Scr система: Что такое SCR система и для чего она необходима

Что такое SCR система и для чего она необходима

  • 06.06.2012

В настоящее время на территории  Европы действуют строгие экологические стандарты Евро 4 и Евро 5. Чтобы добиться соответствия автомобилей этим стандартам, производители устанавливают на выпускаемые машины систему SCR. Она не только позволяет заботиться об окружающей среде, но и отличается наивысшей рентабельностью и экономичностью. Таким образом, данная система помогает достичь сразу двух целей – соответствия международным нормам и обеспечения наиболее выгодных условий эксплуатации и окупаемости.

Принцип работы SCR предельно прост. Вне мотора происходит преобразование отработанных газов при помощи катализатора (в этой роли выступает 32-процентный раствор мочевины) AdBlue и каталитического нейтрализатора. Что делает система? Посредством впрыска она помещает определенное количество рабочей жидкости AdBlue в выхлопные газы. В результате запускается химическая реакция взаимодействия аммиака и окислов азота, на выходе которой получаются вода и азот – абсолютно безвредные для окружающей среды вещества.

Применение SCR системы вкупе с реагентом AdBlue, помимо описанных выше двух целей, помогло также  добиться экономии топлива. Вот конкретные цифры: уровень экономии топлива составляет около 3-5%, а расход самого реагента AdBlue – примерно 4-5% от объема расходуемого топлива. Чтобы  цифры были более убедительными, отметим, что в европейских странах стоимость дизельного горючего существенно выше стоимости AdBlue.

Как результат – Европа с энтузиазмом приняла данный продукт. Сегодня на континенте около 4 тыс. торговых точек и 1,3 тыс. заправочных станций предлагают приобрести водный раствор мочевины AdBlue.

Система SCR подразумевает применение катализаторов. Они состоят из соединений переходных металлов (разумеется, каталитически активных) на кристаллоносителях из керамики. От того, какой размер имеют поры кристаллоносителя и насколько активны катализаторы, зависит способность системы преобразовывать окислы азота в воду и азот. От первого параметра зависит также скорость, с которой происходит диффузия отработанных газов.

Для того чтобы система SCR сохраняла свою максимальную эффективность на протяжении довольно долгого времени, используемая в ней жидкость должна подвергаться скрупулезному контролю. Так и происходит с AdBlue, каждый этап изготовления которого проверяется специалистами. Это необходимо потому, что в составе реагента присутствуют компоненты, превышение содержания которых разрушит каталитическую систему, заблокировав поры или выведя из строя активные центры.

По той же причине стоит следить, чтобы в состав реагента не попадали посторонние соединения и частицы, а сама жидкость не попадала в физические состояния, находящиеся за пределами установленных для нее норм (температурных, например).

Описанные аспекты очень важны, так как недостаточная эффективность SCR сводит на нет все усилия, не только увеличивая объемы выбросов, но и нередко вызывая повреждение мотора (последнее происходит из-за повышения давления в отработавших газах).

В общих чертах  химическая реакция, протекающая в  SCR системе,  выглядит следующим образом.  Раствор мочевины AdBlue путем впрыска попадает в отработавший газ, нагретый до высокой температуры (свыше 180 °С), после чего происходит гидролиз с образованием аммиака. Вот уравнение, описывающее данный процесс:

 (Nh3)2CO + h3O > 2 Nh4 + CO2

Далее – второй и заключительный этап – разложение на азот и воду. В качестве катализатора реакции выступает   основной металл SCR.  Это описывается следующим уравнением:

4Nh4 + 4NO + O2 > 4 N2 + 6h3O

8Nh4 + 6NO2 > 7N2 + 12h3O

Categories: Статьи

21510

0

О системе SCR – Prounit

Система SCR – система нейтрализации выхлопных газов с использованием раствора мочевины.

В европейских странах с 2004 г. действует экологический стандарт ЕВРО 4, а с сентября 2009 г. ЕВРО 5, призванный сократить количество выбросов вредных веществ в атмосферу до уровня: СН до 0,05 г/км, CO до 0,8 г/км, NOx до 0,06 г/км. Для обеспечения этих показателей производители грузовой техники используют две системы EGR и SCR. Давайте разберемся в каждой из них.
EGR– система рециркуляции выхлопных газов. Большинство ведущих производителей не поставляют на российский рынок автомобили, оборудованные системой EGR. Связано это прежде всего с качеством российского топлива. Содержание серы в нем втрое превышает содержание серы в топливе стандарта ЕВРО 4. Повышается нагрузка на поршневую группу и, следовательно, двигатель преждевременно выходит из строя. Это не позволяет производителю выполнять гарантийные обязательства.

