莫春蘭，莫益濤，陳俊紅，龍華林，邱崇桓，江明儒

柴油機(jī)SCR系統(tǒng)尿素的熱分解過程研究

莫春蘭1，莫益濤1，陳俊紅2，龍華林1，邱崇桓1，江明儒1

(1. 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；2. 玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537005)

建立尿素?zé)岱纸饣瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)尿素選擇性催化還原(urea-selective catalytic reduction，Urea-SCR)系統(tǒng)中尿素受熱分解反應(yīng)的溫度特性進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)分析和模擬．結(jié)果表明，排氣溫度對(duì)沉積物結(jié)晶成分影響很大，當(dāng)溫度較低時(shí)，結(jié)晶以尿素為主，隨著溫度的升高，縮二脲、三聚氰酸等副產(chǎn)物開始逐漸形成，結(jié)晶中存在尿素、縮二脲、三聚氰酸以及三聚氰酸一酰胺的溫度區(qū)間分別為300～540K、430～540K、480～660K和500～720K．同時(shí)開展熱重分析(thermogravimetric analysis，TGA)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，結(jié)晶的主要成分在300～500K時(shí)為尿素，500～510K時(shí)為縮二脲，510～620K時(shí)為三聚氰酸，620～720K時(shí)為三聚氰酸一酰胺．模擬計(jì)算結(jié)果中的結(jié)晶率曲線與試驗(yàn)結(jié)果的熱重分析(TGA)曲線吻合，說明該數(shù)值模型可以預(yù)測(cè)尿素在不同溫度下的熱分解反應(yīng)路徑和分解副產(chǎn)物．

尿素；沉積物；動(dòng)力學(xué)模型；溫度；熱重分析

隨著國(guó)Ⅴ、國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)排放法規(guī)的相繼頒布，如何降低重型柴油機(jī)NO排放的控制技術(shù)成為了內(nèi)燃機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)．尿素選擇性催化還原技術(shù)(Urea-SCR)通過將尿素水溶液(32.5%尿素和67.5%水)噴射入排氣管中為SCR系統(tǒng)提供還原劑氨氣，以其良好的經(jīng)濟(jì)性和高NO轉(zhuǎn)化率成為當(dāng)前最為行之有效的重型柴油機(jī)NO后處理技術(shù)．然而，在尿素轉(zhuǎn)化成氨氣的過程中，由于霧化不均勻、發(fā)動(dòng)機(jī)功率過低等因素的影響，尿素還會(huì)生成如異氰酸、縮二脲、三聚氰酸等副產(chǎn)物，最終會(huì)在排氣管內(nèi)壁形成沉積物結(jié)晶．排氣管中的結(jié)晶現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致尿素轉(zhuǎn)氨效率下降，排氣背壓增大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致排氣管堵塞，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能．因此，通過模擬仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究各尿素?zé)岱纸飧碑a(chǎn)物的生成條件和反應(yīng)機(jī)理，從而提出減少沉積物生成的控制措施對(duì)提高SCR系統(tǒng)的NO轉(zhuǎn)化效率具有重大意義．

高俊華等[1]、白鳳月等[2]使用熱重分析儀、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、傅里葉紅外光譜儀、核磁共振機(jī)等設(shè)備發(fā)現(xiàn)尿素沉積物結(jié)晶主要由尿素、三聚氰酸組成．Weeks等[3]采用液相色譜儀、熱重分析儀以及紅外光譜儀發(fā)現(xiàn)沉積物中除了尿素、縮二脲、三聚氰酸外，還有少量的三聚氰胺和縮三脲存在．在沉積物結(jié)晶生成機(jī)理研究方面，Ebrahimian等[4]提出了一個(gè)含有12步基元反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力模型，并且將其與TGA(熱重分析)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證機(jī)理的準(zhǔn)確性.針對(duì)固態(tài)尿素與尿素水溶液在分解過程時(shí)所需活化能不同這一問題，Brack等[5]在Ebrahimian的基礎(chǔ)上提出了包含了固態(tài)、熔融態(tài)和氣態(tài)組分的15步基元反應(yīng)的化學(xué)模型，從而解決了Ebrahimian模型在高溫段(670～900K)準(zhǔn)確度不高的缺點(diǎn)．

