生质燃料之先进后处理器SCR应用技术.docx

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生质燃料之先进后处理器SCR应用技术

生質燃料之先進後處理器（SCR）應用技術

選擇性觸媒（SCR）系統簡介

溫室效應的議題在全世界發酵，各國都致力於研究發展更有效率的使用地方資源與復甦生態環境。

而生質燃料應用於車輛運輸系統更是各國積極發展的焦點，生質燃料大多數是以動、植物油進行轉酯反應（transesterification）等過程所得，且可直接使用於柴油引擎等運輸及發電設備。

柴油引擎一般具有較高的壓縮比，以及富氧的燃燒條件，並且能夠提供較低的燃油消耗及CO2排放，為目前與未來的趨勢車種。

然而柴油引擎車輛除了可見的粒狀污染物（PM）外，因為燃燒所產生較汽油引擎高的溫度，而使得NOX的排放量也相對較高，尤其添加生質柴油後，因其含有較高之溶氧量及不同的燃燒特性，使得NOX排放量隨著生質柴油添加比例而增加（如圖一所示）。

為了降低生質柴油使用的負面影響，急需找尋出一個有效降低NOX排放量的方法。

其必須符合無需進行重大的引擎調整，並且不會因為要進行NOX排放減量，因而降低引擎性能。

圖一不同生質柴油比例對應之污染感善率

（source:

101非糧料源生質柴油車輛適用性影響研究與推廣計劃期末報告）

而SCR（SelectiveCatalyticReduction）系統正是面對未來嚴格廢氣排放法規有效的解決辦法。

選擇性觸媒是現今之柴油引擎減少NOX排放中相當有效的一項技術，且目前國外有許多大型車廠已採用SCR系統來進行NOX排放的減量，以符合嚴苛的廢氣排放標準。

SCR系統是利用氨（NH3）或是尿素水（urea）與氮氧化物進行化學反應，體變成氮氣（N2）和水氣（H2O）。

SCR系統還原反應過程

SCR系統其全名為SelectiveCatalyticReduction，乃利用NH3或是尿素水（urea）與氮氧化物進行化學反應，使有毒的氮氧化物氣體（NOX）變成無毒的氮氣（N2）和水氣（H2O）。

而純氨氣是具有毒性的氣體，而且儲存不易。

因此，一般乃利用尿素水來作為車輛SCR系統的反應物，其具有較高的穩定性，且無毒性及容易儲存與運送。

尿素水溶液透過噴嘴霧化注入排氣管，當排氣溫度高於約160℃以上時，尿素水將在高熱下進行分解：

CO（NH2）2=NH2+CO

（1）

CO（NH2）2+H2O=2NH3+CO2

（2）

在熱分解的過程中，NH2也可以與NO進行反應：

NH2+NO=N2+H2O（3）

熱分解反應所產出的NH3與NOX的主要反應過程：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O（4）

6NO2+8NH3=7N2+12H2O（5）

.

然而，如果在系統中的反應過程不夠精確，反而會產生其他不在預期內的反應，因而造成二次污染。

因此，SCR系統是必須要有精準的控制噴霧時機與噴射量，藉此來提高氮氧化物NOX減量的反應效率，亦可防止過多的氨氣洩漏到大氣之中，以防止二次污染的產生。

尿素水（Urea-water）

由於氨氣的毒性使運送處理困難，因此，目前運用在車輛用SCR系統的氨主要來自無毒性而且容易運送儲存的尿素（urea）。

在一般情況下，尿素urea（CAS#57-13-6）是以固體型態的呈現的物質，有以下的性質：

✓化學式：

H2N‧CO‧NH2

✓莫爾重：

60.06㎏/kmole

✓型態：

無色結晶物

✓密度@20℃：

1335㎏/m3

✓熔點：

132.7℃

✓可溶性@17℃：

100g/100gH2O

雖然可溶性於室溫下可以達50%，而一般使用在SCR系統之尿素水溶液大部份為32.5%。

因為在這一個濃度下，尿素水溶液具有最低的凝結溫度約-11℃。

如下圖一可以看出其凝結點與重量百分比的趨勢。

圖二尿素水濃度與凝結溫度（source:

