桑海浪，劉 星，魏 超，李山嶺，葉 宇

（1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司 工程研究院，廣西 南寧 530000；2.卓品智能科技無錫有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

由于SCR（選擇性催化還原）系統(tǒng)的反應(yīng)存在延遲，即從尿素泵供給尿素溶液至尿素噴嘴、尿素噴嘴將尿素溶液噴入排氣管內(nèi)，尿素溶液在高溫排氣作用下發(fā)生蒸發(fā)、水解、氨吸附、與NOx反應(yīng)等，需要一定時(shí)間。因此，從噴射尿素溶液開始到吸附態(tài)的NH3與NOx真正發(fā)生反應(yīng)存在時(shí)間延時(shí)。依據(jù)SCR 下游NOx傳感器實(shí)現(xiàn)的控制閉環(huán)，在原理上已經(jīng)存在缺陷。而基于氨存儲閉環(huán)的SCR 控制策略物理模型標(biāo)定方法是通過采用一維的SCR 化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型（物理模型）作為虛擬的氨存儲傳感器，準(zhǔn)確控制及計(jì)算SCR 催化劑表面的NH3的存儲量，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)控制[2]。

1 SCR 化學(xué)反應(yīng)原理及反應(yīng)速率

為了兼顧計(jì)算速度及計(jì)算精度，假設(shè)載體溫度和氣體組分均勻分布，催化劑在載體表面均勻分布，各處化學(xué)反應(yīng)速率相同，流入和流出作為載體的氣體組分濃度、溫度和速度分布均勻，氣體性質(zhì)滿足理想氣體狀態(tài)方程。采用SCR 的一維化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型（物理模型）作為虛擬的氨存儲傳感器，控制SCR 催化劑表面的NH3的存儲量。SCR 化學(xué)動(dòng)力學(xué)物理模型涉及的反應(yīng)及基于阿倫尼烏斯方程的反應(yīng)速率主要有：

（1）NH3吸附反應(yīng)

式中radsor為NH3吸附反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率，Kad為NH3吸附反應(yīng)的頻率因子，Kad為NH3吸附反應(yīng)的激活溫度，Tc為SCR 載體溫度，CNH3為NH3的濃度，θ為氨載率。

（2）NH3解吸附反應(yīng)

式中，rdesor為NH3解吸附反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率，Kde為NH3解吸附反應(yīng)的頻率因子，Kde為NH3解吸附反應(yīng)的激活溫度，Tc為SCR 載體溫度，θ為氨載率，ε為黏著概率。

氨吸附、解吸附反應(yīng)對SCR 轉(zhuǎn)化效率有著非常重要的影響，因?yàn)橹挥形綉B(tài)的NH3能與排氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，從而降低尾氣中的NOx含量，因此，本研究著重研究氨吸附和解吸附標(biāo)定過程和結(jié)果[1]。

2 小樣臺架試驗(yàn)及標(biāo)定過程

2.1 小樣臺架試驗(yàn)準(zhǔn)備

因測試設(shè)備要求如下，試驗(yàn)設(shè)備如圖1 所示。

圖1 小樣試驗(yàn)臺示意圖

根據(jù)圖1 的裝置，將催化器小樣置于保溫裝置中，前端各個(gè)組分的標(biāo)準(zhǔn)氣體作為輸入，通過催化器反應(yīng)后，氣體分析儀監(jiān)控出口氣體，實(shí)現(xiàn)測試過程。

對小樣測試臺架的具體要求如下：

（1）提供的氣體成分：N2、CO、CO2、H2O (蒸汽)、NH3、NO、NO2、O2。

（2）測量表1 中的參數(shù)，并保證測量數(shù)據(jù)的精度范圍。

表1 測量參數(shù)列表

（3）試驗(yàn)過程中可以將各組分獨(dú)立添加進(jìn)去。

（4）試驗(yàn)過程中可以直接控制各組分的濃度。

（5）填充氣體為N2，其濃度由進(jìn)氣速度和其他氣體組分濃度決定。

（6）裝入小樣試驗(yàn)臺的催化劑樣本應(yīng)有封裝。

（7）催化劑樣本的溫度可以通過加熱上游混合氣溫度來間接控制。

表2、表3 的變量是基于催化劑特性的參數(shù)，從供應(yīng)商處獲取。

表2 催化劑載體相關(guān)變量

表3 模型相關(guān)的物理常數(shù)