上述研究主要側(cè)重于尿素分解過程中沉積物結(jié)晶的總質(zhì)量變化，而忽略了尿素、縮二脲、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺等物質(zhì)各自的質(zhì)量變化．因此本文從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，構(gòu)建了包含尿素、縮二脲、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺的化學(xué)機(jī)理模型，并使用Chemkin軟件包模擬尿素及其副產(chǎn)物的生成和熱解反應(yīng)路徑，將模擬結(jié)果與熱重分析試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定尿素、縮二脲、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺的生成和分解條件，以及在不同溫度下的受熱分解產(chǎn)物，提出減少沉積物形成的方法．

1?數(shù)值模擬模型建立

1.1?尿素?zé)峤饽Ｐ?/h3>

尿素的熱分解過程包含了復(fù)雜的物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程，其數(shù)值模擬結(jié)果受到諸如排氣溫度、排氣流速以及所采用的反應(yīng)機(jī)理等因素影響，從盡可能預(yù)測(cè)沉積物的主要組分生成和分解條件以及減少計(jì)算時(shí)間兩方面考慮，需要對(duì)模擬過程中采用的計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化．

干旭波[6]對(duì)SCR一維排氣管內(nèi)結(jié)晶過程進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了排氣溫度、UWS噴射速率和排氣流動(dòng)狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)對(duì)排氣管內(nèi)尿素的分解和結(jié)晶的影響，并將單因素變化對(duì)結(jié)晶率的影響幅度做敏感性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)晶率對(duì)排氣溫度變化的敏感性最強(qiáng)，其他因素的影響較?。瑫r(shí)還發(fā)現(xiàn)結(jié)晶成分與排氣溫度也密切相關(guān)，隨著溫度的上升，沉積物結(jié)晶內(nèi)的尿素逐漸減少，而縮二脲、三聚氰酸等副產(chǎn)物逐漸增多．本文著重分析SCR系統(tǒng)尿素?zé)岱纸膺^程中各關(guān)鍵沉積物結(jié)晶量及結(jié)晶成分的變化，以構(gòu)建尿素及其副產(chǎn)物在不同溫度下的生成與分解機(jī)理，所以本文在構(gòu)建模型時(shí)忽略了排氣流速以及尿素噴霧特性的影響，僅考慮排氣溫度對(duì)模擬結(jié)果的影響．

Schaber等[7]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，尿素在受熱分解過程中，固體殘余物如尿素(urea)、縮二脲(biuret)、三聚氰酸(CYA)和三聚氰酸一酰胺(ammelide)的質(zhì)量所占沉積物總質(zhì)量的90%以上，而三聚氰酸二酰胺和三聚氰胺等其他產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于沉積物總質(zhì)量的5%．在此基礎(chǔ)上，本文尿素?zé)岱纸饣瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的反應(yīng)機(jī)理選取了沉積物中的主要物質(zhì)縮二脲、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺，忽略其他產(chǎn)物．

尿素在熱解過程中，由于尿素、縮二脲、三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺的分解溫度低于其熔點(diǎn)，導(dǎo)致這4種物質(zhì)的熔融相只會(huì)出現(xiàn)在很小的溫度區(qū)間內(nèi)，因此Ebrahimian等[4]在他的尿素分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型中，忽略了熔融相產(chǎn)物的存在，假設(shè)所有分解反應(yīng)都只發(fā)生在固相與氣相之間，并通過TGA實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)假設(shè)可以在溫度低于670K時(shí)成立．由于尿素的分解反應(yīng)大部分發(fā)生在400～700K之間，因此本文忽略了熔融相產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)的影響．

在Ebrahimian的12步反應(yīng)機(jī)理中，前9步為純尿素的分解反應(yīng)機(jī)理，后3步為尿素水溶液(urea-water solution，UWS)中尿素的分解反應(yīng)機(jī)理．然而，在國(guó)內(nèi)外的研究中[8-9]，當(dāng)UWS噴射入高溫排氣中時(shí)，由于尿素的蒸發(fā)速率相對(duì)于水的蒸發(fā)速率非常小，水首先蒸發(fā)，隨著液滴中尿素的濃度上升，可能會(huì)發(fā)生以下兩種情況．一是當(dāng)液滴直徑較小或者水的蒸發(fā)速率較低時(shí)，液滴內(nèi)的尿素濃度均勻增加，最后形成固體小顆粒；二是當(dāng)液滴直徑過大或者水的蒸發(fā)速率過高時(shí)，液滴表面的尿素濃度會(huì)急劇增大，最終在表面形成一層固體尿素殼，剩余的水會(huì)在殼內(nèi)蒸發(fā)．不管哪一種情況發(fā)生水都先于尿素被完全蒸發(fā)，因此本研究中假設(shè)純尿素與UWS中的尿素的分解反應(yīng)路徑一致[10]．

