CN106703957A - Scr催化剂瞬态特性评估方法和测试装置 - Google Patents

Scr催化剂瞬态特性评估方法和测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种SCR催化剂瞬态特性评估方法和测试装置，基于NH3和NOX在SCR催化剂上的反应原理，采用排温和空速工况突变作为触发条件，工况突变后对SCR后的NOX和NH3泄漏值进行检测，根据检测结果换算为NOX转化效率和NH3泄漏量评估SCR催化剂瞬态特性，NH3逃逸越少，对应的NOX转化效率高，催化剂的性能越好，能够对不同催化剂之间性能比较以及对同一种催化剂生产一致性进行评价，避免重复利用WHTC/ETC瞬态循环进行测评带来的人力和物力浪费。

Description

SCR催化剂瞬态特性评估方法和测试装置
技术领域
本发明涉及SCR尾气后处理技术领域，尤其涉及SCR催化剂瞬时特性评估方法和测试装置。
背景技术
SCR(Selective Catalytic Reduction)技术是消除柴油机排气中氮氧化物的主要后处理技术之一。其工作原理为：后处理控制单元(DCU)根据发动机的运行工况计算当前的尿素需求量，控制执行器向SCR催化器内喷射尿素溶液，尿素溶液在高温下分解成NH3和CO2，在SCR催化器中的NH3和排气中的NO、NO2反应产生N2和H2O，从而降低柴油机尾气中的氮氧化物量。在SCR技术中，催化器中的催化剂的性能对于尾气处理的效果至关重要，因而需要对SCR催化剂性能进行测试和评估。
目前，在评估SCR催化剂瞬态特性的过程中，往往会通过重复使用WHTC/ETC瞬态循环来进行评价。WHTC试验(World Harmonized Transient Cycle)：全球统一瞬态试验循环，包括1800个逐秒变换工况的瞬态试验循环。ETC试验(European Transient Test)：欧洲瞬态测试循环，包括1800个逐秒变换工况的试验循环。WHTC/ETC循环每循环需要30分钟，重复使用会造成人力和物力的巨大浪费，并且WHTC/ETC对测功机等设备有较高要求。
发明内容
本发明旨在设计一种SCR催化剂瞬态特性评估方法和测试装置，用于SCR催化剂瞬态性能评估，能够对不同催化剂之间性能比较以及对同一种催化剂生产一致性进行评价，避免重复利用WHTC/ETC瞬态循环进行测评带来的人力和物力浪费。
在SCR的NOX与NH3进行反应过程中，NH3首先吸附在SCR催化剂的活性位上，再与NOX进行反应。随着尿素的喷射及化学反应的进行，NH3在SCR催化剂上的吸附和脱附是同时进行的。随着尿素喷射，NH3在SCR催化剂上存储趋于饱和，来不及与NOX反应的NH3会从SCR催化剂上脱附出来，这就是NH3泄漏。如果NH3更趋于和NOX进行反应，NH3泄漏相对要少的话，说明催化剂的活性更大，性能更好。因而，NOX转化效率和NH3泄漏量是评估SCR催化剂性能的两个关键指标。
温度和空速是影响SCR催化剂性能的两个主要因素，尤其温度对SCR催化剂性能影响很大。当SCR处的工况从低温低空速突变到高温高空速时，NH3在SCR催化剂上的脱附和NH3与NOX的反应都会加快；催化剂本身的特性和大量的试验数据表明，瞬态过程中NH3泄漏主要出现在由低温低空速突变到高温高空速的过程中，因此设计排温和空速工况突变试验来考核催化剂瞬态下NH3泄漏控制情况。
本发明基于NH3和NOX在SCR催化剂上的反应原理，采用排温和空速工况突变作为触发条件，工况突变后对SCR后的NOX和NH3泄漏值进行检测，根据检测结果换算为NOX转化效率和NH3泄漏量评估SCR催化剂瞬态特性，NH3逃逸越少，对应的NOX转化效率高，催化剂的性能越好。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明提出一种SCR催化剂瞬态特性评估方法，包括以下步骤：
