尾氣處理行業技術路線分析
本文導讀:SCR 技術路線降低污染物排放的思路: 先通過優化燃燒降低PM 顆粒物的生成量,然后通過選擇性催化還原將NOx 含量降低。
一、國Ⅳ階段:尾氣處理(機外凈化)必不可少
與汽油機不同,柴油機的主要污染物為PM 顆粒物和NOx,這兩種污染物生成機理不同,且相互制約,即在減少PM 顆粒物的同時又增加了NOx 的排放,而NOx 減少的同時又使得PM 顆粒物的排放升高。正是由于柴油機污染物生成機理相互制約的影響,為使柴油機達到國Ⅳ及更高排放水平,傳統的機內凈化(優化燃燒)技術已無能為力,必須與機外凈化(即加裝尾氣處理系統)技術相結合來降低污染物排放量。
柴油車實現國Ⅳ排放標準的技術路線可分為兩種:
1)通過優化燃燒,先降低PM 顆粒物的生成量(機內凈化重點解決PM),再加裝轉化NOx 的尾氣后處理裝置(機外凈化重點解決NOx),即SCR 技術路線;
2)通過降低燃燒溫度,從而降低NOx 的生成量(機內凈化重點解決NOx),然后再加裝吸收PM 顆粒物的尾氣后處理裝置(機外凈化重點解決PM),即EGR+(DOC/POC/DPF)技術路線。為了滿足歐Ⅳ到歐Ⅵ排放法規,歐美中重型商用車及柴油機企業主要采用兩條排放控制技術路線:
其一是“優化燃燒+SCR”技術路線,簡稱SCR 路線,這一技術路線在歐洲占主流,歐洲長途載貨車幾乎全部采用這一方案,相關生產企業主要有雷諾、沃爾沃、達夫、依維柯等;其二是“EGR+DOC/POC / DPF”技術路線,其中以“EGR+DOC+DPF”應用最為廣泛,簡稱EGR+路線,這一技術路線在北美市場占主流(歐洲短途運輸和城市公交車也主要選擇此方案),相關生產企業主要有康明斯、卡特彼勒、納威司達、斯堪尼亞、曼等。
德國博世推薦的柴油機排放升級技術方案
降低柴油機排放的后處理技術(機外凈化)
后處理技術 | PM 凈化能力 | NOx 凈化能力 |
DPF | 90%(尤其是碳顆粒) | - |
DOC | 10%-30% | - |
POC | 30%-80% | - |
SCR | 30%-50% | 90% |
EGR | - | 40% |
SCR 技術路線降低污染物排放的思路: 先通過優化燃燒降低PM 顆粒物的生成量,然后通過選擇性催化還原將NOx 含量降低。
即先優化發動機氣缸內柴油的燃燒,提高機內凈化水平,從而降低排氣中的PM 顆粒物,這樣可以使顆粒物排放量符合國Ⅳ標準,但同時由于較高的燃燒溫度導致NOx 的生成量激增,于是需要在柴油機排氣系統中安裝選擇性催化還原系統(SCR), 將柴油機排氣中的NOx 催化還原成無害的N2 和H2O 后再排入大氣中。
SCR 系統一般是選擇尿素水溶液作為還原劑,尿素水溶液噴射到排氣管中。尿素在常溫下將水解成氨氣和二氧化碳(尿素噴射系統):
(N H2)2CO + H2O = 2N H3+ C O2
在催化劑的作用下,氨氣與氮氧化物反應生成無毒的氮氣和水(SCR 催化轉化器):
NO + N O2 + 2NH3 = 2N2 + 3H2O
4NO + O2 + 4N H3 = 4 N2 + 6 H2O
2NO2 + O2 + 4N H3 = 3 N2 + 6 H2O
SCR 工作原理是:從發動機排出的廢氣進入催化轉換器中,電控單元綜合各種傳感器數據,向計量噴霧器發出尿素溶液噴射時間和噴射量的指令,尿素供應模塊提供的高壓尿素溶液經過噴霧器噴入轉化器與氮氧化物進行化學反應,生成無毒的氮氣和水。
SCR系統示意圖
SCR 系統主要部件有:尿素溶液供給模塊及計量噴霧器、電控單元(ECU)、催化轉化器、尿素溶液箱及各類傳感器等,其中尿素供給及噴射元件、ECU 及傳感器和催化轉化器價值量較大。
SCR系統各部分價值占比估算
EGR+(DOC/POC/DPF)技術路線
