机械式喷油泵的柴油机,可将其称为非电控柴油机。虽然非电控柴油机不具备电控柴油机输出功率大、油耗低、排放水平好、噪声低、稳定性强等优点,但非电控柴油机应用历史悠久,其初期购置成本低且喷油控制方法简单,仍有较高的市场占有率,具有明显的经济优势[4]。随着国-Ⅳ排放法规的施行,对非电控柴油机进行后 处理改造,使其能满 足国-Ⅳ甚至国-Ⅴ排放法规,可极大地促进我国在用车改造,改善大气环境。现阶段柴油机采用的主要排气后处理技术有针对PM的柴油机氧化催化器(DOC)、颗粒氧化转化器(POC)和颗粒捕集器(DPF),以及针对NOx处理的选择性催化还原转化器(SCR)[5,6]。其中,DPF由于应用成本高且标定策略复杂等原因尚未在国内大范围推广使用。在国-Ⅳ阶段,电控柴油机一般通过机内净化使PM或NOx污染物的一种满足排放标准,再采用后处理(一般为DOC+POC或SCR)装置处理另外一种污染物而使整机排放满足标准要求[7]。
由于非电控柴油机的本征喷油特性,很难仅通过机内净化使PM或NOx中的一种满足国-Ⅳ以上排放标准要求,因此污染物的去除均需依靠后处理装置。本研究以国内某经典非电控柴油机为研究对象,将国内常用的DOC、POC和SCR后处理技术组合使用使整机能达到国-Ⅴ排放标准。
1试验设计
1.1试验发动机
本研究中所使用的发动机为装配机械喷油泵的江铃493发动机,该款发动机被广泛应用于各类客车及货车上,具有较高的市场占有率。发动机的主要参数如表1所示。
1.2试验台架布置
试验台架的总体布置如图1所示,主要包括发动机、测功机、后处理系统及排放测试系统。
研究将HoribaHD250电力测功机用于欧洲稳态循环(ESC)及欧洲瞬态循环(ETC)排放试验;同时采用Horiba7100D多通道排放分析仪和AVLSPC472颗粒采集系统分别检测排气中的NOx和PM。
1.3试验后处理系统
本试验所使用 的排气后 处理系统 包括DOC、POC和SCR,主要结构参数如表2所示。
DOC能通过催化氧化作用同时降低柴油车尾气中CO、碳氢化合物(HC)和PM中的可溶性有机成分(SOF),并可将部分NO氧化成NO2以供后置后处理装置使用。而POC能够捕集并催化氧化颗粒物(主要成分 为C颗粒)来降低颗 粒物的排 放。POC对颗粒物的氧化过程(即被动再生过程)是通过排气中的NO2与C颗粒在涂层催化作用下反应而实现的,反应式如式(1)[8]所示。
被捕集的C颗粒被氧化成气态的CO2随排气排出,从而避免了POC的堵塞。在实际应用中一般将DOC和POC组合使用。
SCR系统的作用主要为NOx处理。应用于柴油机尾气后处理的SCR系统一般以32.5%浓度尿素水溶液(受热可水 解为NH3参与反应)为还原剂,在SCR催化剂作用下将柴油机尾气中的NOx还原为无害的N2和H2O排出机外[9],主要反应如式(2)所示。
本试验采用上述后处理装置的一种和几种的组合进行测试,以比较不同后处理装置对发动机综合排放性能的影响。
1.4试验方法
试验按照GB17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》要求分别对装配了不同后处理装置的发动机进行ESC及ETC试验,记录NOx 和PM的排放情况。为减小试验误差,上述每个循环试验均进行三次,取测试结果的平均值作为最终结果。研究同时还会对尾气温度、NO2排放及压差等参数进行监测并分析,以探索适合试验发动机的最佳后处理组合。
本试验中所用燃油均为国-Ⅴ标准柴油。试验时试验室条件、柴油机进气系统、排气系统、冷却系统、润 滑油和排 气后处理 系统均符 合GB17691—2005的相关规定。
2试验结果与讨论
2.1单后处理系统排放测试
为全面了解发动机排放特性及单后处理系统的污染物去除能力,对试验发动机进行了原排(无后处理单元)和分别加装DOC+POC及SCR单后处理系统的排放测试。测试结果列于表3中。
由表3可知,该发动机的NOx和PM原排放值均较高,已超出了国-Ⅲ排放限值,必须依靠后处理系统使排放达标。加装了DOC+POC后发动机的PM排放值显著下降,ESC和ETC测试中的PM去除率分别为63.15%和61.82%,均满足国-Ⅴ排放标准中对PM限值的要求。但DOC+POC的后处理方式对NOx几乎无去除效果,NOx排放测试结果与原排基本一致。如前文所述,DOC与POC上涂覆的活性涂层仅能改变NOx中NO和NO2的比例以实现POC的被动再生,无法去除NOx。
