柴油车排放后处理

柴油机后处理技术g/kW.hr*PMscalex10*199019921994199619982000200220042006200820100246810121416-43%-12%-29%-30%-43%-56%-33%-80%-86%NOx-95%PM18years13yearsEuro1Euro2Euro3Euro4Euro5Euro0EmissionReductionsEvolutionLegislationAftertreatmentTechnologyOptionsSCR+DPFSCR+DPFDPFNoneNoneAftertreatmentLTC20%15%5%NoneExhaustGasRecirculationatFullLoadVariableGeometryorMulti-stagTurbochargeVariableGeometryTurbochgarge(VGT)VariableGeometryTurbochgarge(VGT)TurbochargeTurbochargeTurbochargingandIntercooling24020016012080FuelInjectionPressure(MPa)√√√√ElectricControl1010103002000FuelSulfur(ppm)Euro-ⅥEuro-ⅤEuro-ⅣEuro-ⅢEuro-ⅡEmissionsLevelDieselEngineEmissionTechnologyApproach要实现欧Ⅳ对NOx和PM较低的限值，目前大致上有两条机后净化技术路线：其一是先通过优化燃烧（降低PM排放），再使用选择性催化还原SCR来降低因燃烧优化而产生的NOx排放(多在欧洲使用，故称为欧洲路线)。2006EuropeSolutionSCRUreaControlSelectiveCatalyticReduction(SCR)•ReducesNOx•ReducesPM其二是EGR(废气再循环)+DPF(颗粒捕集器)路线，即先通过EGR降低排放中NOx的成份，再用DPF捕集颗粒物，从而达到同时降低NOx和PM的效果，美国路线的油耗量更大一些。要在柴油机上实现微粒捕集器的再生，一般需要附加能源，例如用燃烧器加热、电阻加热或微波加热。这些也在一定程度上增加了这一路线的油耗和系统成本。(多在美国使用，故称为美国路线)。2007U.S.SolutionEGRExhaustGasRecirculation(EGR)•ReducesNOxDPFDieselParticulateFilter(DPF)•ReducesPM•VocationalapplicationusesactivelyregeneratedfilterDieselEngineNOxEmissionControlTechnology降低柴油机NOx排放的催化还原技术1.选择性催化还原技术（SelectiveCatalyticReduction－SCR)指利用尾气中的有机物为还原剂或添加还原剂，在氧浓度高出NOx浓度两个数量级以上的条件下，高选择性地优先把NOx还原为N2和H2O。目前在研究或者应用的还原剂包括各种氨类物质（如尿素、氨气等）和各种烃类甚至PM等。故按照所用的还原剂不同，deNOx过程分为:z以尿素或氨作还原剂的选择性催化还原（ureaorNH3-SCR)z以烃类作还原剂的选择性催化还原（HC-SCR＝LNC）2.非选择性催化还原技术（Non-SelectiveCatalyticReduction）3.稀混合气NOx捕集技术（LNT）非选择性催化还原NOxNSCR—Non-SelectiveCatalyticReduction在催化剂存在的条件下，若还原剂优先与气相中的氧发生反应，再与NOx发生反应的还原过程称为非选择性催化还原。利用H2、CH4和CO作还原剂进行非选择性催化还原NOx。在非选择性催化还原过程中，还原剂与气流中的氧反应而被大量消耗，并给催化床层带来强烈的热效应。近年的研究表明，一定条件下H2、CH4和CO可以选择性或部分选择性的还原NO。催化剂主要有：CuO、NiO、SnO2、CeO2、Cr2O3和Pt-、Ru-Al2O3、Rh-TiO2、RuO2等。选择性催化还原NOx（SCR—SelectiveCatalyticReduction）是指利用尾气中还原剂或添加还原剂，在氧浓度高出NOx浓度两个数量级以上条件下，高选择性地优先把NOx还原为N2,采用尿素、NH3和HC（乙烯、丙烯、丁烯和丙烷）作为还原剂的选择催化方法，贵金属、贵金属氧化物、沸石作催化剂的。利用HC作为还原剂进行选择催化还原NOx反应。催化剂有贵金属、分子筛和金属氧化物三个体系，其催化反应是：NO+HC+O2→N2+CO2+H2O试验证明，象烷烃、烯烃、芳香烃及柴油本身都能降低NOx的排放。NOx的转化效率不仅与碳氢化合物的种类有关，还与催化剂的选择及碳氢的比率有关。由于柴油机本身排出的未燃烃较少，因此需依靠外加的还原剂，这就需要考虑还原剂的控制机构和存贮机构。为了解决柴油机排气HC含量低、排气温度变化范围大的问题，可用多种途径来解决上述问题。如用分子筛在低温吸附贮存HC，升温时放出HC，促进HC－NOx反应，或者向排气系统中喷入柴油燃料，补充HC；调配催化剂组成和结构，减少HC的氧化消耗，拓宽温度窗口，改善NOx还原性能；将还原剂HC改质，转变成还原活性更高的还原剂，提高HC利用率等等。选择性催化还原NOx（SCR—SelectiveCatalyticReduction）HC-SCR技术已应用到了轿车上，在欧洲循环条件下的NOx转化率在20%左右，消耗的HC占燃油消耗的2%左右。Daimler–Benz公司利用共轨燃油喷射系统柴油机，通过控制系统在主喷期后90~200°C再向汽缸内喷入少部分燃油，即靠后喷得到还原剂HC，它的控制直接和柴油机运行工况联系在一起。