EGR+技術路線降低污染物的思路:控制氣缸內的燃燒溫度,抑制NOx 生成量,然后加裝尾氣處理裝置(DOC/POC/DPF)吸收PM 顆粒物(EGR+技術路線也需要升級前端燃油噴射系統,柴油機普遍使用的直列泵已無法達到要求,需要使用高壓共軌等電控高壓燃油噴射系統)。
EGR+路線工作原理是:將部分廢氣經過冷卻后,再次引入氣缸與新鮮空氣混合降低缸內氧氣濃度,從而在燃燒過程中有效降低最高溫度,可有效降低NOx 排放,缸內較低的氧氣濃度又會增加PM 的排放,使發動機排放的廢氣中PM 增加,于是需要使用DPF 等尾氣處理裝置來降低PM 排放量。
氧化催化轉化器(DOC):最經濟實惠,但降低PM 能力較低
氧化催化轉化器(DOC)可用于降低柴油車尾氣中的HC、CO 和SOF(可溶性有機成分)及部分
SOOT(碳顆粒)微粒。柴油發動機排出的廢氣通過DOC 后,HC 和CO 氧化生成無毒的H2O 和CO2。由于可溶性有機物中含有大量的HC,于是DOC 也可吸收可溶性有機微粒。DOC 可以降低20%-50%的PM 排放,及60%以上的HC 和CO 排放。
HC/CO + O2 → H2O + C O2(氧化HC 和CO)
NOx + O2 → N O2(氧化氮氧化合物)
SOF + O2 → C O2+ H2O(氧化可溶性有機物SOF)
S O2 + O2 → SO3(氧化形成硫酸鹽)
SOOT + O2 → C O2(氧化顆粒物中部分碳顆粒)
由于燃油中的硫會氧化生成硫酸鹽,從而增加了尾氣中顆粒物排放量并容易使DOC 堵塞失效,于是DOC 需要含硫量較低的燃油配合。DOC 對處理尾氣中的碳顆粒作用不大,同時DOC 中氧化反應可以提高廢氣溫度,提高后續系統處理污染物的效率,于是大多數情況下DOC 是加裝在POC 或DPF之前,兩者結合使用降低污染物排放量。
DOC 是柴油機尾氣處理中價格最低及維護最為方便的系統,單套系統價格約為800-1000 元,其主要用于降低HC 和CO,降低顆粒物能力較低,需與POC、DPF 結合使用(部分輕型柴油機僅使用EGR+DOC 達到國Ⅳ排放標準)。
顆粒氧化催化轉化器(POC):性能和價格均處于中等水平
顆粒氧化催化轉化器(POC)可用于降低柴油車尾氣中的顆粒物,屬于氧化催化轉換器范疇,顆粒物轉換效率高于DOC,但低于DPF 系統。其原理是使廢氣通過一個多褶皺而不阻塞的通道,顆粒物被吸附在POC 內,并通過氧化燃燒來清除積累下來的微粒。
由于POC 要求的工作溫度較高,因此需要與DOC 配合使用,歐洲重卡企業曼稱之為PM-Kat 系統即為DOC 與POC 集于一體。在前面DOC 催化器的氧化作用下,廢氣中一氧化氮與氧氣結合生成二氧化氮,加上廢氣中的原有N O2 一起進入POC。在催化劑的作用下,N O2 分子鍵在較低溫時斷裂,產生的O 與被捕捉到的C 顆粒燃燒,生成C O2,從而有效去除捕捉下來的顆粒物。
POC 只能過濾較大顆粒的碳顆粒,對PM2.5 以下的碳顆粒無能為力,降低PM 效率為30%-80%,優于DOC,低于DPF。POC 耐硫性更強,價格低于DPF,高于DOC,價格約為3000-5000 元/套。
微粒捕集器(DPF):性能和價格最高,對硫較敏感
微粒捕集器的壁面是多孔陶瓷,相鄰的兩個通道中,一個通道的出口側被堵住,而另一通道的進口側被堵住,這樣尾氣從一個通道進來以后,必須穿過多孔陶瓷壁面進入相鄰的出口,而微粒就被過濾在通道壁面(參見DPF 微粒捕集器工作示意圖)。在捕集了一定量的顆粒物粒子以后,DPF 系統通過燃燒堆積的炭顆粒達到清洗過濾器的效果。為了提高DPF 工作效率,一般也需在前端加裝一個DOC。
DPF 對硫比較敏感,硫會使顆粒捕集系統中毒失效。如果采用此方案,必須使用國Ⅳ標準以上的柴油(燃油中的硫含量低于50ppm,理想情況是15ppm 以下),才能達到國Ⅳ及以上標準的顆粒物排放要求。
綜上所述,國Ⅳ標準柴油機EGR+技術路線有:EGR+DOC、EGR+DOC+DPF、EGR+DOC+POC三種技術路線。