王蹐尹 彭金艷 蘇歡

摘要：在一些國家和地區(qū)，中型柴油車和重型柴油車的排放量在柴油機(jī)排放量中所占有的比例可以達(dá)到70%，因此，對(duì)這類柴油機(jī)需要高度控制，采取有效的措施降低排放量。柴油機(jī)運(yùn)行的過程中所排放的廢氣中存在有害物質(zhì)，所以會(huì)污染環(huán)境，對(duì)環(huán)境造成一定程度的破壞，這已經(jīng)引起各國的重視，而且著手治理這方面問題。中國對(duì)于此也制定了相應(yīng)的控制措施，避免對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。本論文著重于研究SCR技術(shù)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：SCR技術(shù);柴油發(fā)動(dòng)機(jī);對(duì)策

中圖分類號(hào)：U262.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0061-03

0? 引言

中國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)高度重視。為此，出臺(tái)相關(guān)法律法規(guī)，嚴(yán)格限制柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，并提出嚴(yán)格要求，即柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣的時(shí)候需要按照排放法規(guī)制定相應(yīng)對(duì)策執(zhí)行，特別是NOX排放，考慮到其對(duì)空氣環(huán)境的污染以及對(duì)人體健康的威脅，對(duì)于排放的限值嚴(yán)格要求，這對(duì)于企業(yè)而言是非常大的挑戰(zhàn)，因此，本文主要研究選擇性催化還原技術(shù)在柴油機(jī)排氣處理后的應(yīng)用，基于SCR系統(tǒng)的基本介紹減排柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體的類型，分析SCR系統(tǒng)的控制技術(shù)，提出柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣的處理中應(yīng)用SCR技術(shù)的有效措施。

1? SCR系統(tǒng)的基本介紹

1.1 SCR技術(shù)的工作原理

SCR系統(tǒng)是用于處理柴油機(jī)廢氣的裝置，在超過300攝氏度的溫度且低于400攝氏度的溫度環(huán)境中，將化學(xué)反應(yīng)原理充分利用，使尿素或者氨氣等還原劑與廢氣中的NOX之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使排放物中有氮?dú)夂退魵猱a(chǎn)生，并不會(huì)對(duì)空氣環(huán)境造成污染。SCR的主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

4NO+4NH3+02→MN2+6H2O+HEAT

6NO2+8NH3→7N2+I2H2O+HEAT

6NO+4NH3→6H20+5N2+HEAT

1.2 SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

SCR系統(tǒng)是有兩個(gè)系統(tǒng)所構(gòu)成，即尿素系統(tǒng)和反應(yīng)器。從反應(yīng)器的組成情況來看，以陶瓷催化元件為主，還包括尿素系統(tǒng)的儲(chǔ)存系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。在實(shí)際的工作中，當(dāng)SCR系統(tǒng)達(dá)到一定的溫度之后，如果溫度不合適，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的工作產(chǎn)生不良影響。由于柴油機(jī)有不同的類型，其排放期間有很大的溫差，所以需要采用不同的SCR裝置，通常而言，四沖程柴油機(jī)和二沖程柴油機(jī)都是比較常用的。（圖1：SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）

1.3 SCR系統(tǒng)的運(yùn)行流程

首先將固體尿素和淡水在一定溫度下充分?jǐn)嚢?，所形成的混合溶液?jīng)過測(cè)量之后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，然后放入儲(chǔ)存柜以備使用。然后，使用尿素供給泵將尿素溶液送入計(jì)量模塊中的儲(chǔ)存柜，感應(yīng)的時(shí)候可以發(fā)揮氧化鋯傳感器的作用，了解SCR反應(yīng)之前和之后煙氣中所含有的NOX量，將有關(guān)的數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)中傳輸，計(jì)算機(jī)通過比較傳感器的測(cè)量值以及估計(jì)值，將尿素溶液實(shí)際使用量的指示給出來，將標(biāo)準(zhǔn)量的尿素溶液與風(fēng)機(jī)提供的熱風(fēng)混合在一起，經(jīng)過熱解之后，向柴油機(jī)排氣管中注入[1]。這個(gè)時(shí)候，柴油機(jī)排氣管中的尿素溶液在高溫環(huán)境中發(fā)生分解反應(yīng)，就會(huì)有NH3和H2O生成，與廢氣充分混合，保持混合均勻之后，進(jìn)入到SCR反應(yīng)器中。此時(shí)催化劑發(fā)揮催化作用，催化劑中的NOX在NH3的作用下還原，成為N2和H2O，這兩項(xiàng)物質(zhì)不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。（圖2：SCR系統(tǒng)的運(yùn)行流程）