Альтернативой системы EGR является Selective Cataltic Reduction (селективная каталитическая система) – сокращенно SCR. Эта система, в отличие от первой, не влияет на работу двигателя. И тем не менее, она тоже вызывает множество затруднений у водителей и владельцев грузового автотранспорта.

SCR – это сложная в ремонте и дорогостоящая в обслуживании система.
В Европе вместе с дизельным топливом на заправочных автостанциях можно купить раствор Adblue(мочевины). Он заливается в специальный бак, объем которого почти всегда пропорционален объему топливного бака. Расход мочевины равен приблизительно 4-8 % от расхода топлива. Из бака раствор через насосный модуль закачивается в устройство дозирования. Оттуда под давлением в 5 бар он впрыскивается в разогретый до 200 градусов Цельсия каталитический нейтрализатор. После этого происходит гидролиз с образованием аммиака. Далее –реакция восстановления, при которой образуются исходные формы: азот и вода.

Количество впрыскиваемой мочевины постоянно меняется и в реальном времени вычисляется блоком дозирования. На это количество влияют несколько факторов: температура нейтрализатора и окружающей среды, нагрузка двигателя, а также частота вращения коленчатого вала.

На холостом режиме работы двигателя впрыска мочевины не происходит, но давление в системе сохраняется.

Нашими инженерами было разработано устройство (Эмулятор), которое полностью эмитирует все рабочие процессы полностью исправной системы дозирования, включая и температурные режимы катализатора, что позволяет сохранять расход топлива на прежнем уровне (как на абсолютно исправной системе дозирования). Эмулятор получает все необходимые данные по шине CAN от блока управления двигателем, производит расчет всех необходимых рабочих параметров (от 10 до 50 параметров) согласно сложным математическим моделям и передает обратно блоку управления двигателем. Это позволяет при необходимости произвести демонтаж всей системы дозирования.

Стоит отметить также, что для работы системы необходима температура раствора «Adblue» от 11 до 40 градусов Цельсия.

В России экологический стандарт ЕВРО 4 не видится в обозримом будущем. И перевозчики все чаще задаются вопросом: «так зачем же тратить деньги на мочевину и осуществлять дорогостоящий ремонт системы?»

Отключение мочевины: что это?

Отключение мочевины или, по-другому, отключение Adblue – это комплекс действий, направленных на отключение системы SCR (Selective Catalytic Reduction). Система SCR отвечает за контроль выхлопной системы на современных грузовиках, автобусах или других транспортных средствах с использованием раствора мочевины.

Рассмотрим систему SCR более подробно:

Селективная каталитическая система (SCR) — это устройство, которое снижает количество выброса монооксидов азота (NOx) выхлопных газов двигателя. Ядро каталитического нейтрализатора SCR обычно изготавливается из керамики (оксид титана) и покрывается оксидами таких металлов, как вольфрам, ванадий, молибден и другие драгоценные или редкие металлы. Во всяком случае, для выполнения необходимой реакции восстановления система SCR нуждается в дополнительном реагенте. Это может быть раствор безводного аммиака, водного аммиака или же раствор мочевины. Дополнительный компонент называется DEF (дизельная выхлопная жидкость). Наиболее популярным решением на рынке является AdBlue. Вот почему эмуляторы SCR-системы часто называют эмуляторы AdBluе.

Принцип работы системы SCR (дизельных двигателей):

раствор Adblue вводится в камеру каталитического нейтрализатора, где его пар смешивается с выхлопными газами, за счет чего уменьшается выброс вредного вещества (NOx). Следует уточнить, что работа системы SCR будет эффективна в том случае, если двигатель достигнет необходимой температуры (360-450 °С) прежде чем начать процесс снижения выбросов NOx. Система SCR имеет датчик температуры выхлопных газов, который отправляет данные о температуре в электронный блок управления (ЭБУ).

Сажевый фильтр (DPF)

DPF (Diesel Particulate Filter) – это устройство, которое предназначено для снижения выброса в атмосферу твердых частиц или сажи, которые образуются при сгорании дизельного топлива.

Возможные причины образования сажи и твердых частиц:

  • Неполное сгорание топлива
  • Неправильная установка форсунки
  • Протечка форсунки
  • Низкое цетановое число топлива
  • Обильное попадание охлаждающей жидкости в камеру сгорания
  • Отсутствие давления или расхода всасываемого воздуха из-за повреждения турбонаддува или забитых впускных каналов
  • Плохое качество топлива, моторного масла и другие факторы.