加装了SCR后处理系统的发动机NOx排放值大幅度下降。ESC和ETC的NOx测试值均达到了国-Ⅴ排放标 准要求,转化率分 别为77.22% 和77.21%。同时在SCR后处理系统作用下PM排放也出现了一定程度的下降,在ESC和ETC测试中去除率分别为18.42%和16.36%。文献[10]指出,SCR催化剂对发动机尾气中的SOF具有一定的氧化去除效果,其作用与DOC类似,使PM排放降低;但PM中的颗粒物组分无法被SCR催化剂所转化,因此其最终PM排放仍无法满足国-Ⅴ标准要求。
2.2DOC/POC/SCR组合后处理系统排放测试
组合后处理系统 可同时去 除发动机 尾气中的NOx 和PM,有效弥补单一后处理系统无法同时净化多种污染 物的不足。 此处将对DOC+POC和SCR两种后处理单元进行组合排列用于发动机排放测试,以比较不同排列顺序对污染物排放的影响。
表4给出了不同 后处理排 列方式下 发动机的ESC及ETC排放测试值。从表4可看出,DOC+POC和SCR系统的两种排列顺序对最终的污染物排放结果均无明显影响,NOx和PM的排放结果最大差别分别小于1%和10%,且二者测试结果均满足国-Ⅴ排放标准要求。后处理单元排列顺序变化带来的直接环境影响是温度。由于POC对PM的捕集是物理过程,故受温度影响甚微。而DOC涂层对PM中SOF的氧化为化学反应过程,温度降低会导致氧化效率下降[11],但如前所述,SCR催化剂也具有一定的SOF氧化能力[10],与DOC形成对SOF的协同氧化,因此DOC置于SCR后所引起的反应温度降低并未对PM去除造成明显影响。
SCR催化剂对NOx的还原去除反应受制于温度,但在本研究中无论是SCR布置在后处理系统最前端或最后端,对整体NOx的去除效率均无明显影响。图2和图3分别给出了不同排列方式下SCR系统在ESC循环中的入口温度和其催化剂性能-温度曲线。由图2可看出,无论何种排列方式,SCR转化器在ESC测试循环中的入口温度均在250~500℃之间(此处统计不计 入第一个 工况点,即怠速点)。由图3可知,本试验所 用SCR催化剂的 温度窗口(NOx转化率大于80%的温度区间)为约220~520℃。因此,在台架排放试验中,SCR转化器入口温度范围始终处于 催化剂最 佳转化温 度窗口之 间,故NOx 去除率基本不受排布顺序影响。
2.3POC的被动再生过程研究
POC系统在PM捕集过程中 需依靠排 气中的NO2 对捕集到的C颗粒进行氧化,以实现被动再生,防止其到达 捕集限值 而失去对PM的处理能 力。POC入口的NO2浓度对其再生过程至关重要。本节将比较DOC+POC系统排布在SCR系统前后时POC入口处的NO2总量变化,以寻找最佳后处理排布方式。由于POC一般与DOC联用,故POC入口处污染物浓度与DOC出口相等。为方便试验设计,此处将上述两种排列方式下DOC后的后处理单元去除,而单独测定DOC出口的NO2排放。
表5给出了不同排列方式下DOC后的NO2及PM排放测试 值。由表5可知,SCR后置可避 免NOx 的消耗反应,从而使DOC出口NO2浓度值提高,在ESC和ETC测试中的测试值分别为SCR前置时的4.7和4.8倍。文献[12]表明,POC系统维持被动再生所需的入口NO2浓度应至少为PM浓度的7倍。采用DOC+POC+SCR排布方式 时,ESC和ETC测试中POC入口的NO2排放值分别为PM排放值的30和19倍,满足被动再生要求;而采用SCR+DOC+POC模式,ESC和ETC测试中POC入口NO2与PM排放值之 比分别为7.4和4.8,ETC测试时无法满足被动再生要求,且与SCR后置相比,NO2总量显著减少。因此,DOC+POC+SCR组合更为合 适,可满足排 放法规要 求并保证POC的连续被动再生,保证污染物去除效率的稳定。并且SCR转化器后置还可降低其入口温度(图2),减少高温对涂层的热老化影响,延长催化剂寿命[13]。