2? 減少排放柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體量的方式

目前，實(shí)際使用柴油機(jī)的時(shí)候，會(huì)排放出大量的氣體，其中含有有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成污染，影響大氣環(huán)境質(zhì)量，而且嚴(yán)重威脅人們的健康。在柴油機(jī)運(yùn)行的過程中，所排放的主要?dú)怏w為碳氧化物。在處理排放氣體的時(shí)候，可以采用兩種處理方式：第一種是煙氣脫硝的處理方式;第二種是燃燒控制方式。

對(duì)這兩種方式進(jìn)行簡要介紹，煙氣脫硝的處理方式中需要采用兩種技術(shù)，即選擇性非催化還原技術(shù)、SCR技術(shù)和熱碳還原法;燃燒控制方式的應(yīng)用非常廣泛，主要包括廢氣再循環(huán)技術(shù)和均質(zhì)充量壓燃技術(shù)。

3? SCR系統(tǒng)的控制方式

柴油機(jī)在運(yùn)行的過程中，程序是非常復(fù)雜的，而且還會(huì)影響到排氣溫度以及空氣的流量。因此，對(duì)尿素溶液噴射采用動(dòng)態(tài)控制的方式，就是SCR控制系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中可以起到動(dòng)態(tài)控制的作用，發(fā)揮其功能，保證 SCR系統(tǒng)處于良性運(yùn)行狀態(tài)。如果噴射的尿素溶液量嚴(yán)重不足，碳氧化物要進(jìn)行轉(zhuǎn)化必然會(huì)受到影響，碳氧化物的還原效果會(huì)有所降低[2]。如果注入很大量的尿素溶液，會(huì)產(chǎn)生氨泄露的問題，當(dāng)氨在空氣中揮發(fā)，會(huì)刺激到人體的呼吸道，也會(huì)對(duì)暴露在空氣中的金屬物腐蝕，此時(shí)就需要從實(shí)際情況出發(fā)選用科學(xué)有效的控制方式，并不斷優(yōu)化控制系統(tǒng)，也就是說，在開展控制工作中，可以采用閉環(huán)系統(tǒng)，也可以采用開環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用閉環(huán)控制系統(tǒng)的時(shí)候，處于尿素溶液的開口的位置，積極可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，最大限度地實(shí)現(xiàn)碳氧化物轉(zhuǎn)化，最大限度地控制氨氣泄漏問題。（圖3： SCR系統(tǒng)的控制流程）

解析SCR系統(tǒng)的控制流程：啟動(dòng)SCR系統(tǒng)的控制流程，先對(duì)尿素泵進(jìn)行溫度測(cè)試，對(duì)尿素泵的溫度做出判斷，看其是否低于解凍溫度。當(dāng)尿素泵進(jìn)入到加熱解凍狀態(tài)之后，查看尿素泵的解凍是否完成，當(dāng)解凍完成之后開始計(jì)時(shí)，查看是否已經(jīng)接收到啟動(dòng)信號(hào)，檢查計(jì)時(shí)的時(shí)長是否已經(jīng)超過預(yù)設(shè)時(shí)長，對(duì)尿素進(jìn)行二次溫度測(cè)量，查看尿素的溫度是否低于解凍溫度，此時(shí)需要考慮兩種情況，如果尿素的溫度是低于解凍溫度，尿素泵不能啟動(dòng)，如果尿素的溫度是不低于解凍溫度，就可以啟動(dòng)尿素泵，整個(gè)的控制流程結(jié)束。

4? 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中SCR技術(shù)的應(yīng)用

SCR技術(shù)的應(yīng)用減少了柴油機(jī)車輛的排放量，特別是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)型汽車在行駛的過程中，應(yīng)用該技術(shù)能夠有效地減少尾氣的排放量。實(shí)際上，SCR系統(tǒng)最早應(yīng)用于燃煤熱電廠，其所發(fā)揮的主要作用是處理碳氧化物[3]。德國是第一個(gè)使用SCR系統(tǒng)的國家，其首先在熱電廠應(yīng)用SCR技術(shù)，獲得了明顯成效，之后這項(xiàng)技術(shù)所應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，而且發(fā)展迅速，在高排放柴油機(jī)中應(yīng)用。SCR技術(shù)在中國的應(yīng)用始于2008年，有關(guān)的環(huán)境保護(hù)部門制定了詳細(xì)的排放控制政策，這就意味著應(yīng)用SCR技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到關(guān)鍵階段，這個(gè)時(shí)候，SCR技術(shù)最適合我國國情的，主要體現(xiàn)為如下幾個(gè)方面：