基于以上假設(shè)，本文提出一個(gè)9步尿素分解的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力模型，如表1所示．

表1?尿素?zé)峤饣瘜W(xué)反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)

Tab.1?Kineticscheme for urea thermolysis

1.2?Chemkin模型設(shè)置

為了從數(shù)值模擬角度研究尿素在不同溫度下的熱解產(chǎn)物，本文采用Chemkin 17.0軟件包中的完全攪拌反應(yīng)器模型(perfectly stirred reactor，PSR)建立尿素?zé)峤饽Ｐ鸵阅M尿素的受熱分解過程，根據(jù)Joback基團(tuán)貢獻(xiàn)法[11]計(jì)算的尿素及其副產(chǎn)物的熱物性參數(shù)如表2所示．

參與反應(yīng)的物質(zhì)的比熱、焓、熵等熱力學(xué)參數(shù)以表2中的NASA熱力學(xué)多項(xiàng)式的形式輸入．這個(gè)多項(xiàng)式包括2個(gè)擬合溫度區(qū)間，每個(gè)擬合溫度區(qū)間包括7個(gè)多項(xiàng)式擬合系數(shù)．表2中尿素及其副產(chǎn)物的擬合溫度區(qū)間為300～600K和600～1500K，前7個(gè)系數(shù)為300～600K時(shí)的多項(xiàng)式擬合系數(shù)，后7個(gè)系數(shù)為600～1500K時(shí)的多項(xiàng)式擬合系數(shù)．尿素及其副產(chǎn)物的比熱、焓、熵的計(jì)算公式如式(5)～(7)[11]．

表2?尿素及其副產(chǎn)物的熱物性參數(shù)

Tab.2?Thermodynamic data of urea and its by-products

2?沉積物各組分的TG/DTG試驗(yàn)研究

為了能夠與Chemkin數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析從而驗(yàn)證尿素分解化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力模型，本文設(shè)計(jì)了尿素、縮二脲、三聚氰酸以及三聚氰酸一酰胺的熱重分析試驗(yàn)．熱重分析試驗(yàn)使用的一臺(tái)德國(guó)耐馳公司生產(chǎn)的Q50熱分析儀．采用的固體標(biāo)樣包括純尿素(天津大茂化學(xué)試劑廠，純度≥99.0%)、縮二脲(天津遠(yuǎn)航化學(xué)品有限公司，純度≥99.5%)、三聚氰酸(MACKLIN公司，純度≥98.0%)和三聚氰酸一酰胺(上海源葉生物科技有限公司，純度≥98.0%)．

分別取樣品10mg，將其置入以空氣為載氣的熱重分析儀中，以10K/min的升溫速率由300K升溫至900K．熱重分析試驗(yàn)在流動(dòng)空氣中進(jìn)行，空氣流速為50mL/min，使用的反應(yīng)容器坩堝材料為氧化鋁．試驗(yàn)完成后分別得到尿素、縮二脲、三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺的質(zhì)量變化(TG)和質(zhì)量變化率(DTG)曲線．DTG是TG的一次微分曲線．

3?模擬與試驗(yàn)結(jié)果的比較與分析

由尿素分解及副產(chǎn)物形成網(wǎng)絡(luò)(見圖1)可知，尿素受熱分解過程中的各副產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化關(guān)系可以總結(jié)為尿素→縮二脲→三聚氰酸→三聚氰酸一酰胺．尿素的三級(jí)產(chǎn)物三聚氰酸一酰胺作為反應(yīng)鏈的最后一步，它所涉及的生成和分解反應(yīng)只有表1中的反應(yīng)式(R8)和(R9)．

因此，從三聚氰酸一酰胺的生成和分解入手，逐步研究三聚氰酸、縮二脲的形成和反應(yīng)條件，最后結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果綜合得到不同溫度下尿素分解的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理．為了研究尿素的結(jié)晶特性，本文定義剩余固體質(zhì)量與初始樣品質(zhì)量之比為結(jié)晶率，0和100%的結(jié)晶率分別表示物質(zhì)完全分解和沒有分解．因此，樣品的結(jié)晶率曲線可視為其模擬TG曲線，通過對(duì)結(jié)晶率曲線求一次微分的方式也可以得到其模擬DTG曲線．