2.4组合后处理系统对发动机排气背压影响
加装后处理系统会导致发动机排气背压的升高,从而影响发动机的动力性和经济性。组合后处理系统为多个单元的叠加,对背压的影响可能更大。因此,考察了DOC+POC+SCR组合后处理系统对试验发动机排气背压的影响,并以单后处理系统作为对照。在背压测试前所有后处理系统均在发动机上运行了约100h以达到效率平衡。图4为三种后处理系统在ESC测试中C100工况点(排气温度498℃,排气流量471kg/h)的背压测试值。从图4可看出,SCR系统的背压值最低,DOC+POC系统背压约为SCR系统的1.5倍,而DOC+POC+SCR系统背压略小于前两者背压值之和,总值约为24kPa。
根据后处理单元的本征特性可知,颗粒捕集装置是造成背压上升的主要原因,高的排气背压可提高PM捕集效率。在本研究中所采用的颗粒捕集装置是新型陶瓷基POC,排气背压低于传统金属POC。同时可通过排气装置及管路的优化设计,降低组合后处理系统的排气背压,减小对发动机性能的影响。
3结论
(1)DOC+POC及SCR后处理系统的应用可分别使试验非电控柴油机的PM和NOx排放达到国-Ⅴ标准,但分别对NOx和PM的去除效果不佳,与国-Ⅴ限值差距较大。仅应用单后处理系统无法使试验发动机满足国-Ⅴ排放要求。
(2)DOC/POC/SCR组合后处理系统在排放测试中对NOx和PM均表现出较高的去除效率,使发动机排放满足国-Ⅴ标准要求。DOC+POC与SCR的前后布置顺序对整体污染物去除效率影响不大。
(3)对POC的被动再生过程研究表明,DOC+POC置于SCR系统前可 保证POC入口处的NO2浓度满足POC连续被动再生要求;同时SCR系统后置可降低其入口温度,减少热老化影响,提高催化剂的稳定性。因此,DOC+POC+SCR是本试验发动机的最佳后处理布置方式。
SCR后处理系统 篇7
随着我国船舶工业的发展和大规模陆用电站的建设, 国内大功率柴油机产销量持续大幅增长。根据大功率柴油机生产工艺和装机运行的特点, 在生产企业内出厂试验和装机运行时都产生大气污染排放物。对于船用柴油机其排放物需满足国际海事组织 (IMO) 的2005《MARPOL 73/78防污公约》附则VI和2008《氮氧化物技术规则》的标准要求, 船级社才能允许装船使用用 [[11]]。对于满足我国环保标准要求来说, 由于没有直接对应的行业标准, 大功率柴油机在台架试验和装备在陆用电站时需满足综合性排放标准GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》》 [[22]]。本文对大功率柴油机排放物和相关排放标准进行了分析, 结合大功率柴油机试验台架建设项目和陆用电站建设项目的环境影响评价、设计、竣工验收和建成后的排污管理等要求, 分析了基于选择性催化还原 (SCR) 的大功率柴油机台架试验和陆上运行烟气后处理方案的相关问题。
1 大功率柴油机主要排放物和排放标准分析
1.1 大功率柴油机主要排放物的成分
大功率柴油机 (通常指功率在1 000 k W以上) 以碳氢化合物 (如重油、轻柴油等) 为燃料。由于燃料的燃烧不充分, 形成以NOx, PM (颗粒物) 、SO 2, CO, HC等为主要成分大气污染排放物。柴油机运转时, 空气中氮在燃料燃烧过程中有 很小一部 分将被氧 化形成氮 氧化物 (NOx) , 包括一氧化氮 (NO) 和二氧化氮 (NO 2 ) , 其总量随燃烧温度的升高而增加, 通常中低速柴油机所形成的氮氧化物量比高速机要大;氮氧化物能引起酸化, 形成对流层臭氧, 营养富集等不良环境影响。PM (颗粒物) 是在高温燃烧中混合气不均匀缺氧而形成的, 主要成分是碳, 其粒度一般小于0.3μm, 可长期悬浮在大气中而不沉降, 会深入人肺部, 损伤肺内各通道自净机制;SO2 主要与燃油中硫的含量有关;CO和HC主要为燃料不完全燃烧而形成的 [3]。
1.2 大功率柴油机大气污染排放标准