其一，該系統(tǒng)的應(yīng)用中可以有效地節(jié)約燃料，SCR系統(tǒng)的油耗也比較少，略低于EGR+DPF系統(tǒng)，其尿素水溶液消耗也少，能在油耗上得到有效補(bǔ)償;而且，如果能從現(xiàn)在開始采用SCR技術(shù)，發(fā)揮其節(jié)能減排的作用，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)都可以滿足排放法規(guī)的有關(guān)要求，直至引進(jìn)歐V排放標(biāo)準(zhǔn)，甚至更高的排放標(biāo)準(zhǔn)[4]。

其二，在EGR+DPF系統(tǒng)中，將冷卻器的容積增加其中。相比之下，SCR系統(tǒng)只需增加1個(gè)儲(chǔ)槽，不會(huì)對(duì)其他的設(shè)計(jì)產(chǎn)生不良影響[5]。

其三，發(fā)動(dòng)機(jī)沒有很高的復(fù)雜性，應(yīng)用SCR系統(tǒng)可以滿足國三標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也可以滿足國四標(biāo)準(zhǔn)，部分地區(qū)可以提前將該系統(tǒng)系統(tǒng)引進(jìn)，做好調(diào)試工作和試運(yùn)行的各項(xiàng)指標(biāo)符合要求之后，就可以投入使用。

5? 處理柴油機(jī)尾氣的時(shí)候應(yīng)用SCR技術(shù)

處理柴油機(jī)尾氣的時(shí)候應(yīng)用SCR技術(shù)，主要體現(xiàn)在四個(gè)方面，即二沖程柴油機(jī)中應(yīng)用SCR技術(shù)、四沖程柴油機(jī)中應(yīng)用SCR技術(shù)、催化反應(yīng)器應(yīng)用SCR技術(shù)以及對(duì)SCR系統(tǒng)造成影響的因素[6]。具體如下：

5.1 二沖程柴油機(jī)中應(yīng)用SCR技術(shù)

一般來說，二沖程柴油機(jī)的排氣溫度不能超過400攝氏度，但增壓器出口溫度低于SCR系統(tǒng)的實(shí)際工作范圍，僅在230攝氏度和260攝氏度之間。因此，對(duì)于二沖程柴油機(jī)來說，SCR系統(tǒng)應(yīng)該安裝在增壓器的前面，因?yàn)樗倪M(jìn)氣壓力明顯高于四沖程柴油機(jī)的SCR系統(tǒng)，所以也稱為“高壓SCR系統(tǒng)”[7]。這種系統(tǒng)需要根據(jù)柴油機(jī)的起動(dòng)、減速、加速等不同工況進(jìn)行控制和調(diào)整，對(duì)柴油機(jī)的工作產(chǎn)生很大的影響。

5.2 四沖程柴油機(jī)中應(yīng)用SCR技術(shù)

四沖程柴油機(jī)的排氣溫度超過400攝氏度，當(dāng)增壓器出口的廢氣溫度低到一定程度的時(shí)候，也可以保證溫度不會(huì)超出SCR系統(tǒng)運(yùn)行范圍。所以，為了減少SCR系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的影響，有必要將SCR系統(tǒng)安裝在增壓器出口和排汽鍋爐之間，即低壓SCR系統(tǒng)[8]。SCR系統(tǒng)安裝在四沖程柴油機(jī)上比較簡單，技術(shù)也比較成熟，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

5.3 催化反應(yīng)器應(yīng)用SCR技術(shù)

在SCR系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，最重要的設(shè)備是催化反應(yīng)器，它主要為NOX催化還原反應(yīng)提供可靠的反應(yīng)場(chǎng)所、反應(yīng)條件以及催化劑。目前，金屬氧化物是比較常用的催化劑，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，催化劑可以劃分為兩種，即蜂窩型催化劑和波紋板型催化劑，其中，蜂窩型催化劑是比較常用的。反應(yīng)器的尺寸的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際的空間布局和催化劑用量進(jìn)行，以避免出現(xiàn)不完全反應(yīng)的問題，確保其價(jià)值充分發(fā)揮。

5.4 對(duì)SCR系統(tǒng)造成影響的因素

采用SCR系統(tǒng)減少排放量，對(duì)于應(yīng)用有很高的要求，因此SCR系統(tǒng)的實(shí)際減排所獲得的效果通常會(huì)受很多因素的影響，具體如下：