Твердые частицы дизельного топлива считаются одними из самых вредных загрязнителей. Все выхлопные системы типа EURO 6 должны иметь системы DPF. Некоторые фильтры DPF одноразовые, а некоторые из них способны регенерировать при определенных условиях. Восстановление возможно за счет сжигания большего количества топлива и повышения температуры выхлопной системы, что позволяет сжечь загрязнение от фильтра. Регенерация DPF контролируется блоком управления двигателя автомобиля (ЭБУ) и выполняется при достижении необходимых условий (температура выхлопа, количество топлива в баке, скорость автомобиля и частота вращения двигателя).

Ошибки SCR и DPF

Самые распространённые проблемы, во время эксплуатации современного автомобиля, возникают из-за сбоев в системе SCR или DPF (сажевый фильтр). В случае подобной неисправности управление автомобилем будет существенно затруднено из-за режима Limp, активированного блоком управления двигателя. Limp это аварийный режим работы двигателя, с уменьшением мощности (крутящего момента) на 40%. Такой режим активируется при наличии в системе SCR активных кодов неисправностей, свидетельствующих о неисправности системы доочистки выхлопных газов. С помощью этого режима блок управления двигателем снижает количество топлива, впрыскиваемый в цилиндры, снижает объём выхлопных газов тем самым защищая окружающую среду от загрязнения.

Поскольку эксплуатация грузового автомобиля с неисправной системой SCR или DPF практически невозможна, это может вызвать значительные проблемы для компании грузоперевозчика. Могут быть нарушены сроки доставки груза, повышенный расход топлива (обусловленный снижением мощности) увеличит стоимость каждого пройденного километра, а стоимость ремонта любой системы доочистки выхлопных газов имеет высокую цену.

Причины выхода из строя системы доочистки могут быть различными. Но самая распространенная в регионах России — это некачественная жидкость AdBlue. Такая жидкость может содержать в себе различные нефтепродукты (дизельное топливо, масла), наличие таких примесей практически мгновенно приводят к выходу из строя таких элементов системы SCR как насос, дозирующий клапан, элементы каталитической системы.

Стоит отметить, что существует много стран за пределами России и ЕС, которые не требуют соблюдения стандартов EURO 6, EURO 5 или даже стандарта EURO 4 для систем SCR или DPF. Это делает эксплуатацию и обслуживание системы в таких странах невыгодной и, вдобавок, необоснованной.

Что делать в случае если вы хотите отремонтировать систему SCR или вовсе отключить ее (сэкономив кучу денег)?

Мы выделим 3 способа:

  • Можно обратиться к профессионалам для ремонта (рекомендуем этот способ, если ваш автомобиль часто используется в ЕС). Цена услуги высока, но ваш транспорт будет гарантировано соответствовать стандарту EURO.
  • Можно отключить систему SCR перепрограммировав ЭБУ двигателя. Этот способ достаточно прост для специалиста, но если вы передумаете и захотите вернуть систему SCR обратно, это вам «влетит в копеечку». Если вы обновите программное обеспечение вашего автомобиля, то перепрограммирование будет аннулировано после каждого обновления прошивки (иными словами автомобиль вновь будет использовать систему SCR). Кроме того, это может вызвать проблемы, если вы решите продать грузовик с измененным ПО.
  • И, наконец, вы можете выбрать самый быстрый, легкий и дешевый способ – установить эмулятор Adblue. Он безопасен в использовании, прост в установке (даже если вы не обладаете подходящими знаниями в автомобильной электронике), и вы можете отключить эмулятор, либо удалить его в любое время за несколько минут. Также эмулятор Adblue можно будет перепродать, если он вам больше не требуется.

Adblue эмуляторы: как они работают

AdBlue Emulator – это устройство которое способно имитировать полностью исправную систему SCR автомобиля. Эмулятор собирает данные о режимах работы двигателя, температурах и крутящем моменте – рассчитывает эти параметры и имитирует сигналы которые полностью соответствуют рабочей системе SCR, тем самым предотвращая появление ошибок в системе. Блок управления двигателем получает всю необходимую ему информацию о исправной, работающей системе доочистки выхлопных газов, в то время как сама система SCR может вовсе отсутствовать на автомобиле. Существуют различные типы эмуляторов Adblue, которые адаптированы к конкретным моделям грузовиков или двигателей.

Эмулятор AdBlue может помочь эксплуатировать ваш автомобиль в режиме нормальной работы двигателя, даже если система SCR неисправна. Но главная причина, почему так много грузовиков оснащены эмуляторами AdBlue, — это экономия денег на жидкости AdBlue, и обслуживании этой системы.