国际海事组织 (IMO《MARPOL 73/78防污公约》附则VI和《氮氧化物技术规则》的标准要求对船舶柴油机排放物进行控制, 明确要求在2005年全球达到TierⅠ要求, 2011年全球达到TierⅡ要求, 2016年排放控制区域 (ECAs) 达到TierⅢ要求。IMO排放标准针对氮氧化物的限值通过不同转速和功率段进行计算得到;对硫氧化物的控制通过强制规定的燃油最高含硫量来控制[1,4]。
世界银行集团《环境、健康与安全指南》 (简称EHS指南) 所规定的指标和措施是在新设施中采用成本合理的现有技术就能实现的指标和措施, 其篇章《热力发电厂EHS指南》 (2008年12月) 中规定了关于柴油机作为陆上电站时的大气污染排放限值[5]。
对于满足我国环保标准要求来说, 由于没有直接对应的行业标准, 大功率柴油机在出厂台架试验和装备在陆用电站时需满足综合性排放标准GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》 [6]。由于IMO排放标准和我国排放标准制定的目的、使用范围、主要内容和制定的时间不一致, 即使大功率柴油机能满足现有的IMO排放标准, 但在出厂台架试验和陆上运行时还需对排放物进行集中后处理, 才能达到综合排放标准要求。《大气污染物综合排放标准》规定了柴油机试验台架和陆用电站厂房大气污染物最高允许排放速率和最高允许排放, 排气筒氮氧化物、二氧化硫和颗粒物限值。
2 大功率柴油机试验台架和陆用电站建设项目排放要求分析
根据建设项目审批程序, 大功率柴油机试验台架和陆用电站相关的建设项目, 在前期阶段的环境影响评中对项目建成后的污染排放物要进行评价, 在工程设计阶段要采取相关措施满足环评要求的综合排 放标准。 目前我国 执行的标 准是GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》, 是强制性执行标准。大功率柴油机台架试验和陆上运行时需要对所排放烟气中的NOx, PM和SO2 等大污染物进行处理, 才能满足该排放标准。
以某大功率柴油机试验台架建设项目为例, 项目新建8个柴油机 试验台架 , 代表产品MAN12V32/40柴油机, 额定功率为6 000 k W, 转速为750 r/min, 油耗为220 g/ (k W·h) , 排烟温度为550℃。试验室燃油采用0# 轻柴油, 检测含硫量为0.16%。根据MAN12V32/40柴油机产品说明中排放数据, 按照8个试验台架85% 负荷率、试验台架65% 同时使用, 连续运行5 h, 计算台架试验厂房所有柴油机排放的大气污染物, 计算对比结果见表1。
通过以上对照数据分析表明:NOx排放速率和排放浓度基本满足IMO的标准要求, 但不满足GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》二级标准的要求;PM排放速率和排放浓度均超过了GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》中二级标准的要求;SO2 排放速率和排放浓度满足GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》二级标准的要求;IMO中NOx的排放限值要求要低于我国标准。因此, 在现有大功率柴油机台架试验时, NOx和PM排放污染物必须经过后处理才能满足综合排放标准要求。
3 大功率柴油机烟气后处理方案
根据大功率柴油机试验台架和陆用电站运行的情况, 在方案设计中需要将排放的烟气在柴油机消声器后汇总进入排烟总管中收集, 之后进入烟气处理系统, 集中处理达标后再排放。
选择性催化还原 (SCR) 的脱硝技术是烟气处理的有效措施, 目前在燃煤火电厂烟气处理中得到广泛应用 [7], 技术成熟可靠。但在大功率柴油机试验台架和陆用电站建设项目中还未大规模推广。
3.1 脱硝工艺的原理和流程
选择性催化还原法 (SCR) 脱硝技术是指在催化剂的作用下, 还原剂 (液氨) 与烟气中的氮氧化物反应生成无害的氮和水, 从而去除烟气中的NOx。选择性是指还原剂NH3 和烟气中的NOx发生还原反应, 而不与烟气中的氧气发生反应。
SCR化学反应原理如下:
SCR工艺流程如下:气化的氨和稀释风机提供稀释空气混合, 通过喷氨圆盘喷入SCR反应器上游的烟气中;充分混合后的还原剂和烟气在SCR反应器中催化剂的作用下发生反应, 去除NOx, 见图1。