圖1?尿素-縮二脲-三聚氰酸-三聚氰酸一酰胺反應(yīng)模型網(wǎng)絡(luò)

3.1?三聚氰酸一酰胺的分解

由圖2可見，三聚氰酸一酰胺在600K時(shí)開始通過反應(yīng)式(R9)分解，640K時(shí)開始大量分解，并在720K時(shí)基本分解完全，由于反應(yīng)(R9)中只包含三聚氰酸一酰胺這一個(gè)固體反應(yīng)物且沒有固體生成物，因此根據(jù)結(jié)晶率的定義，圖2中TG模擬曲線與結(jié)晶率模擬曲線重疊．

圖2?三聚氰酸一酰胺分解模擬曲線

根據(jù)三聚氰酸一酰胺的DTG試驗(yàn)曲線(圖3)中觀測(cè)到的兩個(gè)質(zhì)量損失波峰(1′，2′)形成的位置，將圖3中三聚氰酸一酰胺的TG試驗(yàn)曲線分成590～720K和720～850K兩個(gè)質(zhì)量損失階段，如圖3中的′和′，它們的質(zhì)量損失分別為82%和18%．與三聚氰酸一酰胺DTG試驗(yàn)曲線不同，DTG模擬曲線中只出現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量損失波峰(如圖3中1)，因此三聚氰酸一酰胺的TG模擬曲線只有一個(gè)質(zhì)量損失階段(600～720K)．這種差異是由于在試驗(yàn)中的590～720K溫度區(qū)間內(nèi)，絕大部分三聚氰酸一酰胺發(fā)生反應(yīng)(R9)分解成異氰酸、氰化氫和氨氣，但是仍有少部分三聚氰酸一酰胺通過式(8)、(9)中的反應(yīng)生成三聚氰酸二酰胺(ammeline)和三聚氰胺(melamine)以及生成三均三嗪類(heptazines)物質(zhì)如蜜白胺(melam)和蜜勒胺(melem)等高分子產(chǎn)物，如式(10)、(11)[12]．

ammelide＋NH3→ammeline＋H2O(8)

ammeline＋NH3→melamine＋H2O(9)

melamine＋ammeline→melam＋H2O(10)

melam→melem＋NH3(11)

這類產(chǎn)物的耐高溫性要高于三聚氰酸一酰胺，需要溫度達(dá)到850K才能完全分解，因此三聚氰酸一酰胺TG試驗(yàn)曲線在720～850K時(shí)的質(zhì)量損失速率遠(yuǎn)低于590～720K，在DTG試驗(yàn)曲線中即表現(xiàn)為有兩個(gè)質(zhì)量損失波峰．

圖3?三聚氰酸一酰胺分解模擬與試驗(yàn)曲線對(duì)比

3.2?三聚氰酸的分解

模擬計(jì)算結(jié)果圖4中540K時(shí)三聚氰酸開始分解，并且通過反應(yīng)式(R7)分解成異氰酸，由于異氰酸在高溫時(shí)呈氣態(tài)，沉積物結(jié)晶率開始急速下降．幾乎在同樣的溫度下反應(yīng)(R8)發(fā)生，三聚氰酸與自身分解產(chǎn)生的異氰酸反應(yīng)生成三聚氰酸一酰胺；由上述內(nèi)容可知600K時(shí)三聚氰酸一酰胺開始分解；620K時(shí)由于三聚氰酸一酰胺的分解速率等于生成速率，其剩余質(zhì)量達(dá)到最高．沉積物中的三聚氰酸在660K時(shí)基本完全分解，720K時(shí)三聚氰酸一酰胺完全分解．

