基于POC和SCR技術(shù)降低車用柴油機(jī)顆粒物和氮氧化物排放的研究.pdf

1、POC和SCR是目前國(guó)內(nèi)柴油機(jī)實(shí)際應(yīng)用較廣泛的PM和NQ去除技術(shù)方案，其可使柴油機(jī)尾氣排放滿足國(guó)Ⅳ及以上法規(guī)要求。將POC和SCR技術(shù)進(jìn)行組合以應(yīng)用于柴油機(jī)尾氣后處理可在不依賴發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化的基礎(chǔ)上同時(shí)完成PM和NOx的去除，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改造依賴少，非常適合在非電控柴油機(jī)上應(yīng)用以完成發(fā)動(dòng)機(jī)的排放升級(jí)工作。但目前對(duì)上述組合后處理系統(tǒng)的研究偏少，尤其對(duì)于影響柴油機(jī)用SCR催化劑和POC轉(zhuǎn)化器性能的關(guān)鍵因素的試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。

2、因此，本文將對(duì)POC/SCR組合后處理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，分別從SCR催化劑、POC轉(zhuǎn)化器、POC/SCR組合設(shè)計(jì)模擬分析方面出發(fā)，全面優(yōu)化系統(tǒng)各單元的綜合性能，最終在一臺(tái)典型的非電控柴油機(jī)上進(jìn)行排放驗(yàn)證，獲取最佳布置方案，使發(fā)動(dòng)機(jī)排放滿足國(guó)Ⅴ法規(guī)要求。
　　首先對(duì)SCR系統(tǒng)的核心部件——SCR催化劑進(jìn)行了全面性能優(yōu)化考察，對(duì)比了不同TiO2材料（摻WO3或SiO2）、活性組分V2O5含量、粘結(jié)劑用量及涂覆量方面對(duì)釩基催化劑制備過(guò)程

3、影響，基于小樣評(píng)價(jià)試驗(yàn)及涂層牢固度測(cè)試結(jié)果確定了上述各項(xiàng)參數(shù)的最佳值，進(jìn)而確定了試驗(yàn)用自制釩基SCR催化劑配方，即采用摻10％WO3的TiO2粉體為載體材料，控制V2O5含量、SiO2含量和涂覆量分別為3％、10％和200 g/L。之后以國(guó)外催化劑作為參比對(duì)象，在小樣評(píng)價(jià)臺(tái)上進(jìn)行了催化劑的新鮮態(tài)、水熱老化態(tài)和硫老化態(tài)性能評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)自制的催化劑和國(guó)外催化劑整體的活性相當(dāng)，分別略占據(jù)低/高溫優(yōu)勢(shì);水熱老化對(duì)催化性能劣化影響較大;而硫

4、老化對(duì)兩組催化劑性能幾乎無(wú)影響。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架排放試驗(yàn)結(jié)果表明自制催化劑在ESC測(cè)試中的NOx轉(zhuǎn)化率略低于國(guó)外催化劑;但在ETC測(cè)試中則較國(guó)外催化劑高，可歸因于ESC測(cè)試整體溫度較ETC高，致國(guó)外催化劑占優(yōu)，在單點(diǎn)試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。快速老化試驗(yàn)結(jié)果顯示自制催化劑的劣化率要略高于國(guó)外催化劑，但兩組催化劑的耐久態(tài)均能使發(fā)動(dòng)機(jī)排放滿足國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)要求。研究還從化學(xué)角度出發(fā)建立了催化劑綜合性能與其結(jié)構(gòu)組成的構(gòu)效關(guān)系，其中，對(duì)NOx催化性能-結(jié)構(gòu)關(guān)系分

5、析表明，催化劑中V2O5含量可影響催化劑的溫度窗口偏移，高V2O5含量利于低溫活性。對(duì)催化劑耐久性能-結(jié)構(gòu)關(guān)系分析表明，水熱老化對(duì)催化劑的劣化主要表現(xiàn)在催化劑BET值的損失率上，而B(niǎo)ET損失又與催化劑組分中V2O5和SiO2含量相關(guān)。V2O5含量過(guò)高將會(huì)導(dǎo)致催化劑老化過(guò)程中的BET值損失率上升，使性能劣化率升高;但V2O5含量的增加可提高催化劑的低溫轉(zhuǎn)化效率。SiO2的影響則在于提高催化劑新鮮態(tài)的BET值，擴(kuò)寬催化劑的劣化承受空間，但添