3.2 脱硝系统的构成
SCR工艺系统主要由反应器系统 (反应器本体、吹灰系统、导流系统、烟道接口、压缩空气系统) 、催化剂、烟囱及其附属系统、氨储存制备供应系统 (液氨储备、输送系统) 、氨喷混合及射系统、电气仪表和附属系统等组成, 见图2。
3.3 脱硝系统性能参数
SCR脱硝系统性能参数要求见表2。
3.4 脱硝系统催化剂的选择
3.4.1 催化剂的选择
选择性催化还原 (SCR) 脱硝系统常用的催化剂一般由Ti O 2, V 2O 5, WO 3, Mo O3 等氧化物组成。催化剂材料可分为活性成分、载体和辅助材料三部分。活性成分指能吸附氨气、并促进氨气与氮氧化物反应的活性络合体的物质成分。可以用金属、金属氧化物、活性炭等作为活性成分。载体是使活性成分得以分散的骨架物质, 为了增加活性成分与烟气的接触机会, 一般都用多孔质的物质作为载体, 且与活性物质相协调, 使活性物质均匀分散。作为载体使用的物质中, 有各种多孔质的陶瓷类、矿物等, 一般采用铝、钛、硅等的氧化物多孔质材料。辅助材料主要是指保证为催化剂的机械强度而使用的粘结剂或骨料, 根据催化剂的不同形状, 可分别采用高岭土、玻璃纤维、陶瓷、钢板、钢丝网等。
催化剂的选择应根据烟气具体工况、飞灰特性、反应器形状、脱硝效率、NH3 逃逸率、系统压降、使用寿命以及业主要求等条件来考虑。
3.4.2 催化剂温度窗口
不同的催化剂有不同的活性温度窗口。一般烟气温度范围控制在320~400℃, 过高或过低的温度都会导致催化剂无法正常起到催化作用, 致使脱硝效率降低。大功率柴油机排放的烟气温度 (增压器后) 在350~450℃间, 经过排烟管道进入脱销系统前与氨/空气混合时, 烟气温度可控制在催化剂的温度窗口内, 满足催化剂温度特性要求。
3.4.3 催化剂失活及再生
由于受到烟气中的气体、粉尘和温度等因素的影响, 催化剂的活性会随着时间的延长而降低, 主要原因有烟气中成分使催化剂中毒而降低催化剂的活性;粉尘对催化剂的冲刷、玷污、堵塞;温度过高, 引起催化剂烧结, 使催化剂失活等, 须对催化剂进行再生或更换。
催化剂的再生是把失活催化剂通过浸泡洗涤、添加活性组分以及烘干的程序使催化剂恢复大部分活性。
SCR催化剂再生较为经济的方式是请专业人员在现场进行操作, 但并不是所有失活的催化剂都能够通过再生方式回用。例如由于烟气温度过高使催化剂烧结造成的失活, 是不能通过催化剂再生恢复活性的。对于不同的情况活性恢复的程度以及成本都会不同, 要通过对失活的催化剂的样品进行技术和经济分析, 再确定催化剂是否有再生的必要。
对于不能再生回用的失活催化剂, 要对其进行废弃处理。在正常情况下, SCR催化剂性状稳定, 不会发生分解。在催化剂处理过程中, 要防止粉末的产生和浸水。虽然催化剂自身属于微毒物质, 但是在其使用过程中烟气中的重金属可能在催化剂内聚集, 这种情况下, 使用后失效的SCR催化剂应作为危险物品来处理。对于蜂窝式SCR催化剂压碎后进行填埋。
3.5 脱硝系统还原剂的选择
脱硝系统还原剂主要以氨和尿素为主要选择。
3.5.1 还原剂制备方法
液氨法:通过液氨卸料压缩机将液氨由槽车送入储氨罐内, 储氨罐内的液氨在压差和重力作用下被送至液氨蒸发器内蒸发为氨气, 氨气送到氨气缓冲槽备用。缓冲槽的氨气经调压阀减压后, 送入氨/空气混合器中与来自稀释风机的空气充分混合, 通过喷氨混合系统将稀释好的氨气喷入SCR反应器入口烟道与烟气充分混合, 再进入SCR反应器。氨气系统紧急排放的氨气则引入氨气稀释槽中, 经水的吸收排入废水池, 再由废水泵送至废水处理站处理。
尿素热解法:将气体燃料或柴油与热烟气或预热的助燃空气一起送入热解室 (又称混合燃烧室) , 再将配好的高浓度 (40%~50%) 尿素溶液喷进热解室转化成氨气, 实现氧化还原反应。
3.5.2 还原剂制备原料比较
液氨属于危险品, 需设置安全防护措施。尿素是安全原料 (肥料) , 湿或干的形态都容易运输, 但是其制氨系统复杂, 设备占地面积大, 储存量大时需考虑潮解等问题。根据国外应用的情况和我国国情, 可将无水液氨法作为主选方案, 尿素可作为次选方案。