根據(jù)圖5中的DTG模擬曲線中的兩個(gè)質(zhì)量損失波峰1和2的形成位置，將圖中的三聚氰酸TG-模擬曲線分為、兩個(gè)質(zhì)量損失階段．階段(540～660K)為三聚氰酸的分解和三聚氰酸一酰胺的形成和分解；階段(660～720K)為三聚氰酸一酰胺的分解，此階段三聚氰酸已經(jīng)完全分解．根據(jù)圖5三聚氰酸DTG試驗(yàn)曲線中質(zhì)量損失波峰的形成位置(1′，2′)也可以將圖5中的三聚氰酸熱重TG試驗(yàn)曲線區(qū)分為′和′兩個(gè)階段．對(duì)比圖5的TG模擬曲線與TG試驗(yàn)曲線可以看出，TG試驗(yàn)曲線中階段′內(nèi)沉積物損失的質(zhì)量為98%，而TG模擬曲線中經(jīng)過階段后沉積物只損失了87%的質(zhì)量，這是由于在試驗(yàn)中，三聚氰酸除了與異氰酸生成三聚氰酸一酰胺外，還與空氣中的水生成氨氣和二氧化碳[13]，如式(12)所示；三聚氰酸一酰胺也會(huì)在這個(gè)溫度區(qū)間與氨氣反應(yīng)生成三聚氰酸二酰胺和水，如式(8)，然而這兩步反應(yīng)并沒有包括在表1使用的反應(yīng)機(jī)理中，導(dǎo)致在三聚氰酸分解過程中，熱重試驗(yàn)中階段′內(nèi)的質(zhì)量損失大于模擬中階段中的質(zhì)量損失．

CYA＋3H2O→3NH3＋3CO2(12)

圖4?三聚氰酸分解模擬曲線

圖5?三聚氰酸分解模擬與試驗(yàn)曲線對(duì)比

3.3?縮二脲的分解

圖6表明，470K縮二脲開始融化并且通過反應(yīng)式(R5)分解成尿素和異氰酸，尿素在溫度大于420K時(shí)變得極其不穩(wěn)定，并通過反應(yīng)式(R1)～(R3)分解成異氰酸和氨氣，所以在模擬曲線中幾乎看不到尿素剩余質(zhì)量的變化；同時(shí)，未分解完的縮二脲和異氰酸在480K時(shí)通過反應(yīng)式(R6)生成三聚氰酸和氨氣；當(dāng)溫度處于520～580K之間，三聚氰酸的剩余質(zhì)量呈較為穩(wěn)定的趨勢(shì)，三聚氰酸的分解溫度是540K，并于660K時(shí)分解完全．500K時(shí)，三聚氰酸一酰胺開始通過反應(yīng)式(R8)生成，并于720K時(shí)完全分解．

圖6?縮二脲分解模擬曲線

圖7?縮二脲分解模擬與試驗(yàn)曲線對(duì)比

3.4?尿素的分解

圖8中尿素在420K時(shí)經(jīng)由反應(yīng)(R1)～(R3)分解成氨氣和異氰酸；當(dāng)溫度高于430K時(shí)，未分解的尿素與異氰酸經(jīng)由反應(yīng)(R4)生成縮二脲，縮二脲在470K時(shí)開始分解，并在490K時(shí)生成速率等于分解速率，其剩余質(zhì)量達(dá)到最大值，尿素和縮二脲在540K時(shí)基本分解完全；當(dāng)溫度達(dá)到480K時(shí)，反應(yīng)(R6)開始發(fā)生并開始生成三聚氰酸，三聚氰酸在550K時(shí)剩余質(zhì)量達(dá)到最大值，660K時(shí)完全分解；三聚氰酸一酰胺在溫度達(dá)到500K時(shí)由三聚氰酸通過反應(yīng)(R8)生成，并在720K時(shí)完全分解．

圖9中的TG模擬曲線可以分為3個(gè)階段，階段(420～540K)尿素分解與縮二脲的形成和分解，以及三聚氰酸和三聚氰酸一酰胺的形成；階段(540～660K)三聚氰酸與三聚氰酸一酰胺的分解；階段(660～720K)三聚氰酸一酰胺分解，此階段三聚氰酸已完全分解．在510K時(shí)，TG模擬曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，溫度在510～540K時(shí)，結(jié)晶率反而隨著溫度的升高而升高．這是由于結(jié)晶率與固相產(chǎn)物和氣相產(chǎn)物之比有關(guān)，當(dāng)溫度較低時(shí)(低于510K)，反應(yīng)(R7)、(R8)和(R9)均沒有達(dá)到反應(yīng)溫度，固態(tài)產(chǎn)物由(R4)和(R6)反應(yīng)生成，氣態(tài)產(chǎn)物如異氰酸和氨氣由(R2)、(R3)和(R6)生成．溫度低于510K時(shí)，由于總體反應(yīng)速率較慢，因此固態(tài)產(chǎn)物和氣態(tài)產(chǎn)物反應(yīng)速率之比(R4＋R6)/(R2＋R3＋R6)也較低，即結(jié)晶速率較低．當(dāng)溫度高于510K時(shí)，總體反應(yīng)速率加快，導(dǎo)致固態(tài)產(chǎn)物和氣態(tài)產(chǎn)物反應(yīng)速率之比也隨之變高，因此結(jié)晶速率也升高[15]．

