CN101363351A - 柴油车nh3－scr系统中的氨还原剂储存装置 - Google Patents

Abstract

柴油车NH₃－SCR系统中的氨还原剂储存装置，属于柴油机尾气排放污染物控制技术领域。本装置由内、外筒构成，不锈钢传质管置于内筒轴心处，不锈钢传质管与内筒体之间的环形空间作为吸附床放置CaCl₂吸附工质，NH₃吸附于CaCl₂上。内筒与内筒盖密封连接后，置放于外筒中。外筒与内筒之间的环形空间作为柴油机排气加热内筒的场所，排气由外筒底部进气口进入筒内，加热内筒，然后从外筒上部出气口排出，NH₃解吸后通过不锈钢传质管从导气管排出。本发明可直接为SCR系统提供NH₃还原剂，避免了尿素水还原剂利用效率低下的问题，储存装置结构简单、安全可靠；采用柴油车排气为加热源，可节约能源；内、外筒拆卸方便，可实现对吸附剂使用情况的监测和更换。

Description

柴油车NH3-SCR系统中的氨还原剂储存装置

技术领域

本发明涉及一种氨气储存装置，特别是一种柴油车NH₃-SCR(氨气-选择性催化还原)系统中的氨还原剂储存装置，属于柴油机尾气排放污染物控制技术领域。

背景技术

柴油机由于空燃比高，过量氧使燃油燃烧充分，降低了CO、HC、CO₂的排放，但同时导致了高的NO_x和微粒PM的排放。因此控制柴油机对环境污染的首要任务就是PM和NO_x的排放量。由于柴油机排气微粒PM与NO_x的生成机理不同，因此减少微粒的同时又增加了NO_x的排放，即所谓的Trade-off效应。目前，世界各国都在致力于减少柴油机微粒排放的技术研究，并且已经取得了实质性的进展。相对而言，对NO_x的控制是非常困难的。

选择性催化还原法(SCR)具有耗氧量小，还原剂消耗量小，反应温度低，催化剂稳定性好，热负荷低的优点，较适合柴油机排放物NO_x净化。选择性催化还原法(SCR)根据还原剂的不同，在相应的催化剂作用下，获得不同的NO_x转化效率。常见的还原剂有氨气(NH₃)或尿素(Urea)、碳氢化合物(HC)、氢气(H₂)。从燃油使用条件、NO_x转化效率、对NO_x的较强的选择性、催化剂的活性、催化温度范围和耐久性、可靠性、燃油代偿性、温室气体排放方面来考虑，NH₃-SCR是柴油机排气NO_x催化净化最合理的选择。

显然，若能直接采用NH₃作为还原剂无疑是最佳方案，但车用SCR系统中NH₃如何储存却是一个难题。为方便运输，需要先将氨气液化，储存在气瓶中，但在常温下，氨气的液化压力约为8atm，液氨的储存压力又高于这个压力，将液氨罐放置在车上十分危险，实际上是不可行的。

为得到还原剂NH₃，现在国际上普遍采用32.5％的尿素水溶液作为柴油车SCR系统的还原剂，即Urea-SCR。目前在欧美国家，包括SCR反应、尿素供给及控制技术在内的主体技术已经取得了突破，并已经开始实验性应用。但是尿素溶液需要经过蒸干、热解、水解等一系列复杂过程转换成氨气之后，才能与NO_x反应。受时间、空间限制，尿素溶液中的尿素并不能全部转化成氨气，尿素溶液喷入SCR反应系统后，到达催化剂表面的成分有氨气、异氰酸、尿素、甚至尿素溶液，这不仅降低NO_x还原效率，还导致还原剂整体利用率低。而且，若尿素在催化剂表面分解，可能在催化剂表面形成积炭或生成三聚氰胺联合体((HNC＝NH)_x(HNCO)_y)，造成催化剂失活，影响SCR系统的性能。而且，由于尿素水转化成氨气的过程较复杂，要实现这一系列反应，需要一定的时间和空间，这也相应地要求配备Urea-SCR系统的车辆具有足够的空间，所以目前配备有Urea-SCR系统的车辆主要以重型车为主。但是，轻型车柴油化已经成为一种世界性趋势，随着世界各国排放法规越来越严格，SCR技术凭借其在如前文所述的各方面优势，已成为柴油车后处理的研究热点，因此SCR技术应用在轻型车上已是大势所趋，但因为其体积较大，系统复杂，目前在轻型车上的应用较少。另外，32.5％的尿素溶液有最低的冰点(-11℃)，在温度低于-11℃的环境下，需要增加额外的措施防止溶液凝固。