Типы эмуляторов Adblue

Эмуляторы Adblue были разработаны сразу же после введения стандарта для грузовиков типа EURO 4. За годы работы конструкция и программное обеспечение эмуляторов было полностью переработано и в настоящее время их можно приобрести для автомобилей типа EURO 4, EURO 5 и EURO 6.

Какие эмуляторы Adblue мы можем предложить

В настоящее время компания ProUnit производит эмуляторы Adblue практически для любых моделей коммерческого транспорта. Все наши эмуляторы, включая эмуляторы первого поколения, разработаны и изготовлены в России из европейских и американских комплектующих, таким образом, мы обеспечиваем и гарантируем высокое качество нашей продукции. Наши эмуляторы Adblue подходят для грузовых автомобилей и двигателей производства DAF, MAN, Iveco, Scania, Volvo, Mercedes-Benz, FORD, Renault и других. Наша компания первая на рынке разработала и ввела в эксплуатацию приборы взаимодействующие с системами экологического класса EURO 6 для автомобилей Volvo, Renault и MAN. Наша команда поддерживает тесную связь со многими официальными дилерами грузовиков, что позволяет нам получать самую точную информацию о работе эмуляторов из первых уст.

Мы поможем подобрать эмулятор для вашего автомобиля здесь

Системы SCR

для дизельных двигателей Системы SCR

для дизельных двигателей

В. Адди Маевски

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

  • Системы дозирования и введения мочевины
  • Регулятор дозирования мочевины
  • Хранение твердого восстановителя для систем SCR

Abstract : Технология SCR на основе мочевины была принята в качестве стратегии сокращения выбросов NOx в большинстве типов мобильных дизельных двигателей. Системы SCR мочевины обычно включают катализатор SCR, вспомогательный катализатор окисления и систему впрыска мочевины, которая подает водный раствор мочевины перед катализатором SCR. Высокие показатели сокращения выбросов NOx зависят от температурного диапазона катализатора и сложной стратегии управления впрыском мочевины с электронным управлением.

  • Введение
  • Конфигурация системы
  • Потребление и пополнение запасов мочевины
  • Характеристики выбросов
  • Интеграция DPF
  • Работа при низких температурах
  • Коммерческие системы SCR

Системы снижения NOx, основанные на технологии селективного каталитического восстановления (SCR), были разработаны и коммерциализированы для ряда мобильных дизельных двигателей в юрисдикциях со строгими стандартами выбросов дизельных двигателей, начиная с ЕС (Euro IV/V, 2005/2008), Японии. (JP 2005) и США (US EPA 2010). Использование аммиака было практически исключено из соображений безопасности, а мочевина (в водном растворе) обычно использовалась в качестве предпочтительного восстановителя.

Контроль NOx только для системы SCR. В приложениях с умеренно жесткими ограничениями выбросов наиболее привлекательная стратегия выбросов SCR включает калибровку двигателя для низкого содержания твердых частиц (момент впрыска, высокое давление впрыска) и использование катализатора SCR для снижения повышенного содержания NOx, рис. 1. Этот подход также могут соответствовать некоторым применимым предельным значениям выбросов ТЧ, как это было в случае многих применений SCR на двигателях Euro IV/V или на внедорожных двигателях Stage IV ЕС и США Tier 4. Из-за опережающего момента впрыска может быть достигнуто улучшение экономии топлива, что делает систему SCR на основе мочевины более привлекательной, чем конкурирующая технология EGR, которая приводит к снижению экономии топлива. Мочевина-SCR также может иметь преимущество в экономии топлива по сравнению с катализаторами адсорбера NOx — еще одной конкурирующей технологией снижения NOx — из-за штрафа за экономию топлива в результате регенерации адсорбера.

Однако любая экономия топлива в двигателях SCR в некоторой степени компенсируется стоимостью мочевины.

Рисунок 1 . Стратегия ограничения выбросов NOx только с помощью SCR

Система доочистки SCR без EGR и DPF

Стратегия только SCR широко использовалась в Европе для одновременного соблюдения ограничений Euro IV/V как для NOx (3,5/2 г/кВтч соответственно), так и для PM (0,02 г/кВтч) [623] . Двигатели были откалиброваны для низких уровней выбросов ТЧ, ниже 0,02 г/кВтч, в то время как выбросы NOx на выходе двигателя были повышены примерно до 9-11 г/кВтч. Затем использовалась доочистка SCR для снижения выбросов NOx до уровня ниже 2 г/кВтч. Требуемая эффективность преобразования NOx системы SCR составляла около 80-85% для Евро-5 и только около 65% для Евро-4. Необходимость в дизельном сажевом фильтре была устранена, что привело к уменьшению размера, сложности и стоимости системы дополнительной обработки выхлопных газов. Калибровка Euro V может обеспечить экономию топлива примерно на 3-5%.

