柴油机固态SCR系统铵盐重结晶试验范文

《内燃机工程杂志》2016年第二期

摘要：

试验研究了柴油机固态SCR系统（SSCR）铵盐—氨基甲酸铵和碳酸铵，在系统喷射管路重结晶的对应温度。建立了SSCR喷射系统试验装置，通过调节系统管路温度使气体在固定位置产生结晶，使激光穿过结晶部位到达光敏电阻模块，通过光敏电阻模块输出电压的变化来测定铵盐重结晶所对应的温度。结果表明，氨基甲酸铵的重结晶温度高于碳酸铵，喷射压力分别为220kPa、190kPa、160kPa、130kPa、100kPa、70kPa、40kPa时，氨基甲酸铵对应的重结晶温度为73.8℃、71.2℃、68.7℃、66.8℃、63.4℃、60.7℃、56.8℃；碳酸铵对应的重结晶温度为72.7℃、70.6℃、67.7℃、65.4℃、62.8℃、59.7℃、55.6℃。

关键词：

固态SCR；铵盐；重结晶；温度

世界范围内排放法规的持续升级，对柴油机NOx排放要求愈加严苛，尤其在低排气温度下提高NOx的脱除效率成为当前研究的热点[1][2][3]。尿素SCR受制于尿素水溶液的分解效率，在低排气温度下继续提高NOx转化效率的能力有限。固态SCR（SSCR）可以直接产生气态氨，并且氨气在发动机排气管路外部产生，可以不受排气温度的限制，且不对排气温度产生影响，按需喷入氨气参与降低NOx的还原反应[4][5][6]。目前SSCR喷射系统氨气来源主要集中在碳酸铵、氨基甲酸铵等铵盐以及氯化锶氨等金属络合物[7][8][9]。碳酸铵、氨基甲酸铵氨含量较高，分解温度较低，是我国产量充足的常用氮肥，价格便宜，工业基础雄厚，作为SSCR的氨气来源比较适合我国国情。但是碳酸铵和氨基甲酸铵受热分解均为可逆反应，产生的气体在一定温度下会重新结晶成固态粉末，如果结晶发生在喷射系统喷嘴、调压阀、系统管路等处，会影响喷射量的精确控制甚至造成喷射系统失灵，必须对喷射系统各处采用一定的保温措施，故此，需测定碳酸铵和氨基甲酸铵在不同喷射压力下对应的重结晶温度。建立了SSCR喷射系统，可以在220kPa及以下压力稳定喷射氨气。试验以30kPa为步长，测定了40kPa至220kPa之间，碳酸铵和氨基甲酸铵的重结晶温度，并探讨了试验结果的合理性，为SSCR喷射系统的设计优化提供了数据支持。

1试验装置及方法

1.1试验装置试验装置如图1所示：阀；4.气路玻璃管；5.水路玻璃管；6.激光光源；7.光敏电阻模块；8.小循环温度传感器；9.阀后压力传感器；10.大循环温度传感器；11.喷嘴；12.小循环水泵、中冷器；13.大循环水泵；14.测控系统；15.控制终端。铵盐加热器中添加碳酸铵或者氨基甲酸铵，阀前压力传感器用来监测调压阀前的气体压力，调压阀带有水路加热腔且与气体隔离，负责将铵盐加热器输出的气体压力降低并稳定至试验压力，输出范围为0kPa—250kPa。光敏电阻模块接收光源发出的激光并输出0—4.5V的电压信号，当光强发生改变时，输出电压会相应变化。小循环温度传感器用来监测小循环水路温度。阀后压力传感器用来监测调压阀之后气体压力。大循环温度传感器监测大循环水路温度。喷嘴为尿素SCR喷嘴，带水路加热通道，喷嘴接受测控系统的喷射占空比信号。小循环水泵和中冷器负责小循环水的加热和冷却。大循环水泵负责加热大循环水。小循环水路为结晶测试段。利用循环水对压力传感器保温，以防止结晶产生。

1.2试验方法碳酸铵和氨基甲酸铵的热分解为可逆反应，其化学反应方程式分别如下：首先开启大循环和小循环水路，维持水温95℃。其次，加热铵盐，温度维持85℃，使铵盐分解产生气体。开启电控喷嘴，占空比为70%，频率10Hz。光源发出的激光穿过气路玻璃管和水路玻璃管到达光敏电阻模块，未产生结晶时，光敏电阻模块输出电压基本为定值。调节调压阀，使气体压力降低至目标值并稳定输出。维持大循环水温不变，停止对小循环水的加热并开启小循环中冷器，降温速率约为1.5℃/min。当小循环水温度逐渐降低至某一温度时，气体在气路玻璃管4的内壁产生结晶，此时对应的小循环水温即为此气体压力下对应的结晶温度。小循环温度传感器8，距离玻璃管段约为200mm，认为与玻璃管壁温度一致。结晶产生时，穿过玻璃管的光线强度会降低，此时光敏电阻模块输出电压会增大。电压开始急剧升高所对应的时刻即为结晶产生时刻。试验压力分别为：220kPa、190kPa、160kPa、130kPa、100kPa、70kPa、40kPa。每一试验工况点后，关闭铵盐加热器1及调压阀3，升高小循环水温至90℃并持续运行直至结晶消失。