步骤S1：发动机启动热车；
步骤S2：调整发动机转速和扭矩，使发动机运行在低速低负荷工况；
步骤S3：控制尿素的喷射速率，按照固定的NH3/NOX比喷射尿素，实时检测SCR后NH3泄漏值，并开始计时；
步骤S4：当SCR后NH3泄漏值达到预定阈值，记录时间为t1；
步骤S5：快速调整发动机转速和扭矩，使发动机运行到高速大负荷工况，控制尿素的喷射速率，保持尿素喷射的NH3/NOX比不变；
步骤S6：当SCR后NOX排放稳定后，检测SCR前NOX的质量流量m′B、SCR后NOX的质量流量m′A和SCR后NH3泄漏的瞬时值n′A，停止试验，纪录时间为t2；
步骤S7：计算NOX转化效率：
NH3泄漏量：
步骤S8：根据SCR的NOX转化效率及NH3泄漏量对催化剂性能进行评估。
所述低速低负荷工况为温度T为450℃、空速SV为50000h-1，所述高速大负荷工况为温度T为250℃、空速SV为30000h-1。
所述NH3/NOX比为0.7或0.8；所述预定阈值为10ppm。
若NOX转化效率高且NH3泄漏量小，则判定催化剂的性能好；若NOX转化效率低且NH3泄漏量大，则判定催化剂的性能差；若NOX转化效率低且NH3泄漏量小，则判定催化剂的氧化性太强，需要更大的尿素喷射量。
本发明另一个发明目的是提出一种SCR催化剂瞬态特性评估的测试装置，包括动力系统、SCR处理系统、工况控制系统和数据处理系统，
所述动力系统包括发动机和动力控制器C1，所述动力控制器C1用于启动，并根据指令调整发动机的转速和扭矩；
所述SCR处理系统包括SCR箱、入口气体采样管路和出口气体采样管路，所述入口气体采样管路置于所述SCR箱的前端，所述出口气体采样管路置于所述SCR箱的后端；所述入口采样管路用于检测SCR前NOX的质量流量，所述出口气体采样管路用于检测SCR后NOX的质量流量和SCR后NH3泄漏的瞬时值；
所述工况控制系统包括工况控制器M3、尿素箱、尿素箱控制器M2、尿素喷嘴M1、工况监测系统和计时器；
所述工况控制器M3向尿素箱控制器M2发送控制信号，通过尿素箱控制器M2控制尿素喷嘴M1向SCR处理系统喷射尿素的速率，以便控制NH3/NOX比；
所述计时器用于记录发动机在低速低负荷工况运行时间t1和在高速大负荷工况运行时间t2；
所述数据处理系统F1用于接收所述SCR处理系统中的监测数据，即SCR前NOX的质量流量m′B、SCR后NOX的质量流量m′A和SCR后NH3泄漏的瞬时值n′A，以及所述计时器记录的发动机在低速低负荷工况运行时间t1和在高速大负荷工况运行时间t2，并计算NOX转化效率和NH3泄漏量：
NOX转化效率：
NH3泄漏量：
所述入口采样管路中设有第一气体流量计，用于检测SCR前NOX的质量流量；所述出口气体采样管路设有用于检测SCR后NOX的质量流量的第二气体流量计和用于检测SCR后NH3泄漏的瞬时值的第三气体流量计。
所述工况监测系统包括液体流量传感器、温度传感器N1和气体流量传感器N2，所述液体流量传感器设置于尿素喷嘴M1上，所述温度传感器N1设置于所述入口气体采样管路，所述气体流量传感器N2设置于所述出口气体采样管路。
所述低速低负荷工况为温度T为450℃、空速SV为50000h-1，所述高速大负荷工况为温度T为250℃、空速SV为30000h-1；所述NH3/NOX比为0.7或0.8。
本发明的优点在于：
基于NH3和NOX在SCR催化剂上的反应原理，采用排温和空速工况突变作为触发条件，通过检测、对比SCR后NOX转化效率和NH3泄漏量评价SCR催化剂瞬态特性。