Системы SCR также рассматривались как потенциальное решение для соответствия средним стандартам США по выбросам NOx в 2007-2010 гг., составляющим около 1,1 г/л.с.-ч, без использования EGR [980] . В этом случае система контроля выбросов объединила катализатор SCR и сажевый фильтр (DPF), чтобы соответствовать установленному в США в 2007 году пределу содержания твердых частиц в 0,01 г/л.с.-ч. Согласно анализу затрат, доочистка SCR представляет собой наиболее экономически эффективную технологию для соответствия стандартам выбросов США 2007 года. Это показано на Рисунке 2, где представлены результаты анализа, проведенного DaimlerChrysler 9.0048 [977]

. С точки зрения экономии топлива пакет SCR + DPF, соответствующий требованиям 2007 года, может обеспечить преимущество на 6% по сравнению с базовым уровнем 2004 модельного года, что очень выгодно по сравнению с альтернативой EGR + DPF. Кроме того, общее изменение стоимости жизненного цикла для SCR выгодно отличается от конкурирующих вариантов адсорбции EGR и NOx во всем проанализированном диапазоне стоимости растворов мочевины. Несмотря на очевидную экономическую выгоду, технология EGR использовалась для контроля NOx в двигателях США 2007-2009 гг., а SCR была принята тремя годами позже, в 2010 г.

Рисунок 2 . Расход топлива (слева) и относительное увеличение затрат (справа) для стратегий выбросов США в 2007 г.

DPF = сажевый фильтр с катализатором; NAC = каталитический нейтрализатор NOx

Только прямые затраты, без накладных расходов или прибыли

В легковых автомобилях сравнение путей адсорбента мочевины и NOx в соответствии со стандартами США на выбросы Tier 2 Bin 2, проведенное Ford, показало, что SCR мочевины может обеспечить экономическое преимущество как с точки зрения стоимости системы, так и с точки зрения эксплуатационных расходов. [1067] .

Контроль NOx SCR+EGR. Приложения с более строгими стандартами выбросов требуют одновременного использования SCR и EGR для контроля NOx. Конфигурация SCR + EGR использовалась в двигателях США 2010 года для соответствия стандарту NOx 0,2 г / л. с.-ч. По сравнению со стандартом 2004 г. ограничение 2010 г. требовало сокращения NOx более чем на 90% в течение переходного цикла FTP. В приложениях с такими высокими требованиями к сокращению NOx технология SCR не имеет дополнительных возможностей для обработки любых повышенных уровней NOx на выходе из двигателя в результате калибровки двигателя с экономичным расходом топлива

[622] , и необходимо комбинировать SCR с EGR, чтобы соответствовать этим более строгим ограничениям NOx.

Дополнительные преимущества использования системы рециркуляции отработавших газов в двигателях SCR включают улучшенный контроль над выбросами NOx при низких температурах, например, в приложениях, испытанных в ходе циклов низкотемпературных испытаний [1160] , и более надежную конфигурацию для соответствия требованиям бортовой системы диагностики.

Проблемы с SCR. Применение технологии SCR к мобильным двигателям требует решения ряда технических и нормативных проблем, а также проблем с инфраструктурой распределения мочевины. Ниже приведены наиболее важные вопросы:

  • Эффективность при низких температурах : Катализаторы SCR в мобильных устройствах работают в гораздо более широком диапазоне температур, чем в стационарных двигателях. Активность катализатора при низких температурах продолжает оставаться проблемой как с точки зрения эффективности преобразования NOx, так и с точки зрения долговечности катализатора (дезактивация нитратом и/или сульфатом аммония). Кроме того, выбор рецептуры катализатора ограничен, поскольку в США и Японии высказывались опасения по поводу возможного воздействия на здоровье выбросов ванадия из систем на основе ванадия.
  • Стратегия контроля : Работа в переходном режиме в мобильных дизельных двигателях создает проблемы при разработке стратегий впрыска мочевины и затрудняет контроль проскальзывания аммиака и других вторичных выбросов (таких как N 2 O или NH 4 NO 3 ). Высокоэффективные системы SCR с низким уровнем выбросов NOx требуют передовых стратегий управления SCR с обратной связью и усовершенствованной технологии датчиков NOx.
  • Инфраструктура распределения мочевины : Для технологии SCR требуется инфраструктура распределения мочевины, которая позволяет пополнять бортовой резервуар мочевины через разумные промежутки времени.
  • Соответствие нормативам : Дизельный двигатель может работать без восстановителя SCR [1068] . Чтобы обеспечить соблюдение требований по выбросам, системы SCR должны быть спроектированы таким образом, чтобы было очень трудно работать без мочевины. Поскольку пополнение раствора мочевины является расходом для оператора транспортного средства, системы SCR являются очевидной мишенью для несанкционированного доступа.

