二甲醚选择性催化还原NOX的研究现状及台架试验 燃烧环境技术中心学生交流会 二甲醚选择性催化还原NOX的研究现状及台架试验 闫应 2009.12.23 动力机械教育部重点实验室 上海交通大学

主要内容 课题提出背景及意义 二甲醚SCR的优点 催化剂的选择及温度的影响 今年的主要工作 目前进度及下一步安排

1. 课题提出背景 及意义

课题背景 城市NOx污染严重 随着汽车保有量的不断增加，其排出的废气已成为环境的主要污染源之一。这些污染中，NOx的污染问题日益突出。例如上海市区的NOx排放总量中，机动车排出的占74%。为了符合日益严格的排放法规，世界各大汽车公司努力开发各种NOx机内外净化技术，其中选择性催化还原(SCR) 技术较为成熟。

课题背景 现今SCR还原NOx所使用的还原剂 SCR是指利用尾气中的有机物为还原剂或添加还原剂，在氧浓度高出NOx浓度两个数量级以上的条件下，高选择性地优先把NOx还原为N2和H2O。目前在研究或者应用的还原剂包括: ① 以尿素或氨作还原剂的选择性 催化还原（urea or NH3-SCR) ② 以烃类作还原剂的选择性催化 还原（HC-SCR） ③ 以低含氧醇类、醚类作还原剂 的选择性催化还原 （CxHyOz-SCR）

课题的提出 DME作为还原剂的可行性分析 　　 二甲醚（CH3OCH3）作为最简单的醚类，它是乙醇（CH3CH2OH）的同分异构体，而有研究指出，短链的醇类及醚类（特别是乙醇）作为还原剂，在过量氧气条件下，能表现出较高的NOx降低率。所以二甲醚具有催化还原NOx的潜力。

DME-SCR DME作为还原剂的优点 燃料即是还原剂 设备简单 成本较低 易推广 二甲醚作为一种优良的车用替代能源，取得了高燃烧效率、低有害排放的显著效果。其尾气中HC、CO含量很低，已满足欧Ⅳ标准，但NOx还未达标，需进一步降低NOx 。 如果二甲醚在作为柴油机替代燃料的同时，还能作为还原剂催化还原排气中的NOx，那么这无疑是实现二甲醚发动机高效清洁燃烧的最佳路径，不仅能大大降低目前常用尿素作为还原剂带来的基础设施成本，还能降低车载设备的额外成本，具有较好的实用性。这就是本课题的根本出发点：用二甲醚作为还原剂来降低二甲醚发动机尾气中的NOx 燃料即是还原剂 设备简单 成本较低 易推广

3. 反应方程式及催化剂的选择

国内外CxHyOz-SCR研究现状 DME-SCR总反应方程式 DME-SCR指利用DME作为还原性物质，在过量氧气以及一定温度和催化剂作用下，将NOx还原为N2和H2O。 近年来，国内外许多文章提到碳氢氧化合物，特别是乙醇，在催化还原NOx方面表现出较高的效率。 日本学者 M.D. Amiridis等人指出：在过量氧气条件下，碳氢氧化合物选择性催化还原NOx的总反应步骤为： NO + O2 → NO2 （1） NO2 + CxHyOz → N2 + CO +CO2 + H2O （2） 二甲醚（CH3OCH3）作为乙醇（CH3CH2OH）的同分异构体，是一种短链碳氢氧化合物，在催化还原NOx时同样遵循以上两个反应方程式。

SCR催化剂 反应催化剂的研究 (a) 贵金属催化剂 贵金属催化剂指Pt，Pd(钯)和银等贵金属类的催化剂，通常以颗粒状Al2O3和整体陶瓷作为载体。这种催化剂最早被用于SCR反应。具有很高的活性和选择性，并且有较强的热稳定性，但其缺点在于生产成本高。 (b)金属氧化物催化剂 金属氧化物催化剂在SCR技术中的应用最为广泛，技术也较为成熟。主要包括V2O5，Fe2O3，CuO，等金属氧化物。 目前工程中应用的SCR催化剂有非负载型金属氧化物催化剂和以TiO2、AL2O3为载体的金属氧化物催化剂。 10

　　　　反应催化剂的研究 (c) 金属分子筛催化剂 含金属分子筛催化剂主要包括非贵金属分子筛和贵金属分子筛催化剂两大类。一般常被用作载体的是ZSM-5沸石。 ① 非贵金属分子筛。用于离子交换的非贵金属元素一般有Cu，Co，Fe和稀土金属。Cu/ZSM-5在有O2存在，温度低于500℃时活性较好。 ② 贵金属分子筛。用于离子交换的贵金属元素一般有Pt，Pd和Ag。这几种元素在高、低温时对碳氢氧化合物还原NO反应的影响各不相同。

4. 今年的主要工作

研究内容 课题研究内容 主要包括模拟台架实验和发动机实验两部分。 　　　　课题研究内容 研究内容 主要包括模拟台架实验和发动机实验两部分。 ① 设计二甲醚（DME）选择性催化还原NOx的模拟实验装置，并用该装置研究多项参数对二甲醚催化还原NOx的影响，为实现车用二甲醚SCR降低NOx提供理论依据。 ② 应用第一阶段所得实验数据和结论，试制二甲醚催化后处理装置并进行发动机台架实验，根据实际情况对催化剂及其布置方式进行改进完善，为二甲醚SCR降低NOx的可行性作出探索。

　　　　　模拟试验台架 模拟试验台架

试验结果 模拟试验台架 ① DME与NO之比为1：1 ② 可看出温度对无氧和过量氧气的不同影响 ③ 7%wt.MoO3/γ-Al2O3催化剂的有效性

目前进度 第二阶段：295发动机试验 ① 后处理降NOX（机外） ② EGR （机内） 　　　　目前进度 第二阶段：295发动机试验 试验内容：完成实验中心295发动机台架调试，设计并安装催化后处理装置，对不同工况，不同温度下催化剂的有效性进行重点测试。在此基础上引入EGR，同时对NOX进行机内，机外净化。 ① 后处理降NOX（机外） ② EGR （机内） 16

目前进度 实验中心295发动机 后处理装置 加热带 二甲醚喷孔 EGR

目前进度 DPF及外壳

总结 下一步工作 总结以及下一步工作 二甲醚选择性催化还原NOX所需设备简单；二甲醚 既是发动机燃料又是降低NOX的还原剂，布置成本较低 ，方便在二甲醚公交车上安装应用。 下一步工作 ① 继续EGR管路搭建，完成有关试验内容。 ② 对后处理催化剂改进：镍+铁+锆的催化剂低温活性会强 一些，可以弥补150℃—310℃区间的NOX还原性能。

致 谢！ 感谢各位老师和同学！