第6章 柴油机后处理净化技术

第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系1太原理工大学机械工程学院车辆工程系6.1氧化催化转化器6.2NOx机外净化技术6.3颗粒物机外净化技术6.4四效催化转化器第6章柴油机后处理净化技术第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系2太原理工大学机械工程学院车辆工程系本章对柴油机排放的CO和HC，NOx和PM减排净化技术进行介绍。针对柴油机排气中含有的大量微粒，研制开发柴油机微粒捕集器成为柴油机后处理的热点。随着排放法规的进一步严格，仅靠机内净化技术是不够的，必须同时采取机外净化技术。第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系3太原理工大学机械工程学院车辆工程系6.1氧化催化转化器（DOC）①柴油机氧化催化转化器（DieselOxidationConverter，简称DOC）主要通过催化氧化的方法，减少柴油机排气中的CO和HC排放；同时也可以通过氧化颗粒中的可溶性有机类物质（SolubleOrganicFraction，简称SOF）在一定程度上减少颗粒物的排放。氧化性气体氛围VS氧化催化转化器（DieselOxidationConverter，简称DOC）汽油机三元催化器（ThreeWayConverter，简称TWC还原性气体氛围④最佳工作温度范围在200℃～400℃之间。③对CO和HC的转化效率分别可达90%和70%，还可减轻柴油机排气的臭味；同时对颗粒物中SOF组分的去除率高达90％，从而使PM的脱除效率可达到15％～30％。②以铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属作为催化剂，以整体蜂窝陶瓷作为催化剂载体。第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系4太原理工大学机械工程学院车辆工程系当排气温度低于150℃时，催化剂基本上不起作用。随着负荷增加，排气温度升高，CO和HC净化率也增加，同时由于SOF被氧化，使微粒排放下降。柴油机使用氧化催化转化器时排气温度对微粒排放量的影响只要不超过催化剂允许的最高温度，净化反应便能顺利进行。第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系5太原理工大学机械工程学院车辆工程系壳体（1）DOC的结构①壳体通常为不锈钢材料，防止高温氧化脱落。②衬垫通常为陶瓷材料；隔热性、抗冲击性、密封性和高低温冲击性优于金属网。③载体材料主要有蜂窝陶瓷载体和金属载体两种。④催化剂涂层。涂层（γ-Al2O3）+主催化剂（铂Pt、钯Pd）主要由壳体、衬垫（减震层）、载体和催化剂涂层四个部分组成。衬垫载体催化剂涂层第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系6太原理工大学机械工程学院车辆工程系（2）催化原理把一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和颗粒中的可溶性有机物SOF成分氧化成二氧化碳和水。图中多环芳香烃PAH和醛类是SOF的主要成分第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系7太原理工大学机械工程学院车辆工程系（3）DOC性能的评价指标①DOC的转化效率----污染物进出口脱除率inoutin()()100%()iCiCiCi空速特性FSVVR起燃温度催化剂选择200℃-400℃铂Pt、钯Pd等贵金属，稀土元素排气体积流量（换算到标准状态）与催化器容积之比催化器容积与发动机排量之比约为0.5-1.0。②DOC的老化寿命5万英里（约8万公里）高温失活、化学中毒、结焦与机械损伤四类HC氧化、连续大负荷、紧靠发动机安装③DOC的压力损失我国三元催化器技术中要求转化器对燃油消耗率和输出功率的负面影响不超过3％-5％，但柴油机氧化催化转化器还没有规定。第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系8太原理工大学机械工程学院车辆工程系由于柴油机的富氧燃烧使得废气中含氧量较高，这使得利用还原反应进行催化转化比汽油机困难。例如在汽油机上使用三效催化转化器，其有效净化条件是过量空气系数大约为1。若空气过量时，作为NOX还原剂的CO和HC便首先与氧反应；空气不足时，CO、HC不能被氧化。显然，用三效催化转化器降低NOx的技术在柴油机上是不适用的。6.2NOx机外净化技术第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系9太原理工大学机械工程学院车辆工程系氮氧化物（NOx）其主要成分是一氧化氮NO和二氧化氮NO2，其中大部分是NO（含量通常占85%-95%）。目前比较流行的柴油机脱除氮氧化物（De-NOx）技术有吸附催化还原法（LNT或NAC），选择性催化还原法（SCR），等离子辅助催化还原法等。（1）吸附催化还原法(LNT)（2）选择性催化还原(SCR)（3）等离子辅助催化还原第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系10太原理工大学机械工程学院车辆工程系6.2.1NOX吸附催化还原吸附催化还原是基于发动机周期性稀燃和富燃工作的一种NOX净化技术。吸附器是一个临时存储NOX的装置，具有NOX吸附能力的物质有贵金属和碱金属（或碱土金属）的混合物。22230.5NOONONOMOMNO当发动机正常运转时处于稀燃阶段，排气处于富氧状态，NOX被吸附剂以硝酸盐（MNO3，M表示碱金属）的形式存储起来：第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系11太原理工大学机械工程学院车辆工程系再生方法当吸附达到饱和时，需要再生吸附器使其能够继续正常工作，吸附器的再生可通过柴油机周期性的稀燃和富燃工况进行，也可通过人为调整发动机的工作状况，使其产生富燃条件，使硝酸盐分解释放出NOX，NOX再与HC和CO在贵金属催化器下被还原为N2。320.5MNOMONOO222(20.5)(0.25)0.5chchNOCHchNhHOcCO220.5NOCONCO第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系12太原理工大学机械工程学院车辆工程系富氧状况下NOX吸附催化原理富氧状况下NOX吸附催化原理以含碱金属钡（Ba）作为吸附剂为例，在富氧状况下，铂（Pt）催化剂使NO氧化成NO2，NO2进一步与吸附剂中的钡生成硝酸钡而被捕集。