固态铵SCR技术铵盐分解及NO_x低温还原特性研究

发布时间：2017-10-02 07:07

  本文关键词：固态铵SCR技术铵盐分解及NO_x低温还原特性研究

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【摘要】：选择性催化还原(SCR)技术是当前降低柴油机NOX排放的主流技术,固态铵SCR(SSCR)技术在机外加热铵盐产生氨气,不受发动机排气温度限制,解决了尿素SCR技术低温工况还原剂不足、沉积物堵塞等问题,是尿素SCR技术的重要补充及发展方向之一。本文围绕SSCR技术,对铵盐分解特性、分解动力学,SSCR喷射系统铵盐重结晶,重结晶物的分解特性,SSCR低温反应特性等关键科学问题进行了试验研究。通过热重分析研究了碳酸氢铵、碳酸铵、氨基甲酸铵在持续升温、恒温温加热过程中的分解特性,结合积分法和等温法,研究了碳酸铵、氨基甲酸铵的分解动力学,试验温度范围为50℃~100℃,研究结果表明:碳酸氢铵、碳酸铵、氨基甲酸铵热分解为单一过程,无中间产物;相同加热速率时,分解速率由高到低依次为氨基甲酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵。氨基甲酸铵和碳酸铵在室温下就能缓慢分解,碳酸氢铵的起始分解温度约为80℃;恒温分解过程中,分解率由高到低依次为氨基甲酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵;氨基甲酸铵和碳酸铵更易分解,更适合作为SSCR氨源;氨基甲酸铵分解级数为1/2级,表观活化能为56382J/mol,表观指前因子为6.07×105s-1;碳酸铵分解级数为2/3级,表观活化能为62614 J mol,表观指前因子为4.33×106s-1。为研究碳酸铵和氨基甲酸铵重结晶,建立了SSCR喷射系统,设计了系统保温装置及结晶测试台架,试验研究了碳酸铵和氨基甲酸铵在实际喷射系统管路的结晶问题,研究表明,喷射压力恒定,当喷射系统管路某处温度低于一定值时,碳酸铵和氨基甲酸铵热解产生的气体会在该处重新凝结,喷射压力与结晶温度一一对应;喷射压力分别为40k Pa、70k Pa、100k Pa、130k Pa、160k Pa、190k Pa、220k Pa时,碳酸铵重结晶温度分别约为56℃、60℃、63℃、66℃、68℃、71℃、73℃,氨基甲酸铵重结晶温度分别约为57℃、61℃、64℃、67℃、69℃、72℃、74℃;喷射参数不改变结晶温度;试验系统产生的结晶物经过加热即可完全消除。通过热重试验,分析了碳酸铵和氨基甲酸铵结晶物的分解特性以及两种铵盐经过试验过程反复加热、冷却后的分解特性,结果表明:碳酸铵结晶物分解特性与碳酸铵一致,氨基甲酸铵结晶物的分解特性与氨基甲酸铵一致;碳酸铵和氨基甲酸铵经过多次加热、冷却后依然维持原有分解特性,反复加热、冷却未改变其性状。通过发动机台架试验研究了SSCR系统铜基分子筛催化剂的低温催化还原反应特性、储氨特性,对比了低温下尿素SCR的转化效率,研究了混合器对SSCR系统转化效率的影响,建立了铜基分子筛催化器的控制模型,提出了基于氨泄漏的氨气喷射控制策略。结果表明:NOX转化效率与催化还原反应速率的变化过程一致,加快反应速率能提升NOX转化效率;催化器温度对反应速率的影响大于空速的影响,催化器温度越低,空速对催化还原反应速率的影响越明显;空速恒定时,随温度升高,催化器饱和储氨量降低;温度恒定时,随空速增大,饱和储氨量降低;在210℃以下,有大量氨存储在催化器中未发生反应,当催化器出口NOX浓度恢复至初始浓度的95%时,存储的氨不能被完全消耗,温度越低,空速越大,这部分氨占饱和储氨量的比例越高。SSCR系统较尿素SCR系统在低温下具有更高的NOX转化效率,同时氨泄漏量更多。混合器对SSCR系统低温转化效率有提升,但作用不明显。
【关键词】：柴油机 固态选择性催化还原 分解特性 重结晶 反应特性
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.3;TK421.5
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-12
• 第1章 绪论12-30
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 柴油机SCR后处理技术研究进展概述13-26
• 1.2.1 柴油机尿素SCR技术国内外研究现状14-20
• 1.2.2 柴油机固态SCR(SSCR)技术研究现状20-24
• 1.2.3 柴油机SCR喷射控制及氨泄漏控制24-26
• 1.3 主要研究内容及论文结构26-30
• 第2章 铵盐分解特性30-56
• 2.1 铵盐氨含量对比30-32
• 2.2 铵盐热分解过程32-40
• 2.2.1 试验设备及方法32-33
• 2.2.2 变温热重分析33-37
• 2.2.3 恒温热重分析37-40
• 2.3 铵盐热分解动力学参数的求解40-53
• 2.3.1 动力学参数的求解方法40-41
• 2.3.2 碳酸铵的反应级数及速率常数41-46
• 2.3.3 碳酸铵的表观活化能与表观指前因子46-47
• 2.3.4 氨基甲酸铵的反应级数及速率常数47-52
• 2.3.5 氨基甲酸铵的表观活化能与表观指前因子52-53
• 2.4 本章小结53-56
• 第3章 SSCR喷射系统重结晶试验56-82
• 3.1 试验原理与系统搭建56-61
• 3.1.1 试验系统原理56-58
• 3.1.2 试验系统关键技术实现58-61
• 3.2 碳酸铵、氨基甲酸铵结晶试验61-76
• 3.2.1 碳酸铵重结晶62-66
• 3.2.2 氨基甲酸铵重结晶66-69
• 3.2.3 试验结果分析69-75
• 3.2.4 喷射参数对结晶温度的影响75
• 3.2.5 管路降温速率对结晶温度的影响75-76
• 3.3 结晶产物及试验后铵盐的分解特性76-79
• 3.3.1 碳酸铵重结晶产物的受热分解76-77
• 3.3.2 氨基甲酸铵重结晶产物的受热分解77-79
• 3.4 本章小结79-82
• 第4章 SSCR系统NOx低温反应特性研究82-114
• 4.1 试验装置82-83
• 4.2 低温下的氨存储和反应速率83-109
• 4.2.1 试验方法83-84
• 4.2.2 氨存储及反应速率的空速特性84-98
• 4.2.3 氨存储及反应速率的温度特性98-107
• 4.2.4 氨氮比对转化效率的影响107-109
• 4.3 SSCR与尿素SCR低温转化效率109-112
• 4.3.1 限制氨泄漏下转化效率特性109-110
• 4.3.2 极限转化效率特性110-111
• 4.3.3 混合器对SSCR转化效率的影响111-112
• 4.4 本章小结112-114
• 第5章 基于模型的SSCR氨气喷射控制策略114-126
• 5.1 SCR催化器模型的建立114-124
• 5.1.1 催化器中的化学反应114-115
• 5.1.2 催化器控制模型的建立115-122
• 5.1.3 基于模型的前馈控制策略122-124
• 5.2 本章小结124-126
• 第6章 总结与展望126-130
• 6.1 主要研究研究工作和结论126-128
• 6.2 主要创新点128-129
• 6.3 研究展望129-130
• 参考文献130-144
• 攻读博士学位期间发表的论文及专利144-146
• 致谢146

【参考文献】

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本文编号：958200