1、能够有效的对SCR催化剂瞬态特性进行评价、比较不同催化剂之间的性能以及对同一催化剂生产一致性进行评价；
2、该测试方法时间紧凑，且试验设备均为常规排放试验所用，在实际试验过程中容易操作实现；
3、可以有效的避免重复利用WHTC/ETC循环进行SCR催化剂瞬态性能评估带来的人力和物力方面的浪费。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明实施方式的SCR催化剂瞬态特性评估方法流程图。
图2示出了根据本发明实施方式的SCR催化剂瞬态特性测试装置示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，根据本发明的实施方式，提出一种SCR催化剂瞬态特性评估方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：发动机启动热车；
步骤S2：调整发动机转速和扭矩，使发动机运行在低速低负荷工况，本实施例中工况:温度T为250℃、空速SV为30000h-1；
步骤S3：控制尿素的喷射速率，按照固定的NH3/NOX比喷射尿素，实时检测SCR后NH3泄漏值，并开始计时，本实施例中NH3/NOX比ANR例如为0.7或0.8；
步骤S4：当SCR后NH3泄漏值达到预定阈值、例如10ppm，记录时间为t1；
步骤S5：快速调整发动机转速和扭矩，使发动机运行到高速大负荷工况，本实施例中工况：温度T为450℃、空速SV为50000h-1，控制尿素的喷射速率，保持尿素喷射的NH3/NOX比不变，即本实施例中的NH3/NOX比ANR为0.7或0.8；
步骤S6：当SCR后NOX排放稳定后，检测SCR前NOX的质量流量m′B、SCR后NOX的质量流量m′A和SCR后NH3泄漏的瞬时值n′A，停止试验，纪录时间为t2；
步骤S7：计算NOX转化效率：
NH3泄漏量：
步骤S8：根据SCR的NOX转化效率及NH3泄漏量对催化剂性能进行评估：
(1)NOX转化效率高，NH3泄漏小，催化剂的性能越好；
(2)NOX转化效率低，NH3泄漏高，催化剂的性能越差；
(3)NOX转化效率低，NH3泄漏小，催化剂的氧化性太强，需要更大的尿素喷射量；
为实现上述SCR催化剂瞬态特性评估方法，本发明提出一种SCR催化剂瞬态特性评估测试装置，如图2所示，包括动力系统、SCR处理系统、工况控制系统和数据处理系统，
所述动力系统，包括发动机和动力控制器C1，所述动力控制器C1用于启动发动机，并根据指令调整发动机的转速和扭矩；
所述SCR处理系统包括SCR箱、入口气体采样管路和出口气体采样管路，所述入口气体采样管路置于所述SCR箱的前端，所述出口气体采样管路置于所述SCR箱的后端；所述入口采样管路用于检测SCR前NOX的质量流量，所述出口气体采样管路用于检测SCR后NOX的质量流量和SCR后NH3泄漏的瞬时值；
所述入口采样管路中设有第一气体流量计(图中未示出)，用于检测SCR前NOX的质量流量；所述出口气体采样管路设有用于检测SCR后NOX的质量流量的第二气体流量计(图中未示出)和用于检测SCR后NH3泄漏的瞬时值的第三气体流量计(图中未示出)；
所述工况控制系统，包括工况控制器M3、尿素箱、尿素箱控制器M2、尿素喷嘴M1、工况监测系统和计时器；所述工况监测系统包括液体流量传感器、温度传感器N1和气体流量传感器N2，所述液体流量传感器设置于尿素喷嘴M1上，所述温度传感器N1设置于所述入口气体采样管路，所述气体流量传感器N2设置于所述出口气体采样管路；