其一，SCR系統(tǒng)受到溫度因素的影響。采用SCR系統(tǒng)進(jìn)行還原反應(yīng)的時(shí)候，需要考慮溫度問題，必須有一定量的氧氣，并保證溫度合適。如果反應(yīng)溫度覅長高，可能導(dǎo)致NH3自燃，不能與NOX發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果反應(yīng)溫度非常低，反應(yīng)速度就會(huì)降低，當(dāng)達(dá)到一定程度之后，化學(xué)反應(yīng)就會(huì)停止，在進(jìn)行實(shí)際反應(yīng)的過程，會(huì)有蒸汽產(chǎn)生，對(duì)SCR催化劑起到一致作用，使其失去活性，導(dǎo)致反應(yīng)不完全[9]。

其二，影響柴油質(zhì)量的因素。在SCR系統(tǒng)的實(shí)際使用過程中，柴油機(jī)所使用的柴油質(zhì)量會(huì)大大影響SCR系統(tǒng)運(yùn)行中所發(fā)揮的性能。例如，柴油中的硫含量可能會(huì)將裝置中的催化劑毒化，使其不能很好地發(fā)揮催化作用，SCR系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低，減排能力也相應(yīng)地降低。

6? SCR技術(shù)的應(yīng)用前景

SCR系統(tǒng)的應(yīng)用中，可以有效降低柴油機(jī)的NOX排放，其降低量高達(dá)80～95%，符合相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，并且SCR系統(tǒng)的使用中不會(huì)對(duì)柴油機(jī)造成太大的改變，也不會(huì)影響燃油的經(jīng)濟(jì)性。SCR系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠很好低發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。比如，在造船行業(yè)應(yīng)用SCR系統(tǒng)，可以很好地發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用SCR系統(tǒng)的時(shí)候，依然會(huì)存在一些問題，比如，在初始安裝SCR系統(tǒng)的時(shí)候，需要投入的資金量比較大，而是設(shè)備的體積也非常大，需要占用很大的空間，這些必然會(huì)在一定程度上制約了SCR系統(tǒng)的發(fā)展。此外，SCR系統(tǒng)還會(huì)存在廢氣溫度無法有效控制的問題，催化劑失去了活性，由此會(huì)使SCR系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中催化還原能力降低。因此，在實(shí)際選擇SCR系統(tǒng)減少排放量的的過程中，應(yīng)注意幾個(gè)問題：

其一，在實(shí)施認(rèn)證測(cè)試的時(shí)候，所用催化劑都要能夠很好地發(fā)揮功能，SCR系統(tǒng)各單元的性能良好，SCR反應(yīng)器所具備的NOX減排率符合有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還選用能夠與柴油機(jī)充分結(jié)合的產(chǎn)品，充分發(fā)揮各種裝置的作用;

其二，在布置系統(tǒng)的時(shí)候，有關(guān)人員需要對(duì)SCR系統(tǒng)布置情況深入了解，明確設(shè)置的區(qū)域，同時(shí)還要采取有效的方法在機(jī)艙內(nèi)布置反應(yīng)器，使SCR系統(tǒng)的安裝量減少，避免占用很大的空間，同時(shí)投入的資金量也大大減少。

7? 結(jié)束語

通過上面的研究可以明確，柴油機(jī)在運(yùn)行的過程中所釋放的有害氣體有一定的毒性，不僅會(huì)污染空氣，還會(huì)對(duì)人體健康造成威脅。采用SCR技術(shù)可以有效地解決這方面的問題。從中國當(dāng)前的發(fā)展情況來看，人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)方面的問題高度重視，所以制定了對(duì)NOX的排放嚴(yán)格限制的標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于企業(yè)的發(fā)展是一種挑戰(zhàn)。應(yīng)用SCR技術(shù)可以使NOX排放量降低。在處理柴油機(jī)尾氣的時(shí)候應(yīng)用該技術(shù)，可以使NOX的排放與有關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)相符合，其使用價(jià)值非常大。所以，企業(yè)在生產(chǎn)運(yùn)營中要使柴油發(fā)電機(jī)所排放的氣體符合排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用SCR技術(shù)是非常必要的，可以使NOX的排放量大大降低，避免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染，使環(huán)境保護(hù)工作做到位，對(duì)中國綠色戰(zhàn)略措施的有效實(shí)施起到一定的促進(jìn)作用。

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