2.2 小樣試驗(yàn)臺測量步驟

小樣試驗(yàn)過程如下：

（1）在設(shè)定的空速、溫度條件下，將不同混合氣體通過催化劑樣本，觀測并分析下游氣體成分（觀測的目的是將各種反應(yīng)通過不同的氣體組分盡可能地分開，易于擬合）。

（2）試驗(yàn)過程中制定不同的上游溫度、空速和氣體組分來進(jìn)行多組觀測?；旌蠚饨M分可根據(jù)與催化劑反應(yīng)是否相關(guān)分為兩部分。相關(guān)部分氣體的濃度可定義為數(shù)組[NO，NO2，NH3，O2]，單位為ppm，其數(shù)值根據(jù)需要研究的反應(yīng)不同會有很大差別。N2用來補(bǔ)償其他氣體組分。

試驗(yàn)的基本流程如下：

（1）預(yù)處理：確保樣本內(nèi)沒有NH3存儲。保持濃度數(shù)組為[1000，1000，0，100000] ppm，一定的空速，上游溫度保持最大值（如500 ℃）直到下游NH3濃度為0 并繼續(xù)保持2 min。

（2）加熱上游混合氣溫度（包括不相關(guān)組分和O2）到溫度t1，通過補(bǔ)充N2來保持空速恒定。溫度到達(dá)t1后開始觀測。

（3）增加混合氣體中NO 和NO2濃度，減少N2濃度來維持空速不變，并等待5 min。

（4）向氣體中加入NH3，減少N2濃度來維持空速不變，直到下游氣體濃度穩(wěn)定為常數(shù)。

（5）停止加入NH3，補(bǔ)充N2來保持空速恒定，加熱混合氣體至最高溫度，等待2 min，停止觀測。

（6）改變溫度，重復(fù)（2）至（5）步。

第（4）（6）步驟只在需要NH3組分濃度大于0ppm時(shí)進(jìn)行。

該循環(huán)需要在不同的空速和濃度數(shù)組條件下進(jìn)行。選擇適當(dāng)?shù)目账?、溫度和可覆蓋盡可能多濃度數(shù)值（如溫度t= [175，200，225，250，300，350，400，500] ℃，空速= [20000，50000，80000] 1/h）。

NH3吸附、解吸附實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2 所示，NH3存儲量隨著載體溫度的升高而減少。

圖2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 小樣數(shù)據(jù)標(biāo)定步驟

SCR（選擇性催化還原）模型的吸附、解吸附反應(yīng)需分別進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定過程相同，推薦試驗(yàn)方案見表5 所示，并通過調(diào)整表中的參數(shù)（表4）使得在不同的試驗(yàn)條件下模型計(jì)算得到的SCR（選擇性催化還原）下游NH3濃度曲線盡量與小樣試驗(yàn)臺測試得到的SCR（選擇性催化還原）下游NH3濃度曲線重合。

表4 小樣實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的參數(shù)列表（初始標(biāo)定）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在吸附時(shí)認(rèn)為需求的能量較少，在標(biāo)定時(shí)可以將NH3吸附反應(yīng)的激活溫度設(shè)置為0，然后標(biāo)定NH3吸附反應(yīng)的頻率因子、NH3解吸附的頻率因子、NH3解吸附反應(yīng)的激活溫度，以及NH3的最大氨儲值，可以根據(jù)供應(yīng)商提供的最大氨儲值算出大致范圍，然后進(jìn)行精確標(biāo)定。

考慮到實(shí)驗(yàn)成本、時(shí)間等因素，實(shí)際開展的小樣實(shí)驗(yàn)方案按表5 的內(nèi)容進(jìn)行。

表5 氨吸附-解吸附反應(yīng)試驗(yàn)方案

標(biāo)定結(jié)果：

通過標(biāo)定NH3吸附反應(yīng)的激活溫度、NH3解吸附反應(yīng)的頻率因子、NH3解吸附反應(yīng)的激活溫度等，最終的標(biāo)定結(jié)果見表6 和圖3 至圖8。