在催化器中利用沸石在较低温度下吸附HC，在一定温度下释放HC，和NOx、O2发生反应。在欧洲循环条件下，NOx转化率可达到35%，HC+NOx可降低36%，PM可降低32%。选择性催化还原NOx（SCR—SelectiveCatalyticReduction）柴油机SCR后处理技术NH3-SCR系统的含义NH3-SCR选择性催化还原技术反应机理比较复杂，其利用NH3或尿素（urea）作为还原剂，在氧浓度高出NOx浓度两个数量级以上的条件下，在一定的温度和催化剂作用下，将NOx还原为N2和H2O，由于NH3高选择性地优先还原NOx，而不先与O2反应，故称“选择性催化还原”。WhySelectiveCatalyticReduction(SCR)?9HighNOxconversionefficiency(90%)9WidertemperaturerangethanLeanNOxTrap(LNT)9Notsensitivetosulfurinthefuel93%～6%fueleconomicbenefit9Doesnotrequireregenerationordesulfurization9Engineoptimizationflexibility,EuroⅣandEuroⅤfromthetechnologyplatform9Requireareductant,usuallyammoniaintheformofureaNH3-SCR反应的机理NH3-SCR系统的组成NH3-SCR系统主要组成二、NH3-SCR反应的机理标准SCR反应4NH3+4NO+O24N2+6H2O（3）快速SCR反应★4NH3+2NO+2NO24N2+6H2O（4）NO2SCR反应4NH3+3NO23.5N2+6H2O（5）Urea-SCRReactionChemistry‹StandardSCRreaction4N2+6H2O（1）—EquimolarNH3andNO★FastSCRreaction4N2+6H2O（2）—EquimolarNH3andNOx(NO+NO2)—Muchfastthanreaction(1),theidealNO:NO2ratiois1:1‹NO2SCRreaction—NH3:NO2at1.333:14NH3+4NO+O24NH3+2NO+2NO24NH3+3NO23.5N2+6H2O（3）1.6AnImportantandFatalDrawbackofSCRMainreactioninSCR¾AneffectivereductionofNOxforatypicalSCRisonlyachievedaover250℃¾Theexhausttemperatureisbelow200℃whenengineoperatingonidlingorcoldstartconditions,NOxconversionefficiencydramaticallydecreasesasthetemperaturegoesdown¾SCRreductionofNOxintheexhaustgascontainingabalancedmixtureofNOandNO2canachievethefastSCRreaction¾ThefastSCRreactionowningsuchaneffectiveNOxreductionandawidertemperaturewindow,especiallyatexhausttemperatureintherangeof100℃～250℃。¾Unfortunately,thecontentofNOismorethan95%inpracticalexhaust,fastSCRishardlyachievedFastSCRNO-to-NO2RationProperNO2levelimprovelowtemperatureSCRperformanceEffectofNO2onefficiencyofSCRconversionInanycase,itisapparentthatpreconvertingNOtoNO2(oxidation)playsasignificantroleinenhangcingtheefficiencyforreductionofNOxtoN2atlowertemperature.MAN公司的VHRO系统为了获得更为理想的降低NOx效果，MAN公司提出了复杂的VHSO系统，该系统由4个催化器构成，除了H-kat（尿素水解催化剂）和R-kat（SCR催化剂）外，还有2个氧化催化器Oxi-KAT。MAN公司的VHRO系统SCR降低柴油机NOx的研究在NH3（urea）-SCR系统中，要提高系统的NOx转换效率，其中最为关键的是一整套高精度的调节还原剂NH3喷射量的装置。喷量的控制是SCR系统的核心技术之一。图为Bosch公司目前最为成熟的SCR电控系统。Bosch轻型柴油车带有预氧化和后氧化装置的SCR系统为了使得SCR系统在各种条件下，特别是低温下亦能有较高的NOx转换效率，在引擎排气后端安转氧化触媒，即预氧化装置（Pre-Oxidation)，而为了防止氨气泄漏，造成二次污染，在氧化触媒后端安装SCR触媒（Post-Oxidation)。图为Bosch最新的应用在轻型柴油上的带有预氧化和后氧化装置的SCR系统。LeanNOxCatalyst(LNC)LNC–NOx催化剂(alsocalledHCSCR)用柴油作还原剂（不用尿素）Useson-boardHC(fuel),noureaisneeded比较耐硫Goodsulfurtolerance目前利用柴油作还原剂的NOX转化效率低。GenerallylowNOxconversion(30%)用柴油作还原剂的柴油消耗较高HighfuelconsumptionpenaltyLeanNOxCatalyst(LNC)•Whatisit