所述工况控制器M3向尿素箱控制器M2发送控制信号，通过尿素箱控制器M2控制尿素喷嘴M1向SCR处理系统喷射尿素的速率，以便控制NH3/NOX比；所述工况控制器M3根据所述工况监测系统的数据，如温度和废气流量，向所述动力控制器C1发送指令，控制发动机的运行工况，如低速低负荷工况:温度T为250℃、空速SV为30000h-1；高速大负荷工况：温度T为450℃、空速SV为50000h-1；
所述计时器用于记录发动机在低速低负荷工况运行时间t1和在高速大负荷工况运行时间t2；
所述数据处理系统F1，用于接收所述SCR处理系统中的监测数据，即SCR前NOX的质量流量、SCR后NOX的质量流量和SCR后NH3泄漏的瞬时值，以及所述计时器记录的发动机在记录低速低负荷工况运行时间t1和在高速大负荷工况运行时间t2，并计算NOX转化效率和NH3泄漏量：
NOX转化效率：
NH3泄漏量：
本发明测试装置的工作过程为：
(1)通过控制器C1启动发动机，发动机热车，并调整发动机转速和扭矩，使发动机运行在低速低负荷工况，本实施例中工况:温度T为250℃、空速SV为30000h-1；
(2)工况控制器M3设定温度T为250℃、空速SV为30000h-1，工况监测系统中的温度传感器N1和气体流量传感器N2对温度和废气流量进行实时监控，并反馈给工况控制器M3；
(3)工况控制器M3向尿素箱控制器M2发送控制信号，通过尿素箱控制器M2控制尿素喷嘴M1向SCR处理系统喷射尿素的速率，以便控制NH3/NOX比，同时计时器开始计时，本实施例中NH3/NOX比ANR为0.7或0.8；
(4)当SCR后NH3泄漏值达到预定阈值、例如10ppm，计时器记录时间为t1；通过动力控制器C1快速调整发动机到高速大负荷工况，本实施例中工况：温度T为450℃、空速SV为50000h-1；同时，工况控制器M3设定为温度T为450℃、空速SV为50000h-1，并向尿素箱控制器M2发送控制信号，控制尿素喷嘴M1向SCR处理系统喷射尿素的速率，保持NH3/NOX比0.7或0.8不变；
(5)当SCR处理系统中的第二气体流量计监测的SCR后NOX的质量流量稳定后，计时器记录时间t2；数据处理系统F1记录第一气体流量计检测的SCR前NOX的质量流量、第二气体流量计检测的SCR后NOX的质量流量、第三气体流量计检测的SCR后NH3泄漏的瞬时值，以及计时器记录的时间t1和t2；同时，动力控制器C1关闭发动机；
(6)数据处理系统F1根据计算公式计算NOX转化效率和NH3泄漏量；基于计算结果，对催化剂性能进行评估。
在对催化剂进行评估时，只需将不同的催化剂在相同的测试条件下，采用本发明的SCR催化剂瞬态特性评估方法和测试装置进行评估，对比测得的NOX转化效率和NH3泄漏量，就可以比较不同催化剂之间的性能。
同样的，将不同批次的同种催化剂在相同的测试条件下，采用本发明的SCR催化剂瞬态特性评估方法和测试装置进行评估，对比测得的NOX转化效率和NH3泄漏量，就可以对同一催化剂生产一致性进行评价。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种SCR催化剂瞬态特性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：发动机启动热车；
步骤S2：调整发动机转速和扭矩，使发动机运行在低速低负荷工况；
步骤S3：控制尿素的喷射速率，按照固定的NH3/NOX比喷射尿素，实时检测SCR后NH3泄漏值，并开始计时；
步骤S4：当SCR后NH3泄漏值达到预定阈值，记录时间为t1；
步骤S5：快速调整发动机转速和扭矩，使发动机运行到高速大负荷工况，控制尿素的喷射速率，保持尿素喷射的NH3/NOX比不变；