第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系13太原理工大学机械工程学院车辆工程系富燃状况下NOX吸附催化原理在富燃状况下，硝酸钡分解并释放出NOX，NOX再与HC和CO反应被还原成N2。在贫燃或富燃交替变换的环境下，碱金属钡分别以硝酸钡、氧化钡或碳酸钡的形态存在，起着吸附及释放NOX的作用。富燃状况下NOx吸附催化原理第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系14太原理工大学机械工程学院车辆工程系工作原理为：富氧工况富燃工况形成硝酸盐（如NO2和碱土金属氧化物BaO反应生成Ba(NO3)2）形成的硝酸盐不稳定而分解形成NOx，然后NOx与还原成分CO，HC及H2反应生成N2。第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系15太原理工大学机械工程学院车辆工程系LNT的影响因素:（一）温度的影响捕集和再生两个阶段的影响温度过高，会使产生严重的热力老化。温度过低，NO难以氧化成NO2；温度过高，捕集的NOx会被热解释放。温度过低，NH3和N2O等副产物排放将会增加，且NOx在低温时的还原效率很低。（二）燃油中S的影响（1）硫酸盐覆盖（2）生成稳定的BaSO4（3）NH3排放增加（三）H2O的影响影响载体Al2O3的活性；但H2O有助于H2与Ba(NO3)2的还原反应生成N2+Ba(OH)2。第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系16太原理工大学机械工程学院车辆工程系SCR原理－含义Selective（选择性）Catalytic（催化）Reduction（还原）6.2.2NOX的选择性催化还原第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系17太原理工大学机械工程学院车辆工程系选择性催化还原(SCR)工作原理为：最初应用在锅炉、焚烧炉和发电厂等固定式的污染源上，以降低NOx的排放。以NH3或者HC作为还原剂，在催化剂的作用下将NOx转化为无害的氮气（N2）和水蒸气（H2O）。3222xNHNOONHONOx的催化还原技术有：选择性非催化还原（SNCR）、非选择性催化还原（NSCR）和选择性催化还原（SCR）三种方式，其中以选择性催化还原（SCR）技术在柴油机上的研究最为广泛。2222xHCNOONCOHONH3-SCRHC-SCR第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系18太原理工大学机械工程学院车辆工程系SCR原理－还原•将废气中的NOx还原成N2•采用尿素水溶液作为还原剂•尿素在高温下分解成成NH3和CO2•实际上的还原剂为NH3第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系19太原理工大学机械工程学院车辆工程系SCR原理－还原反应322222322322232242366871244464656NHNOONHONONHNHONHNOONHONHNONHO第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系20太原理工大学机械工程学院车辆工程系SCR原理－选择性SCR转化器的催化作用具有很强的选择性：NOX的还原反应被加速，还原剂的氧化反应则受到抑制。催化剂应避免NH3被氧化为NO4NH3+5O2-4NO+6H2O×第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系21太原理工大学机械工程学院车辆工程系SCR结构NH3或尿素NOxO2排气催化器N2H2OO2第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系22太原理工大学机械工程学院车辆工程系SCR系统结构－载体陶瓷载体金属载体第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系23太原理工大学机械工程学院车辆工程系NOX选择性催化还原与其它催化方法一样，使用SCR降低NOX要求柴油含硫量越低越好。因为硫会通过S→SO2→SO3→NH4HSO4或者(NH4)2SO4的途径生成硫酸铵或硫酸氢铵，它们沉积在催化剂表面上会使其失活。NOX选择性催化还原器第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系24太原理工大学机械工程学院车辆工程系SCR系统以氨水作为还原剂的SCR系统，可以降低柴油机NOX排放95%以上，但柴油机需要一套复杂的控制还原剂喷射量的系统。对柴油机来说，用氨水作为还原剂并不合适，因为氨的气味会使人感到难受。22232()2NHCOHONHCO以尿素作为还原剂的SCR系统，已在发电厂和固定式柴油机上得到应用。以尿素作为还原剂比直接用氨水方便。尿素的水溶液在200℃时下产生NH3。第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系25太原理工大学机械工程学院车辆工程系32.5%尿素溶液Ad-Blue氨气化学反应第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系26太原理工大学机械工程学院车辆工程系Ad-Blue(添蓝)中文叫：柴油机专用尿素还原剂。ADBLUE的颜色跟它的名字一样，是一种淡蓝色的液体，是一种无味无毒的溶液，存储在卡车上特别的储存容器内。当废气从发动机排出后，它会与废气一起到达卡车催化转化器，然后将NOx转化为无害的氮和水，从而大大减低废气排放量。标准配备AdBlue的重卡挂车，行驶7200公里，大约需要100升AdBlue，一般90升的AdBlue缸，行驶6500公里无需添加，110升的AdBlue缸可以行驶7950公里。所以跑长途的司机也无需太多担心。拥有SCR系统的商用车上，皆含有AdBlue的计量表，提供车主尽早加AdBlue。目前欧洲有超过1000个地方可供应AdBlue。第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系27太原理工大学机械工程学院车辆工程系第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系28太原理工大学机械工程学院车辆工程系添蓝（Ad-Blue）供给系统第6章柴油机后处理净化技术太原理工大学车辆工程系29太原理工大学机械工程学院车辆工程系3222xNHNOONHONH3-SCR尿素罐尿素加注系统温控器温度传感器泵排气温度测点排放传感器尿素喷射器控制ECU优势：一是不影响发动机燃油经济性，二是易于改装，且反应温度较低，催化剂不含贵金属，寿命长