SCR系统尿素沉积物试验及机理研究

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Urea-SCR(尿素-选择性催化还原)技术是目前柴油发动机应对排放法规升级的最有效技术。尿素水溶液作为还原剂的供给来源,具有易于存储、安全性高的特点,但尿素分解不完全,发生副反应生成各种副产物,长久累积形成沉积物堵塞排气管,使柴油机的运行出现故障。为探究SCR系统沉积物组分、温度、机理相互作用机制,运用热重分析仪,对沉积物、尿素、缩二脲、三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺、三聚氰酸二酰胺以及三聚氰胺进行加热分解试验。试验结果表明,缩二脲是生成三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺及二酰胺的最重要反应物,其自身可以发生缩合反应的特性是导致三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺及二酰胺大量生成的重要原因;认为2biuret→ammeline+HNCO+2H2O是生成三聚氰酸二酰胺的重要路径。异氰酸未能及时完全水解是形成沉积物的根本原因。三聚氰酸一酰胺及二酰胺是生成高分子聚合物蜜白胺(C6H9N11)、蜜勒胺(C6H6N10)、蜜立胺((C6H3N9n)的主要反应物,三聚氰胺在热解时没有观察到副产物的生成。运用气相色谱仪,利用食品行业中的衍生化方法对三聚氰酸及其同系物和沉积物进行衍生化处理,成功检测沉积物中三聚氰酸同系物的具体成分。综合气相色谱试验及热重试验结果,沉积物的主要成分是尿素、缩二脲、三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺、三聚氰酸二酰胺。沉积物中的尿素主要在132°C~184°C分解,约占沉积物总质量的3.5%;缩二脲主要在184°C~269°C分解,约占沉积物总质量的18%;三聚氰酸主要在269°C~331°C分解,约占沉积物总质量的51.5%;三聚氰酸一酰胺及二酰胺主要在331°C~414°C分解,约占沉积物总质量的24%。结合机理分析及试验研究,构建了具有12种组分14步反应的化学反应动力学模型。通过利用量子化学计算方法对未知的化学反应动力学参数进行估算,运用过渡态理论间接计算反应的活化能、指前因子和温度指数。根据化学键断裂理论,对反应的过渡态结构进行构建,并运用Guassian软件对猜想过渡态的合理性进行验证,搜寻符合要求的生成三聚氰酸一酰胺的过渡态。在确认过渡态合理的基础上,通过KISTHELP软件的计算,获得缩二脲与异氰酸反应、三聚氰酸发生胺化反应生成三聚氰酸一酰胺的化学反应动力学参数。运用STAR-CCM+软件调用14步化学反应动力学模型,对氨气、尿素、缩二脲、三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺及二酰胺在排气管出口处的摩尔分数进行监测。模拟结果表明,在150°C~190°C温度区间,尿素分解不完全,与异氰酸反应生成缩二脲,同时缩二脲在此温度区间反应活跃,其自身缩合反应及与高浓度异氰酸反应是三聚氰酸及三聚氰酸一酰胺大量生成的重要原因。
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