###

Селективное каталитическое восстановление

Селективное каталитическое восстановление

В. Адди Маевски

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

  • Стационарные системы SCR
  • Системы SCR для дизельных двигателей

Резюме : В процессе селективного каталитического восстановления (SCR) NOx реагирует с аммиаком с образованием азота и воды, при этом в качестве предшественника аммиака обычно используется мочевина. Различные катализаторы СКВ, такие как оксид ванадия или цеолиты, замещенные металлами, имеют разные диапазоны рабочих температур и другие свойства, и их необходимо тщательно выбирать для конкретного процесса СКВ. Поскольку скорость конверсии NOx зависит от концентрации NO 2 :NO катализатор окисления обычно используется для увеличения концентрации NO 2 на входе в СКВ. Многие системы SCR также включают катализатор проскальзывания аммиака для контроля выбросов непрореагировавшего аммиака.

  • Введение
  • Восстановители и каталитические реакции
  • Катализаторы СКВ
  • Влияние компонентов выхлопных газов на катализ SCR
  • Вспомогательные катализаторы

Введение

Селективное каталитическое восстановление (SCR) NOx соединениями азота, такими как аммиак или мочевина , обычно называемые просто «SCR», были разработаны и хорошо зарекомендовали себя в промышленных стационарных применениях. Впервые он был применен на тепловых электростанциях в Японии в конце 1970-х годов, а затем широко распространился в Европе с середины 1980-х годов. В США системы СКВ были внедрены для газовых турбин в 1990-х годах, за которыми последовало растущее число установок для контроля выбросов NOx на угольных электростанциях. Другими областями применения СКВ являются нагреватели и бойлеры заводов и нефтеперерабатывающих заводов в химической промышленности, печи, коксовые печи, а также мусоросжигательные заводы и мусоросжигательные заводы. Список видов топлива, используемых в этих приложениях, включает промышленные газы, природный газ, сырую нефть, легкую или тяжелую нефть и пылевидный уголь [203] .

Использование систем SCR для контроля выбросов NOx в мобильных приложениях началось с судовых двигателей. Большой размер и установившиеся режимы работы морских установок сделали адаптацию стационарной технологии SCR относительно простой. Первые блоки SCR были установлены в 1989 и 1990 годах на двух корейских 30000-тонных перевозчиках [202] . Корабли, оснащенные двухтактными дизельными двигателями MAN B&W мощностью 8 МВт, были оборудованы системой SCR аммиака, рассчитанной на 9Снижение NOx на 2%. Выхлопные газы пропускались через реактор только при плавании судов в водах, на которые распространяются нормы выбросов NOx. В 1992 году в рамках другого раннего морского проекта SCR паром «Аврора из Хельсингборга», курсировавший между Швецией и Данией, был оборудован системой SCR на основе мочевины [201] . Паром был оснащен двигателем Wärtsilä типа 6R32E мощностью 2,4 МВт, а реактор SCR включал три слоя монолитных экструдированных катализаторов SCR и один слой катализатора окисления. Технология SCR также рассматривалась для дизельных двигателей 9 локомотивов.0048 [207] .

С середины 1990-х годов было проведено множество проектов по адаптации технологии SCR для дизельных двигателей грузовых автомобилей и автомобилей. Несколько ранних систем SCR для двигателей большегрузных грузовиков были разработаны и испытаны голландским TNO [200] [199] [621] , в то время как Johnson Matthey разрабатывала свою компактную систему SCR-Trap — устройство, состоящее из фильтр твердых частиц (CRT) перед катализатором SCR [981] . Неудивительно, что мобильные системы также разрабатывались компаниями с традиционным опытом в области стационарных установок, такими как Haldor Topsøe 9.0048 [623] или Argillon (ранее Siemens, теперь Johnson Matthey) с автомобильной системой SCR под названием SINOx [334] [331] . В некоторых ранних тестах система SINOx была соединена с сажевым фильтром перед катализатором SCR [980] [1172] . Компания Ford разработала систему SCR с мочевиной для легких условий эксплуатации, соответствующую ограничениям на выбросы загрязняющих веществ Tier 2 Bin 5 Агентства по охране окружающей среды США [206] [983] .