BASFtestreport）

32.5%的尿素水溶液是無色的溶液，其pH值約9.0-9.5之間。

一般來說在室溫下，會很慢的分解成為氨氣與二氧化碳。

SCR-urea的工業標準如表一所示，目前主要的有德國2003年8月提出的工業標準DINV70070命名為「NOxReductionAdditiveAUS32」（AqueousUreaSolution32.5﹪），在歐盟則稱為AdBlue，西門子Siemens也有公路用柴油引擎的尿素水標準。

表一尿素水相關標準（source:

AdBlue&Siemensstandard）

性質

單位

Siemens（1999）

DINV70070

名稱

Aqueousureasolution

NOxreductionadditiveAUS32

尿數含量

%wt.

32.5±0.5

31.8-33.3

密度20°C

g/cm3

1.085a

1.0870-1.0920

pH

9-11

-

外觀

無色的

無色液體*

凝結點

°C

-11

-11*

折射率@20°C

-

1.3817-1.3840

鹼性NH3（max.）

%

0.4

0.2

碳酸鹽CO2（max.）

%

0.4

0.2

鉍（max.）

%

0.4

0.3

甲醛（max.）

mg/kg

-

10

不溶的（max.）

mg/kg

-

20

磷酸鹽,PO4（max.）

mg/kg

-

0.5

鈣（max.）

mg/kg

1b

0.5

鐵（max.）

mg/kg

-

0.5

銅（max.）

mg/kg

-

0.2

鋅（max.）

mg/kg

-

0.2

鉻（max.）

mg/kg

-

0.2

鎳（max.）

mg/kg

-

0.2

鎂（max.）

mg/kg

-

0.5

鈉（max.）

mg/kg

-

0.5

鉀（max.）

mg/kg

-

0.5

動黏性@25°C

mPa·s

-

~1.4*

熱導率@25°C

W/mK

-

~0.570*

比熱@25°C

kJ/kgK

-

~3.40*

表面張力（min.）

mN/m

-

65*

*非標準規範

a-at15°C

b-mg/dm3

以現行所安裝SCR之車輛於高速公路運行，一般來說柴油與尿素水消耗量約為5.2mpg（45.2L/100km）以及94mpg（2.5L/100km），尿素水柴油消耗量比例約為5.5%。

研究中貨車採用15加侖（57L）尿素水容器，約可以讓貨車行駛1410mile（2260km）。

在另外的重型柴油引擎研究中也有消耗量約佔3%的報告。

假若重型柴油引擎搭載30加侖（114L）的尿素水，每一次則可以讓SCR系統運行約3000-5000mile（4800-8000km）。

而在2.5L的輕型柴油引擎車輛每100公里約消耗0.25L的尿素水，在這個條件下40公升的尿素水容器可以讓車輛行駛約15000km左右。

SCR系統配置

一般來說，車輛SCR的系統配置方式除了在SCR觸媒前端佈置氧化觸媒外，亦在下游端佈置濾煙器來處理排氣中的粒狀污染物。

圖三為Daimler公司開發並搭載於M-BENZ的BlueTECSCR系統配置，這套系統也應用在Volkswagen與Audi的柴油車款上。

Bluetec最大革新在於藉由多組觸媒轉換器與碳微粒濾清器，以達到優異的環保排放效能。

圖三BlueTECSCR系統配置（source:

BlueTECwebsite）

而Bosch的SCR系統Denoxtronic2.2除了不需要壓縮空氣來進行輔助霧化外，並利用兩只NOXsensor來達成閉迴路的控制方式，與前一代設計最大差異在於，可以利用電能或引擎冷卻水產生的熱來加熱尿素水，使在噴嘴後端之尿素水初始溫度提高，讓尿素水熱解的反應更加快速，這項技術改進了舊式系統中因為排氣流速過快，而使得部分NOX來不及完全反應，因而造成NOX減量效率不佳的現象。

