固态铵SCR系统铵盐热解反应及NOx低温还原特性研究

Urea need to be hydrolyzed into generate ammonia in high exhaust temperature conditions with urea SCR technology, thus unable to effectively reduce the engine NOx emission in low exhaust temperature conditions. Solid ammonium SCR (SSCR) technology can broaden the range of NOx catalytic reduction's operating temperature, improve NOx conversion efficiency in the low exhaust temperature of engine. SSCR technology is an effective technology to deal with the Europe Ⅵ and higher emission regulations. This project will aim at the characteristics of ammonia direct injection and low temperature reduction of NOx, combines with the experimental measurement and numerical simulation to carry out the study of SSCR system's forward and inverse reaction characteristics of the ammonium salt pyrolysis reaction, clarify the main influencing factors and characteristics of ammonia's generation and crystallization of the reverse reaction; analyse the law about how the boundary condition such as airspeed、exhaust temperature and ammonia gas mixed degree effect the ammonia distribution of the SCR box; research the low temperature reduction chemical kinetics of NOx and its conversion efficiency under the full working conditions of the engine(especially the low exhaust temperature conditions), determine the key factors that affect the SSCR system's capacity of NOx reduction. Through the above research, this project will reveal the characteristics of SSCR system ammonium salt reaction, mixing , distribution and NOx low temperature reduction, lay the theoretical foundation for the practical application of the SCR system and the reduction of NOx emissions within the full range of engine operating conditions.

现有尿素SCR技术需要在高排温条件下将尿素热解水解生成氨气，无法有效降低发动机低排温工况下的NOx排放。固态铵SCR（SSCR）技术能够拓宽NOx催化还原的工作温度范围，提高发动机低徘温工况下的NOx转化效率，是应对欧Ⅵ及更高排放法规的有效技术手段。本项目针对SSCR系统氨气直接喷射及NOx低温还原的特点，结合实验测量及计算模拟开展SSCR系统铵盐热解正逆反应特性的研究，阐明氨气生成及逆反应结晶的主要影响因素和特点；分析空速、排温及氨气尾气混合度等边界条件对SCR箱内氨分布的影响规律；研究NOx低温还原化学反应动力学特性及发动机全工况范围（特别是低排温工况）NOx转化效率，确定影响SSCR系统NOx还原能力的关键因素。通过开展以上研究工作，揭示SSCR系统铵盐反应特性、氨混合氨分布特性及NOx低温还原特性，为SSCR系统实际应用及降低发动机全工况范围内的NOx排放奠定理论基础。

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。本研究围绕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研究，为SSCR系统的设计与应用提供理论依据和技术支撑。.通过热重分析研究了碳酸氢铵、碳酸铵、氨基甲酸铵的分解特性，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：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 ，表观指前因子为4.33×106s-1。.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40kPa、70kPa、100kPa、130kPa、160kPa、190kPa、220kPa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℃。.试验研究了SSCR系统铜基分子筛催化剂的低温反应特性、储氨特性。结果表明：相比传统尿素SCR系统，SSCR系统配合铜基载体在150℃~300℃排温条件下可以实现更高的NOx转化效率；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。