Применение мобильного двигателя потребовало решения ряда проблем, связанных с технологией дозирования карбамида в переходных режимах работы, оптимизацией катализаторов, а также инфраструктурой карбамида. Некоторые регулирующие органы, в частности Агентство по охране окружающей среды США, изначально скептически отнеслись к пути соответствия SCR стандартам выбросов как с точки зрения обеспечения доступности восстановителя (мочевины) вместе с дизельным топливом по всей национальной распределительной сети, так и с точки зрения того, что это всегда своевременно. пополняется операторами транспортных средств. В конечном итоге СКВ оказалась более надежной технологией выбросов, чем основной альтернативный вариант, адсорберы NOx, и широко используется во всех типах мобильных дизельных двигателей.

Примерно с середины 2000-х годов технология SCR с мочевиной постепенно коммерциализировалась для наземных мобильных дизельных двигателей. Основные шаги в этом процессе:

  • Ряд производителей выбрали Urea-SCR в качестве предпочтительной технологии для соответствия нормам NOx Euro V (2008 г.) и JP 2005 г. (оба равны 2 г/кВтч) для двигателей большегрузных грузовиков и автобусов. Первые коммерческие дизельные грузовики были запущены в производство в ноябре 2004 года компанией Nissan Diesel в Японии [1160] и в начале 2005 года компанией Daimler (в то время DaimlerChrysler) в Европе [986] .
  • В Соединенных Штатах системы SCR были введены большинством производителей двигателей в 2010 году, чтобы соответствовать пределу NOx Агентства по охране окружающей среды США, составляющему 0,2 г/л. с.-ч для двигателей большой мощности.
  • В транспортных средствах малой грузоподъемности SCR была введена в некоторых транспортных средствах уровня 2 Агентства по охране окружающей среды США, в то время как в других использовались адсорберы NOx. Примерно к 2012-2015 годам большинство моделей автомобилей Уровня 2 с адсорберами NOx были оснащены СКВ на основе мочевины.
  • В Европе система SCR была внедрена на некоторых моделях стандарта Евро-5, а в автомобилях стандарта Евро-6 эта технология применялась гораздо шире.
  • В недорожных двигателях технология SCR на основе мочевины была внедрена во многих моделях двигателей, чтобы соответствовать стандартам США Tier 4i/EU Stage IIIB и более поздним стандартам выбросов.

В следующих разделах рассматриваются основы СКВ — восстановители, химические реакции и катализаторы. Краткий обзор установок СКВ для контроля выбросов NOx в промышленных процессах представлен в разделе «Стационарные системы СКВ». Разработка и опыт использования систем SCR для мобильных дизельных двигателей обсуждаются в разделе «Системы SCR для дизельных двигателей».

Восстановители и каталитические реакции

Аммиак

В системах СКВ можно использовать две формы аммиака: (1) чистый безводный аммиак и (2) водный раствор аммиака. Безводный аммиак токсичен, опасен и требует толстостенных резервуаров для хранения под давлением и трубопроводов из-за высокого давления паров. Водный аммиак, NH 3 ·H 2 O, менее опасен и с ним проще обращаться. Типичный аммиак промышленного качества, содержащий около 27% аммиака и 73% воды по весу, имеет давление паров, близкое к атмосферному, при нормальных температурах и может безопасно транспортироваться по шоссе в США и других странах.

В системе SCR с аммиаком происходит ряд химических реакций, что выражается уравнениями (1)-(5). Все эти процессы представляют собой желательные реакции, которые восстанавливают NOx до элементарного азота. Уравнение (2) представляет основной механизм реакции [306] . Реакции, представленные уравнениями (3)-(5), включают диоксид азота в качестве реагента. Путь реакции, описываемый уравнением (5), очень быстрый. Эта реакция отвечает за продвижение низкотемпературной СКВ с помощью NO 9.0088 2 [972] . Обычно концентрации NO 2 в большинстве дымовых газов, включая дизельные выхлопы, низкие. В дизельных системах SCR уровни NO 2 часто преднамеренно увеличиваются для повышения конверсии NOx при низких температурах.

6NO + 4NH 3 → 5N 2 + 6H 2 O(1)

4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O «стандартная» реакция SCR(2)

6НО 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O(3)

2NO 2 + 4NH 3 + O 2 → 3N 2 + 6H 2 O(4)

NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O«быстрая» реакция СКВ(5)

Вышеуказанные реакции ингибируются водой [974] . В выхлопных газах дизеля и других дымовых газах всегда присутствует влага. Для получения достоверных результатов водяной пар всегда должен присутствовать в лабораторных газовых испытаниях процессов СКВ и при моделировании процессов.

