柴油机SCR系统尿素转氨及沉积物形成详细反应机理研究

发布时间：2020-07-03 01:09

【摘要】：国V、国VI法规的相继实施和颁布,对柴油机NOx(氮氧化物)排放水平进行了大幅削减。Urea-SCR(尿素-选择性催化还原)技术以其良好的燃油经济性、较高的NOx转化效率、还原剂供给安全性、较宽的催化剂温度适应范围等优势,成为柴油机最理想的NOx后处理技术。然而,以喷射尿素作为还原剂NH3(氨气)的供给来源,要求尿素转氨的分解过程能够快速高效地完成。尿素的不完全分解直接影响NH3转化效率,使副反应发生概率增加,SCR系统内尿素沉积物形成风险上升。本文详细研究了尿素分解的过程,完善并提出尿素分解的详细反应网络框架,从微观化学反应机理出发探究沉积物的形成原因,寻找减少沉积物形成的理论方法。构建了尿素分解及沉积物形成的详细反应机理模型,结合CFD方法对SCR系统排气管尿素分解段进行物理建模,实现对Urea-SCR系统尿素分解的仿真分析。建立了三个评价指标对尿素分解效果进行量化评价,研究运行参数对尿素分解效果的影响,为Urea-SCR系统运行参数的优化匹配提供理论参考。通过文献查阅和化学结构分析的方法,构建了包含7个子模型的尿素分解详细反应网络,不但可说明尿素分解常见产物如NH3、HNCO(异氰酸)的形成过程,还可解释biuret(缩二脲)、triuret(缩三脲)、cyanuricacid(三聚氰酸)、trazines(三嗪类)等副产物的反应来源和形成途径。研究并完善了众多文献中提及但未深入说明的melon、melam、melem等沉积物组分的形成过程。根据尿素分解的详细反应框架,以原11步反应机理为基础,建立了包含缩三脲(triuret)、三聚氰酸二酰胺(ammeline)、三聚氰胺(melamine)等全新组分的共18种组分、15步反应的尿素分解化学动力学模型,进一步拓展了机理的预测范围。利用量子化学和过渡态理论估算求取ammeline、melamine生成反应的化学动力学参数,采用基团贡献法估算获得ammeline、melamine、triuret等物质的热力学参数,解决了无法通过试验和文献获得反应动力学参数和物性参数的问题。采用STAR CCM+软件调用15步详细机理模拟了尿素分解过程。通过对比使用总包反应和详细反应机理模拟得到的随温度变化出口截面NH3摩尔分数曲线、沉积物biuret、ammeline的摩尔分数曲线与相关试验现象,初步验证了详细机理的可靠性。模拟分析了 SCR系统排气管尿素分解段的温度分布、沿管路长度和直径方向截面的组分分布、出口截面NH3分布。运用控制变量法,研究排气温度、排气流量、尿素喷射量、喷雾锥角、喷雾温度等运行参数对尿素转氨效率、出口截面NH3均匀性、沉积物生成量的影响,综合评价其对尿素分解过程的作用。研究表明,在变量设置范围内,排气温度、排气流量、尿素溶液喷射量对尿素分解效果影响最明显;提高排气温度、适当增加排气流量有利于尿素分解;尿素溶液喷射量过大会使尿素分解效果迅速恶化;喷雾锥角、喷雾温度对尿素分解的影响较弱。尿素转氨效率随喷雾锥角、喷雾温度的变化幅度不超过5%,基本稳定在52%附近。出口氨气均匀性系数几乎不受喷雾锥角、喷雾温度变化的影响。喷雾锥角、喷雾温度对沉积物生成量的变化有一定作用,但变化幅度有限。且不同种类的副产物可能呈现不同的变化规律。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK421.5
【图文】：

阶段,柴油机,排放量,硕士学位论文

硕士学位论文逦桊油机ＳＣＲ系统尿素精ex及筑积物形成详Ｉ到国ＶＩ标准，对污染物的排放限值要求日益严格，排放种类限备柴油机的第一类车为例，从国ＩＩＩ到国ＶＩ标准的污染物的排放削。柴油机主要污染物ＮＯｘ、ＰＭ排放限值均大幅削减，ＮＯｘ需从０．５邋８／１0１１，？１＾需从０．０５§／丨0１１降低到０．００３邋§／丨0１１，削减比例分别为９３％、Ｖ阶段对柴油机的ＨＣ排放不做单独要求，但对ＮＯｘ与ＨＣ的排放ＶＩ阶段开始，将分别对柴油机排放的（ＴＨＣ）总碳氢和（ＮＭＨＣ）制。从国Ｖ、ＶＩ阶段开始，除了限值ＰＭ排放量，还将限值颗粒排段还将限制Ｎ２０的排放量。ＮＯｘ排放成为升级国ＶＩ标准的控制关键０．８逡逑

示意图,尿素,示意图,催化器

图１－３尿素ＳＣＲ系统示意图［１５］逡逑Ｆｉｇ．邋ｌ－３Ｕｒｅａ邋ＳＣＲ邋Ｓｙｓｔｅｍ邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑图１－３展示了典型尿素ＳＣＲ系统的结构组成部分。其主要由尿素存储装置、尿素供逡逑给系统、催化器、控制单元构成。控制单元根据传感器采集到的催化器进出口温度信号、逡逑ＮＯｘ和ＮＨ３的浓度信号，控制尿素喷射系统的尿素喷射量。其中催化器是整个系统的逡逑核心装置，整个催化还原反应均在催化器内进行。其反应原理如图１－４所示。逡逑尿索溶液喷射逦／逡逑广邋携气邋、逡逑ｖ邋＾逡逑ｎ逦／逦尿素分解爸段逦裒我化物P暬五危椋㈠义瞎阋唬卞危苠位褂导粒危龋樽嫱劐挝郏＃保迪垮危叔义希蓿危希五五五义希魏澹希溴澹龋危茫希哄危矗撸蝳一邋Ｎ，逡逑＇＇￣逦ＨＮＣ＇０＋Ｈ：０—ＮＨ？Ｋ邋Ｏ：逦４ＮＨｊ＊２ＮＯ＋２ＮＯ；邋？４Ｎ：＾ＳＨ：０逡逑图１－４尿素ＳＣＲ系统反应原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｕｒｅａ邋ＳＣＲ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ逡逑（ｉ）氨气的生成：尿素水溶液喷射进入排气管后，尿素水溶液蒸发析出尿素颗粒逡逑—ＣＯ＿２）２。尿素受热发生热解反应，生成氨气和异氰酸，异氰酸进一步发生水解反逡逑应，反应式分别为式（１－１）、（１－２）。逡逑Ｈ逡逑

【参考文献】