並且在長時間運行時，利用引擎冷卻水降低噴霧器溫度，亦可延長噴嘴的使用壽命。

圖四為Denoxtronic2.2系統配置圖。

圖四BoschDenoxtronic2.2SCR系統配置

（Source:

BOSCHtechnicalnote）

而在SCR系統裡有幾個重要組件攸關NOX的轉化效率，包含尿素水霧化噴嘴、定量控制系統與觸媒等。

Ø霧化器（Injector）

一般分為單流體及雙流體兩種型式（如圖五、六），皆有其優缺。

單流體噴嘴主要優點為構造簡單，操作方便，相對的可降低成本。

而單流體噴嘴之最大缺點為需要較高之噴射壓力來產生較佳之霧化性能，且噴嘴處於高溫環境下，除了於霧化過程中之尿素水帶走熱量，進行噴嘴冷卻外，並無其他冷卻機構。

噴嘴壽命縮短及尿素結晶的問題將會受到挑戰。

而雙流體噴嘴將能改善單流體所遭受之問題，利用車輛既有的壓縮空氣來輔助霧化，一方面可改善霧化特性及降低霧化所需之噴射壓力，並可利用壓縮空氣來冷卻噴嘴，在無尿素水導入的狀況下，使噴嘴不會受到排氣管高溫的影響，而縮短其壽命。

但相對的，其構造比較複雜，操作方式和導入時機也較繁瑣。

更麻煩的是輔助霧化的氣體與被霧化的液體之間的體積比例與相對的壓力比，這將會影響其噴嘴的霧化特性與相對流量。

圖五BOSCH單流體系統（Source:

BOSCHtechnicalnote）

圖六BOSCH雙流體系統（Source:

BOSCHtechnicalnote）

Ø觸媒（Catalyst）

在SCR系統觸媒中最先被發現的是鉑金（Pt）觸媒，不過這種技術主要在低溫下使用，因為鉑金在高溫下對於NOX的選擇性（selectivity）較差。

以金屬為底的SCR觸媒有較高的溫度反應範圍。

而V2O5為底的觸媒可以使用在260℃到450℃之間。

比起鉑金有較廣的反應範圍，NOX轉換效率從225℃開使上升到400℃最高，之後便開始下降。

而V2O5/TiO2為催化劑的觸媒，一般來講大約是在500℃到550℃下進行轉換反應，但觸媒也必須有穩定劑來增加高溫耐久的能力，目前不管在固定或是車輛處理系統上，使用最廣泛的是三氧化鎢WO3。

V2O5/TiO2最高可以到700℃，在經過750℃的高溫耐久後，觸媒會失去活性。

SiO2/Al2O3催化劑的觸媒稱之為沸石觸媒（ZeoliteCatalyst），一般已經用於固定柴油引擎上，其工作溫度可以高達600℃。

當廢氣中存在NOX時，觸媒就不會氧化氨氣變成NOX。

而沸石觸媒在高溫約600℃以上且富含水氣的狀況下，會分解成為Al+3離子，最後會整各結構被破壞。

圖七觸媒種類對溫度與轉換效率關係

（source:

不同型式的低溫型沸石觸媒已經被發展出來應用於車輛引擎上，Cu/ZSM5觸媒其反應NOX的溫度範圍約200℃至400℃，但其較不是合在高溫下操作。

就一般文獻來說，建議SCR觸媒的空間流速範圍約20000hr-1至30000hr-1之間，而空間流速愈低，代表廢氣在觸媒停留的時間愈長，相對飯應時間則亦愈長，因此轉換效率會愈高。

Ø定量控制系統（Dosingsystem）

為了準確的調配各轉速與負載下所需之尿素水量，與控制噴注時機，一般常利用電磁閥來控制。

經由定壓泵浦產生固定壓力的尿素水，透過控制運算軟體來計算及控制噴嘴開啟時間，因而控制尿素水的流量。

此控制系統還可分為openloop及closeloop，前者是依照引擎當下轉速與負載進行計算所需之尿素水量，再藉由控制噴嘴開啟時間來調整流量，但無法