2试验结果与分析

2.1碳酸铵重结晶试验图2所示为碳酸铵在气路玻璃管4内壁的结晶。图3为喷射压力40kPa时，光敏电阻模块输出电压随时间的变化过程，压力波动为±2kPa。在玻璃管壁温度连续下降过程中，前160s，光敏电阻模块的输出电压基本为定值，约为0.35V。在160s—250s之间的某一时刻开始，光敏电阻模块的输出电压发生了急剧变化，从0.35V升高到0.66V。可以确定在这段时间内，玻璃管内壁有固体结晶产生，遮挡了光线的传播，导致光敏电阻模块接收到的光线强度发生急剧变化，并体现在输出电压的变化上。更进一步，结晶的产生发生在160s—200s之间，如图中箭头标示出的位置，光敏电阻模块的输出电压脱离水平基线，急剧升高。当光敏电阻模块的输出电压到达0.66V之后，其值趋于缓和，变化没有之前剧烈，说明结晶已经达到一定程度，对光敏电阻接收到的光线强度影响变小。对光敏电阻模块的输出电压曲线求微分，也即曲线上两点之间的斜率变化，如图4所示。图中所示在176s时，微分值发生突变，从‐0.00011降低到‐0.00131，从这点开始，光敏电阻模块输出电压曲线及其微分值先有一个微小的降低，然后开始急剧升高，此刻认为是结晶产生的始点，对应的温度即为当时压力下，产生结晶的温度。图中对应的压力为41.6kPa，温度为55.6℃。其余试验工况结晶点的判断方法与上述一致。试验曲线变化规律类似，只给出100kPa、160kPa、220kPa时的试验曲线。如图5至图7所示。其余这里不一一列出。表1列出碳酸铵在各试验压力下重结晶对应温度。可见随压力的提高，重结晶温度相应升高。

2.2氨基甲酸铵重结晶试验同碳酸铵重结晶试验方法步骤相同，图8所示为氨基甲酸铵在玻璃管内壁的重结晶。图9至图12给出氨基甲酸铵在40kPa、100kPa、160kPa、220kPa压力下的重结晶试验曲线，其余压力不在一一列出。

2.3试验结果分析通过以上试验，得到碳酸铵和氨基甲酸铵作为SSCR喷射系统氨气来源时，对应的重结晶温度。试验中玻璃管采用软管联接，为避免水路中气泡对光线的影响，每个试验压力点之后，需要调整试验装置管路以排除空气，因此很难保证光源、水路玻璃管、气路玻璃管、光敏电阻四者的相对位置在每个试验工况都完全一致。因此每个工况点光敏电阻模块的输出电压起始值以及电压升高速率不能完全一致，但是不影响对起始结晶温度的判断，所得试验数据是可信的。图13为碳酸铵和氨基甲酸铵热解产生的气体重结晶压力和温度曲线。可见氨基甲酸铵的重结晶温度高于碳酸铵，也即氨基甲酸铵需要比碳酸铵更高的温度来维持其热解产物以气态形式存在。结合表1、表2、表3可知，喷射参数对重结晶温度没有影响。由碳酸铵和氨基甲酸铵重结晶试验曲线可知，结晶生成后，光敏电阻模块的输出电压先急剧升高，到达一定数值后，升高速率趋缓但仍在持续升高，可见随气路玻璃管壁温的持续降低，管路中仍在继续生成结晶。随喷射压力的提高，需要防止结晶产生的温度相应提高。通过以上试验，求得了碳酸铵和氨基甲酸铵在实际SSCR喷射系统中，不同喷射压力下对应的重结晶温度，为SSCR系统设计提供了数据支持。

3结论

(1)碳酸铵和氨基甲酸铵作为SSCR氨气来源，能够稳定提供系统所需氨气。(2)氨基甲酸铵热解产生的气体比碳酸铵热解产生的气体需要更高的温度来防止气体在喷射系统中重结晶。气体压力越高，对应的重结晶温度越高。(3)喷射压力分别为220kPa、190kPa、160kPa、130kPa、100kPa、70kPa、40kPa时，氨基甲酸铵对应的重结晶温度为73.8℃、71.2℃、68.7℃、66.8℃、63.4℃、60.7℃、56.8℃；碳酸铵对应的重结晶温度为72.7℃、70.6℃、67.7℃、65.4℃、62.8℃、59.7℃、55.6℃。

作者：马军彦 李君 曲大为 单位：吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室