圖8?尿素分解模擬曲線

圖9?尿素分解模擬與試驗(yàn)曲線對(duì)比

3.5?結(jié)果與討論

總體上，隨著溫度的升高，尿素分解過程中結(jié)晶率呈下降趨勢(shì)，720K以后大部分結(jié)晶已經(jīng)分解．由于尿素和縮二脲分解溫度較低，三聚氰酸一酰胺的生成量較少，而三聚氰酸的生成量高且完全分解溫度在660K左右，故在柴油機(jī)運(yùn)行中應(yīng)該盡量避免生成三聚氰酸，即排氣溫度避免在510～620K之間．可以通過對(duì)排氣管采取隔熱保溫處理來減少熱損失，提高管壁溫度，從而減少沉積物的生成．

異氰酸在縮二脲、三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺的形成過程中扮演著重要角色，為減少沉積物結(jié)晶的生成，可通過增加催化劑促進(jìn)水解反應(yīng)HNCO＋H2O→NH3＋CO2的進(jìn)行，減少排氣管中氣體異氰酸的量，從而抑制尿素沉積物進(jìn)一步生成．

4?結(jié)?論

(1) 尿素分解溫度為420K，540K時(shí)完全分解；縮二脲在430K時(shí)由尿素和異氰酸反應(yīng)生成，470K時(shí)開始分解，于540K完全分解；三聚氰酸生成溫度是480K，由縮二脲和異氰酸經(jīng)反應(yīng)(R6)生成，三聚氰酸在540K時(shí)開始分解，660K時(shí)完全分解；500K時(shí)三聚氰酸與異氰酸生成三聚氰酸一酰胺，600K時(shí)三聚氰酸一酰胺開始分解，720K時(shí)完全分解．

(2) 在尿素的分解過程中，300～500K時(shí)沉積物主要成分為尿素，500～510K時(shí)主要為縮二脲，510～620K時(shí)主要為三聚氰酸，620～720K時(shí)為三聚氰酸一酰胺．

(3) 為減少尿素沉積物形成，應(yīng)從避免三聚氰酸的生成及減少排氣管中氣體異氰酸兩方面參慮．

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Thermal Decomposition Process of Urea in SCR System for Diesel Engine

Mo Chunlan1，Mo Yitao1，Chen Junhong2，Long Hualin1，Qiu Chonghuan1，Jiang Mingru1

(1. School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2. Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd，Yulin 537005，China)

Based on the kinetics model proposed by Chemkin Software，the temperature characteristics of urea thermal decomposition reaction in the urea selective catalytic reduction(urea-SCR) system are analyzed and simulated. The simulation results show that exhaust temperature has a great influence on the composition of deposits. When the temperature is low，the deposit is mainly composed of urea. With the increase of temperature，by-products such as biuret and cyanuric acid are gradually produced. The temperature ranges of urea，biuret，cyanuric acid and ammelide present in the deposit are 300—540K，430—540K，480—660K and 500—720K，respectively. At the same time，thermogravimetric analysis(TGA) experiments were carried out. The results showed that the main components of the deposit were urea at 300—500K，biuret at 500—510K，cyanuric acid at 510—620K and ammelide at 620—720K，respectively. The deposits yield curve obtained by the simulation is basically consistent with the TGA curve of the experimental results，which shows that this model can predict the thermal decomposition reaction path and the by-products of urea decomposition at different temperatures.

urea；deposits；kinetics model；temperature；thermogravimetric analysis

TK421.5

A

1006-8740(2021)01-0016-07

10.11715/rskxjs.R201907016

2019-10-12．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51766001)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016GXNSFAA380318)．

莫春蘭（1975—??），女，博士，副教授，chunlanm@gxu.edu.cn．

陳俊紅，男，碩士，工程師，chenjunhong@yuchai.cn．