6、加過(guò)量則會(huì)導(dǎo)致催化活性位點(diǎn)數(shù)減少，催化劑活性下降。因此在實(shí)際催化劑制備過(guò)程中應(yīng)根據(jù)所匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況權(quán)衡考慮V2O5和SiO2的含量。
　　針對(duì)POC的研究分為金屬和陶瓷POC的PM去除性能優(yōu)化及二者的綜合性能對(duì)比兩方面。試驗(yàn)均在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行。研究基于金屬絲網(wǎng)纏繞方式及波紋網(wǎng)高度對(duì)金屬基POC制備方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)臺(tái)架ESC及ETC測(cè)試結(jié)果確定了最優(yōu)制備方案，即采用兩平一波方式纏繞，金屬波紋網(wǎng)高度定為1.3 mm;從

7、載體目數(shù)及布置方式對(duì)陶瓷POC選型方案進(jìn)行了優(yōu)化，以ESC和ETC測(cè)試結(jié)果為評(píng)判依據(jù)，確定了最優(yōu)陶瓷POC制備方案，即采用300目載體，2小塊布置（直徑*高度:143.8*76.22塊）。之后對(duì)最優(yōu)金屬和陶瓷基POC方案進(jìn)行了全面比較，結(jié)果顯示兩種材料POC均可使發(fā)動(dòng)機(jī)排放滿足國(guó)Ⅳ法規(guī)要求;金屬POC的顆粒排放較陶瓷POC更低，而排氣背壓和最大顆粒承載量較陶瓷POC高;陶瓷POC在抗燒損能力上要強(qiáng)于金屬POC，因此前者的穩(wěn)定性要好于后者

8、。由于POC/SCR組合后處理系統(tǒng)對(duì)POC轉(zhuǎn)化器的穩(wěn)定性有著很高的要求，因此決定選用陶瓷POC作為組合后處理系統(tǒng)POC方案。最后基于排放性能及排氣背壓對(duì)陶瓷POC上催化涂層的涂覆量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了最優(yōu)涂覆量（10g/L）。
　　針對(duì)POC/SCR的后處理方式進(jìn)行了封裝設(shè)計(jì)。將催化轉(zhuǎn)化器分成前后級(jí):前級(jí)催化轉(zhuǎn)化器為DOC+POC兩個(gè)載體;后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器為兩個(gè)SCR載體。利用評(píng)價(jià)載體前端面氣流均勻性的指標(biāo)提出評(píng)價(jià)氣流和還原劑分布

9、的接受標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)CFD仿真分析對(duì)催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其均勻性系數(shù)分別為0.95和0.90，整體催化轉(zhuǎn)化器背壓小于25 kPa。針對(duì)前級(jí)催化轉(zhuǎn)化器DOC載體前的均勻性，設(shè)計(jì)變密度混合器，使氣流均勻性系數(shù)達(dá)到接受標(biāo)準(zhǔn);針對(duì)后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器的第一個(gè)SCR載體前的均勻性，合理排布堵蓋小孔孔徑及排布位置，使氣流均勻性系數(shù)達(dá)到接受標(biāo)準(zhǔn)。將前后級(jí)分開(kāi)進(jìn)行CFD計(jì)算與將前后級(jí)合并起來(lái)進(jìn)行CFD計(jì)算，通過(guò)結(jié)果對(duì)比可得兩者差異很小，針對(duì)“一”字型

10、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改型驗(yàn)證時(shí)可分塊進(jìn)行CFD計(jì)算驗(yàn)證，縮短計(jì)算時(shí)間。最后進(jìn)行了瞬態(tài)噴霧分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的催化轉(zhuǎn)化器在均勻性和背壓方面均滿足設(shè)計(jì)要求。
　　最后以493非電控柴油機(jī)為測(cè)試對(duì)象，在臺(tái)架上開(kāi)展了POC/SCR組合后處理系統(tǒng)的排放性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示應(yīng)用POC或SCR單后處理系統(tǒng)僅能使NOx和PM污染物中的一種滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)，另一種污染物排放則不能。POC+SCR組合后處理系統(tǒng)在排放測(cè)試中對(duì)NOx和PM均表現(xiàn)出較高的去除效率，使

11、發(fā)動(dòng)機(jī)的ESC和ETC排放完全滿足國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)POC的被動(dòng)再生過(guò)程研究表明，POC置于SCR系統(tǒng)前可保證POC入口處的NO2量能滿足POC的連續(xù)被動(dòng)再生要求;因此最終確定POC+SCR是本試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳后處理布置方式。之后對(duì)POC+SCR組合后處理系統(tǒng)進(jìn)行了WHTC測(cè)試，結(jié)果表明應(yīng)用上述組合后處理系統(tǒng)后試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和PM排放可滿足HJ689-2014法規(guī)第Ⅴ階段限值要求。最后進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)200 h耐久循環(huán)試驗(yàn)，耐久后發(fā)動(dòng)機(jī)的