3.5.3 系统选料及安全措施
液氨储存及供应系统保持系统的严密性, 防止氨气的泄漏和氨气与空气的混合造成爆炸是最关键的安全问题。基于此方面的考虑, 该系统的卸料压缩机、液氨储罐、氨气温水槽、氨气缓冲槽等都备有氮气吹扫管线。在液氨卸料之前通过氮气吹扫管线, 对以上设备分别进行严格的系统严密性检查和氮气吹扫, 防止氨气泄漏和与系统中残余的空气混合造成危险。
氨对铜、铜合金、铝等有腐蚀性, 相关的管道、阀门以及仪器上不能使用这些材料。为防止氨气逆流, 应设置止回阀。考虑到氨的毒性, 在管和管接头、以及阀门类的结合处, 应采用焊接结合。若连接时, 不能采用焊接结合的, 也可使用法兰盘结合。各管道设备应考虑防止静电而接地。系统进行检修时, 须先进行氮气吹扫。
3.6 系统投资和运行费用
参考火电厂脱销系统相关数据, 脱销系统初期投资相对较高, 运行过程中主要成本包括催化剂费用、还原剂费用、水电气费用、其他费用等, 在进行投资建设时需综合考虑系统处理能力和环境效益。
4 结论
大功率柴油机台架试验和陆用电站所排放的烟气须经过脱销和除尘处理后才能满足国内综合排放法规的要求。根据建设项目环境影响评价、设计、竣工验收和建成后的排污管理要求, 选择性催化还原 (SCR) 脱硝方案可对大功率柴油机排放物进行后处理, 建设过程中要综合考虑脱销系统处理能力和环境效益。
参考文献
[1]《经1978年议定书修正的〈1973年国际防止船舶造成污染公约〉》 (MARPOL 73/78) [S].1978.
[2]GB16297-1996大气污染物综合排放标准[S].国家环境保护局, 1997.
[3]周龙保, 等.内燃机学 (第二版) [M].北京:机械工业出版社, 2005.
[4]GD01-2001船用柴油机氮氧化物排放试验和检测指南[S].北京:中国船级社, 2011.
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[6]孙伟, 等.船用柴油机陆上试验大气污染物排放标准现状分析[J].柴油机, 2011, 33 (4) .
SCR后处理系统 篇8
2015年7月16～7月17日,在杭州举办的2015汽车发动机技术峰会上,Ciao Pasquale——全球著名动力总成系统制造商菲亚特动力科技的平台总监,向与会的各界代表介绍了来自菲亚特动力科技的全球唯一可满足Tier 4B排放标准的“高效SCR后处理系统(HI-eSCR)”技术,完美诠释了发动机低油耗、低排放、高性能的特点。
FPT注重前沿的科技研发,技术储备可以达到美国即将发布的第五阶段相关的标准。同时,FPT还在积极参与美国、欧洲、中国等国家的重大标准制定工作,产品是目前发动机工业当中效益(包括功率、功率密度、油耗、可靠性等方面)最高的。据介绍,FPT注重将发动机工业最新科技运用于现有产品的升级或新产品的推出,来使得排放性能能够更好,即便是对于排放标准不太严格的市场,FPT仍然是效益最高的产品。
此次“2015汽车发动机峰会”上,数百名行业专家及技术人士齐聚一堂,共同探讨了下一阶段降油耗和研发的技术路线及行业热点。FPT也参与到商用车技术分论坛讨论模块,与各界专家就柴油机后处理技术路线、油品质量、提升燃油经济性等热点技术展开了激烈讨论。
关于菲亚特动力科技(FPT Industrial)
菲亚特动力科技(FPT Industrial)是凯斯纽荷兰工业集团旗下子公司,专注于道路及非道路用车辆、船舶和发电机组使用的动力总成的设计、生产和销售。公司在全球范围内拥有8400名员工、10家工厂以及6个研发中心。销售网络覆盖100多个国家,包括93家经销商和大约900家服务站。在中国的投资包括位于上海的管理公司和1家合资企业。丰富的产品线(5个发动机系列提供31～740kW动力以及扭矩在200～500Nm的变速箱)和对研发的专注和投入使得菲亚特动力科技(FPT Industrial)成为全球工业动力总成的领导者。
关于ATC汽车技术峰会
ATC汽车技术会议集团专注于打造中国汽车行业商业机会的第一平台,成为亚太地区汽车行业会议的标杆!