船用发动机选择性催化还原系统可变阻容特性研究

The project team observes that the NOx concentration track at the outlet of SCR catalyst with an abrupt change of adblue dosage features a resistance-capacitance model, so that it's hard to obtain equimolar NOx expected to be reduced and ammonia available to participate in SCR reaction at same time, which inhibits NOx conversion efficiency. Generally, vessel loads change frequently during the entering and departing ports, which usually trigger rapid changing of adblue dosage. As a result, air quality of the port city aggravates due to more NOx emission and ammonia slip. In order to increase the conversion efficiency of NOx further and avoid secondary pollution forming, the team proposes using "multiple variable resistance-capacitance model with time delay" to describe the input-output state relation of SCR system, thus to opening up an avenue for the SCR control strategy. The project mainly studies the transfer function of time-delay characteristics and time constant of RC model. The project reveals the major factors of time-delay characteristics through simulations and experiments, and researches the thermodynamics and kinetics of SCR reaction for the establishment of Urea-SCR model which is used to find the major factors affecting RC characteristics and analyze the law of these factors. It also designs the experiment scheme to analyze the regularity of different factors affecting SCR system characteristics based on DOE, and determines the time constant expression of the multiple variable resistance-capacitance model with time-delay links based on statistics regression modeling.

申请者研究发现，SCR系统催化器出口NOx浓度随添蓝流量变化的规律具有阻容模型的特征，导致拟降低的NOx和可用的NH3不能实时地维持等摩尔的关系，NOx转化效率受到抑制。船舶进出港口时工况复杂，添蓝流量变化频繁，造成NOx排放偏高和NH3泄漏，加剧了港口城市大气质量的恶化。为进一步提高NOx转化效率并防止二次污染形成，申请者提出"带时滞环节的多元可变阻容模型"描述SCR系统输入与输出的关系，为SCR系统控制开辟新途径。主要研究描述SCR系统时滞特性的传递函数和阻容特性时间常数的表达形式。通过仿真与试验，揭示关键因素影响SCR系统时滞特性的一般规律，建立描述系统时滞特性的传递函数；研究SCR反应的热力学和动力学过程，建立Urea-SCR系统模型，确定影响系统阻容特性的关键因素；基于DOE方法研究关键因素对SCR系统阻容特性的影响规律；采用统计回归建模法确定多元可变阻容模型时间常数的表达方式。

国家统计局2011年初的数据显示：我国港口吞吐量已连续6年保持世界第一。香港最新的排放清单表明，船舶现已成为该城市NOX和PM10的最大排放源。可见，船机排放促使港口城市成为大气污染的重灾区。从2001年开始，国内部分船厂进口SCR系统控制NOX排放。在研究中发现，发动机工况充分稳定时（即NOX的生成速率保持不变），SCR催化器出口处NOX的浓度（输出）随添蓝流量（输入）的变化呈现出一定的规律NOX缓慢下降的过程导致其比排放（g/kwh）偏高，停喷时缓慢恢复原机排放的过程也表明在实际使用中将会出现NH3泄漏，伴随催化器内部尚存在的 NH 3一起排入大气，与SO2和NOX发生氧化反应形成二次微粒，成为港口城市PM2.5的一个重要但易被忽视的来源。SCR系统催化器出口NOX浓度随添蓝流量的变化规律具有阻容模型的特征，这使得可参与NOX转化的NH3物质的量难以确定。船舶进出港口时工况复杂，添蓝流量变化频繁，更加难以保证需转化的NOX与可参与反应的NH3实时地维持等摩尔的关系，这会导致NOX排放偏高和NH3的泄漏。因此，为了解决这两个问题，从现象学的角度，提出采用带时滞环节的阻容模型描述SCR系统输入与输出的关系，对Urea-SCR系统阻容特性的影响因素、描述及应用方法展开研究，最终得到了一种基于模型的控制策略。了解影响NOX转化效率的关键因素，是描述SCR系统阻容特性的前提。因此，基于系统级的SCR催化剂模型，从催化剂微孔结构的角度出发，分析得到了不同温度下限制NOX转化效率的关键因素。而后，给出了“带时滞环节的多元可变阻容模型”时间常数和比例常数的求解方法，并使用三款不同的催化剂进行ESC/ETC循环，以用于验证模型的精确度。试验结果表明，“带时滞环节的多元可变阻容模型”可对SCR系统阻容特性进行准确描述。SCR系统的阻容特性导致拟降低的NOX和可用的NH3不能实时地维持等摩尔的关系，NOX转化效率受到抑制。通过对SCR系统的阻容特性进行描述，可以实时指导添蓝喷射量，在降低NOX的同时减少二次污染的产生。