分子筛SCR催化剂降低柴油机NOx反应机理的数值模拟

摘要

柴油机的NOx排放是造成空气污染的因素之一，日益严格的机动车排放法规，促进了柴油机NOx排放控制技术的发展和应用。研究者提出了很多适于柴油机NOx排放控制的机内净化技术和后处理技术，其中最有应用前景的后处理技术之一是选择性催化还原(SCR)。拓宽尿素SCR有效工作温窗，提升其低温和高温NOx转化效率一直是研究者关注的问题。
　　对催化剂表面NOx还原过程的深入了解是提升系统NOx转化性能的前提。针对广泛应用于尿素SCR后处理技术的Cu、Fe分子筛催化剂分别建立了一维总包反应动力学模型，模型考虑了NH3吸附和脱附、NH3氧化、NO氧化及NOx转化反应，通过优化各反应的动力学参数对模型进行了实验验证，结果表明所建模型能够较好地预测反应中各组分摩尔浓度及转化率的变化情况。基于验证的模型，对比了各反应条件下Cu、Fe分子筛催化剂性能的不同，结果表明Cu分子筛催化剂的最大储氨量更高，NH3氧化能力更强，Cu、Fe分子筛催化剂的NO氧化性能相差不大。温度低于400℃时，标准SCR反应中Cu分子筛催化剂活性更高，而更高温度范围内Fe分子筛催化剂的NO转化性能更好。分析了入口NO2/NOx比值对催化剂NOx转化效率的影响，结果表明Fe分子筛催化剂对入口NO2/NOx比值更敏感。
　　对Cu、Fe分子筛反应模型瞬态响应进行分析的时候观察到:停止通入NH3的时候，NO转化率先升高后降低，证明Fe分子筛催化剂表面的NH3抑制效应，Cu分子筛催化剂中不存在这种抑制作用。同时，低温条件下，随着催化剂表面NI3覆盖度升高，Fe分子筛催化剂比Cu分子筛催化剂更早达到该温度下的稳态转化率，所以稳态转化率并不能完全反映催化剂的性能。
　　考虑到Cu、Fe分子筛催化剂的低温和高温活性差异，将Cu、Fe分子筛催化剂串联组合以拓宽系统活性温窗。为了确定合理的组合方式，分析了催化剂长度对NH3氧化反应和标准SCR反应的影响，并证明Cu+Fe分子筛催化剂串联组合方式不能提升系统的高温NOx转化活性。改变Cu、Fe分子筛催化剂顺序，证明了Fe+Cu分子筛催化剂串联组合方式的合理性，分析了前后催化剂长度比例对NO转化率的影响，最终确定Fe(20％)+Cu(80％)为最佳串联组合方式，能够在更宽的温度范围内保持较高的NO转化性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 柴油机排放现状

1．3 柴油机NOx排放后处理技术

1．3．1 选择性催化还原

1．3．2 稀燃NOx捕集

1．3．3 LNT-SCR耦合系统

1．4 SCR后处理技术研究现状

1．4．1 催化剂

1．4．2 化学反应机理

1．4．3 尿素水溶液喷雾

1．4．4 尿素沉积物

1．4．5 SCR系统设计

1．5 本章小结

2 反应动力学分析原理

2．1 催化反应动力学基础

2．1．1 化学反应速率

2．1．2 阿伦尼乌斯方程

2．1．3 多相催化反应

2．2 SCR计算模型

2．2．1 反应器模型

2．2．2 反应动力学模型

2．3 本章小结

3 Cu、Fe分子筛催化剂表面NH3-SCR反应

3．1 反应机理

3．2 反应模型参数及边界条件

3．3 反应模型验证及分析

3．3．1 NH3吸附和脱附反应

3．3．2 NH3氧化反应

3．3．3 NO氧化反应

3．3．4 标准SCR反应

3．3．5 快速SCR反应

3．3．6 慢速SCR反应及N2O生成反应

3．3．7 入口NO2／NOx比值对NOx还原反应的影响

3．4 Cu、Fe分子筛催化剂低温活性不同的原因

3．5 瞬态响应特性

3．6 本章小结

4 Cu、Fe分子筛催化剂串联组合

4．1 催化剂长度对NH3氧化反应的影响

4．2 催化剂长度对标准SCR反应的影响

4．3 Cu+Fe串联组合的实验验证及分析

4．4 Fe+Cu串联组合的实验验证及分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