Если содержание NO 2 увеличивается до превышения концентрации NO в сырьевом газе, возможны пути образования N 2 O, уравнения (6) и (7) [1170] .

8 NO 2 + 6 NH 3 → 7 N 2 O + 9 H 2 O(6)

4 NO 2 + 4 NH 3 + O 2 → 4 N 2 O + 6 H 2 O(7)

К нежелательным процессам, протекающим в системах СКВ, относятся конкурентные, неселективные реакции с кислородом, которого в системе много. Эти реакции могут либо производить вторичные выбросы, либо, в лучшем случае, непродуктивно расходовать аммиак. Частичное окисление аммиака, определяемое уравнениями (8) и (9), может производить закись азота (N 2 O) или элементарный азот соответственно. Полное окисление аммиака, выраженное уравнением (10), приводит к образованию оксида азота (NO).

2NH 3 + 2O 2 → N 2 O + 3H 2 O(8)

4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O(9)

4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O(10)

Аммиак также может реагировать с NO 2 , производящий взрывоопасную нитрат аммония (NH 4 NO 3 ), уравнение (11). Эта реакция из-за ее отрицательного температурного коэффициента протекает при низких температурах, примерно ниже 100-200°С. Нитрат аммония может осаждаться в твердой или жидкой форме в порах катализатора, что приводит к его временной дезактивации [973] .

2NH 3 + 2NO 2 + H 2 O → NH 4 NO 3 + NH 4 NO 2 (11)0003

Образования нитрата аммония можно избежать, следя за тем, чтобы температура никогда не опускалась ниже 200°C. Склонность к образованию NH 4 NO 3 также может быть сведена к минимуму путем подачи в газовый поток меньшего количества NH 3 , чем точное количество, необходимое для стехиометрической реакции с NOx (молярное соотношение 1:1).

Когда дымовые газы содержат серу, как в случае с дизельными выхлопами, SO 2 может окисляться до SO 3 с последующим образованием H 2 SO 4 при реакции с H 2 O. Эти реакции аналогичны реакциям, протекающим в дизельном катализаторе окисления. В другой реакции NH 3 соединяется с SO 3 с образованием (NH 4 ) 2 SO 4 и NH 4 HSO 4 , которые осаждаются (1) и уравнение (1) и засорить катализатор, а также трубопроводы и оборудование. При низких температурах выхлопных газов, обычно ниже 250°C, загрязнение сульфатом аммония может привести к дезактивации катализатора SCR 9.0048 [205] .

NH 3 + SO 3 + H 2 O → NH 4 HSO 4 (12)

2NH 3 + SO 3 + H 2 O → (NH 4 ) 2 SO 4 (13)

Процесс SCR требует точного контроля скорости впрыска аммиака. Недостаточная скорость закачки приводит к неприемлемо низкой конверсии NOx. Слишком высокая скорость впрыска приводит к нежелательному выбросу аммиака в атмосферу. Эти выбросы аммиака из систем SCR, известные как проскальзывание аммиака , увеличивается с увеличением соотношения NH 3 /NOx (сокращенно ANR и также упоминается как альфа-коэффициент ). В соответствии с доминирующей реакцией СКВ, уравнение (2), стехиометрическое отношение NH 3 /NOx в системе СКВ составляет около 1. Соотношения выше 1 значительно увеличивают проскок аммиака. На рис. 1 представлен пример зависимости между отношением NH 3 /NOx, конверсией NOx, температурой и проскальзыванием аммиака [187] . Проскок аммиака уменьшается с повышением температуры, в то время как конверсия NOx в катализаторе СКВ может как увеличиваться, так и уменьшаться с температурой, в зависимости от конкретного температурного диапазона и каталитической системы, что будет обсуждаться позже.

Рисунок 1 . Преобразование NOx и проскальзывание аммиака для различных соотношений NH 3 /NOx

V 2 O 5 /TiO 2 Катализатор SCR, 200 cpsi

Отношения альфа от 0,9 до 1 могут использоваться для минимизации проскальзывания аммиака, при этом обеспечивая удовлетворительную конверсию NOx. Однако в приложениях с очень высокими целевыми показателями NOx система SCR должна работать с коэффициентом альфа ≥ 1. В таких случаях проскок аммиака можно контролировать с помощью защитный катализатор (катализатор окисления аммиака), расположенный после катализатора SCR.

В стационарных условиях обычно указывается максимально допустимое проскальзывание NH 3 с типичным значением 5-10 частей на миллион NH 3 .