表6 最終標(biāo)定結(jié)果

圖3至圖8 中每幅圖的最上面一條線表示載體溫度曲線，下面的三條曲線，分別為SCR（選擇性催化還原）樣品入口NH3的濃度，SCR（選擇性催化還原）出口NH3濃度實(shí)測值，SCR（選擇性催化還原）出口NH3濃度模型值。當(dāng)SCR（選擇性催化還原）樣品NH3濃度不為0 時(shí)，表示NH3處于吸附階段；當(dāng)SCR 樣品NH3濃度為0 且SCR（選擇性催化還原）載體溫度快速上升時(shí)，表示NH3處于解吸附階段。只有當(dāng)SCR（選擇性催化還原）的NH3吸附、解吸附曲線實(shí)測值與模型值都吻合較好時(shí)，才說明SCR 的NH3解吸附、吸附實(shí)驗(yàn)標(biāo)定完成。

如圖3，175 ℃-入口NH3800 ppm-空速40000（L/h）條件下，通過更改標(biāo)定參數(shù)，實(shí)測值與模型計(jì)算值趨勢一致。

圖3 175 ℃-入口NH3 800 ppm-空速40000（1/h）的NH3 吸附、解吸附反應(yīng)標(biāo)定結(jié)果

如圖4，200 ℃-入口NH3800 ppm-空速40000（1/h）條件下，通過更改標(biāo)定參數(shù)，實(shí)測值與模型計(jì)算值趨勢一致。

圖4 200 ℃-入口NH3 800 ppm-空速40000（1/h）的NH3 吸附、解吸附反應(yīng)標(biāo)定結(jié)果

如圖5，250 ℃-入口NH3800 ppm-空速40000（1/h）條件下，通過更改標(biāo)定參數(shù)，實(shí)測值與模型計(jì)算值趨勢一致。

圖5 250 ℃-入口NH3 800 ppm-空速40000（1/h）的NH3 吸附、解吸附反應(yīng)標(biāo)定結(jié)果

如圖6，300 ℃-入口NH3800 ppm-空速40000（1/h）條件下，通過更改標(biāo)定參數(shù)，實(shí)測值與模型計(jì)算值趨勢一致。

圖6 300 ℃-入口NH3 800 ppm-空速40000（1/h）的NH3 吸附、解吸附反應(yīng)標(biāo)定結(jié)果

如圖7，350 ℃-入口NH3800 ppm-空速40000（1/h）條件下，通過更改標(biāo)定參數(shù)，實(shí)測值與模型計(jì)算值趨勢一致。

圖7 350 ℃-入口NH3 800 ppm-空速40000（1/h）的NH3 吸附、解吸附反應(yīng)標(biāo)定結(jié)果

如圖8，400 ℃-入口NH3800 ppm-空速40000（1/h）條件下，通過更改標(biāo)定參數(shù)，實(shí)測值與模型計(jì)算值趨勢一致。

圖8 400℃-入口NH3 800ppm-空速40000（1/h）的NH3 吸附、解吸附反應(yīng)標(biāo)定結(jié)果

標(biāo)定結(jié)果要求在不同的工況下，模型計(jì)算的下游的NH3濃度與小樣試驗(yàn)臺測試的NH3濃度曲線都盡可能的吻合。從標(biāo)定結(jié)果可以看出，SCR（選擇性催化還原）在各個(gè)溫度下的NH3吸附、解吸附的趨勢及數(shù)值，模型值和實(shí)測值都吻合較好，標(biāo)定完成。

3 結(jié)論

基于氨存儲閉環(huán)的SCR 控制方法，通過采用一維的SCR 化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型（物理模型）作為虛擬的氨存儲傳感器為主要試驗(yàn)原理。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M了針對SCR 的系統(tǒng)標(biāo)定以及SCR 催化劑的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型能夠精確估計(jì)當(dāng)前氨儲值。針對SCR（選擇性催化還原）化學(xué)反應(yīng)公式中氨吸附解吸附進(jìn)行小樣臺架數(shù)據(jù)采集，通過預(yù)設(shè)參數(shù)值，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不調(diào)整參數(shù)，擬合出模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致的情況，SCR（選擇性催化還原）下游組分濃度曲線以及模型計(jì)算氨載率曲線與小樣試驗(yàn)臺測試結(jié)果計(jì)算得到的氨載率曲線都能較好的擬合，驗(yàn)證的各項(xiàng)指標(biāo)完全合格。

最終數(shù)據(jù)表明，以化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力模型作為算法基礎(chǔ)，通過標(biāo)定擬合數(shù)據(jù)，最終模型算法結(jié)合標(biāo)定數(shù)據(jù)的結(jié)果，能夠滿足各工況的實(shí)際測量，證明該算法在經(jīng)過標(biāo)定后工程化應(yīng)用達(dá)成目標(biāo)。