步骤S6：当SCR后NOX排放稳定后，检测SCR前NOX的质量流量m′B、SCR后NOX的质量流量m′A和SCR后NH3泄漏的瞬时值n′A，停止试验，纪录时间为t2；
步骤S7：计算NOX转化效率：
NH3泄漏量：
步骤S8：根据SCR的NOX转化效率及NH3泄漏量对催化剂性能进行评估。
2.根据权利要求1所述的SCR催化剂瞬态特性评估方法，其特征在于，所述低速低负荷工况为温度T为450℃、空速SV为50000h-1，所述高速大负荷工况为温度T为250℃、空速SV为30000h-1。
3.根据权利要求1或2所述的SCR催化剂瞬态特性评估方法，其特征在于，所述NH3/NOX比为0.7或0.8。
4.根据权利要求1或2所述的SCR催化剂瞬态特性评估方法，其特征在于，所述预定阈值为10ppm。
5.根据权利要求1或2所述的SCR催化剂瞬态特性评估方法，其特征在于，若NOX转化效率高且NH3泄漏量小，则判定催化剂的性能好；若NOX转化效率低且NH3泄漏量大，则判定催化剂的性能差；若NOX转化效率低且NH3泄漏量小，则判定催化剂的氧化性太强，需要更大的尿素喷射量。
6.一种SCR催化剂瞬态特性评估的测试装置，其特征在于，包括动力系统、SCR处理系统、工况控制系统和数据处理系统，
所述动力系统包括发动机和动力控制器C1，所述动力控制器C1用于启动发动机，并根据指令调整发动机的转速和扭矩；
所述SCR处理系统包括SCR箱、入口气体采样管路和出口气体采样管路，所述入口气体采样管路置于所述SCR箱的前端，所述出口气体采样管路置于所述SCR箱的后端；所述入口采样管路用于检测SCR前NOX的质量流量，所述出口气体采样管路用于检测SCR后NOX的质量流量和SCR后NH3泄漏的瞬时值；
所述工况控制系统包括工况控制器M3、尿素箱、尿素箱控制器M2、尿素喷嘴M1、工况监测系统和计时器；
所述工况控制器M3向尿素箱控制器M2发送控制信号，通过尿素箱控制器M2控制尿素喷嘴M1向SCR处理系统喷射尿素的速率，以便控制NH3/NOX比；
所述计时器用于记录发动机在低速低负荷工况运行时间t1和在高速大负荷工况运行时间t2；
所述数据处理系统F1用于接收所述SCR处理系统中的监测数据，即SCR前NOX的质量流量m′B、SCR后NOX的质量流量m′A和SCR后NH3泄漏的瞬时值n′A，以及所述计时器记录的发动机在低速低负荷工况运行时间t1和在高速大负荷工况运行时间t2，并计算NOX转化效率和NH3泄漏量：
NOX转化效率：
NH3泄漏量：
7.根据权利要求6所述的SCR催化剂瞬态特性评估的测试装置，其特征在于，所述入口采样管路中设有第一气体流量计，用于检测SCR前NOX的质量流量；所述出口气体采样管路设有用于检测SCR后NOX的质量流量的第二气体流量计和用于检测SCR后NH3泄漏的瞬时值的第三气体流量计。
8.根据权利要求6或7所述的SCR催化剂瞬态特性评估的测试装置，其特征在于，所述工况监测系统包括液体流量传感器、温度传感器N1和气体流量传感器N2，所述液体流量传感器设置于尿素喷嘴M1上，所述温度传感器N1设置于所述入口气体采样管路，所述气体流量传感器N2设置于所述出口气体采样管路。
9.根据权利要求8所述的SCR催化剂瞬态特性评估的测试装置，其特征在于，所述低速低负荷工况为温度T为450℃、空速SV为50000h-1，所述高速大负荷工况为温度T为250℃、空速SV为30000h-1。
10.根据权利要求9所述的SCR催化剂瞬态特性评估的测试装置，其特征在于，所述NH3/NOX比为0.7或0.8。
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