上述这一系列问题都使得NH₃-SCR技术的推广受到了一定的限制。

发明内容

为了克服现有柴油机SCR系统中氨储存系统的不足，本发明提出一种高效安全的氨储存装置，即采用氨合氯化钙储存技术的储存装置。氯化钙有很强的吸附氨的能力，1个CaCl₂分子可吸附8个NH₃分子，形成氨合氯化钙(Ca(NH₃)₈Cl₂)。Ca(NH₃)₈Cl₂的理论氨存储密度为42kmol(千摩尔)NH₃/m³，高于液氨存储密度(40kmol NH₃/m³)。在温度为30℃的条件下，Ca(NH₃)₈Cl₂中氨的存储压力约为0.1MPa，远低于液氨的存储压力。另外，1个大气压下30℃的平衡温度意味着采用柴油机排气加热即可从Ca(NH₃)₈Cl₂中释放出氨气。

本发明的目的在于改善以往柴油机NH₃-SCR系统中氨气供应效率低下的问题，利用CaCl₂对NH₃很强的吸附能力，及其在常压下较低的解吸温度，将CaCl₂作为NH₃的吸附工质，简化氨气供应系统的结构，扩大SCR技术的适用范围。

本发明是通过下述技术方案实现的：本发明包括：外筒、法兰盖、内筒盖、内筒体、不锈钢传质管、不锈钢丝网、导气管，其中外筒包括外筒体、法兰、外筒底座，在外筒体的下部开有进气口，外筒体上部开有出气口；外筒底座呈凹槽型，并与外筒体下端制成一体，凹槽尺寸与内筒体外径匹配；法兰与外筒体的上端制成一体，在法兰的上端面开有O型圈槽，在法兰盖下端面与O型圈槽对应位置加工O型圈压环，O型密封圈置于O型圈槽内；不锈钢传质管置于内筒体轴心处，其一端与内筒体的底部固接，另一端与内筒盖内表面相接，在不锈钢传质管管体中部均匀开有六道通气槽，不锈钢丝网包裹在不锈钢传质管外；导气管焊接在内筒盖中心的导气孔处，并与不锈钢传质管相通，内筒盖下端面与内筒体上端面之间放置聚四氟乙烯垫片，确保气密性，二者通过螺纹连接后放置于外筒底座的凹槽内；导气管通过法兰盖上的中心孔伸出法兰盖外，法兰与法兰盖通过螺栓连接。

内筒体与不锈钢传质管之间的环形空间作为吸附床，放置氨的吸附工质CaCl₂颗粒，NH₃经过内筒盖上的导气管，不锈钢传质管上的通气槽和包裹在不锈钢传质管外的不锈钢丝网进出吸附床，实现吸附/解吸。不锈钢丝网可避免CaCl₂颗粒进入不锈钢传质管内，堵塞氨气的传质通道。内筒体和外筒体之间的环形空间为排气加热内筒的场所，外筒外部用隔热棉包裹，防止热量散失。

氨气的储存是在常温下将NH₃通过导气管通入不锈钢传质管，经过不锈钢传质管上的通气槽和不锈钢丝网扩散到吸附床中，吸附于CaCl₂颗粒上，形成氨合氯化钙(Ca(NH₃)₈Cl₂)。因为CaCl₂在吸附NH₃后会有一定程度的膨胀，故在装填CaCl₂时必须在内筒体内留出膨胀空间，不能填满，避免CaCl₂膨胀结块，影响吸附性能；应用时，柴油机排气通过进气口进入外筒，在筒中扩散、上升、加热内筒后，从外筒体上部的出气口排出。当温度达到NH₃的解吸温度时，NH₃开始从CaCl₂中脱附出来，经由通气槽进入不锈钢传质管，最后从导气管流出，经过流量调节装置控制流量后，进入SCR反应器，与NO_x反应。

本发明的有益效果：

1、直接利用NH₃充当SCR系统的还原剂，可提高SCR反应器中NO_x的还原反应效率，避免了由于采用尿素而导致的效率低下和环境污染等问题；

2、结构简单紧凑，可简化SCR系统，且安装时不需要对车辆进行大的改装，易于与不同车辆匹配；

3、安全性高，Ca(NH₃)₈Cl₂中氨的存储压力较低，约为一个大气压左右，可安全地装配在车用SCR系统中；

4、没有最低冰点，在很宽的温度窗口范围内适用，克服了采用尿素水溶液使用温度范围必须高于-11℃的限制；

5、采用柴油机排气作为加热热源，实现了能源的再利用，可降低能耗。

附图说明

图1是本发明氨储存装置的结构示意图。

图2是本发明的不锈钢传质管和不锈钢丝网结构示意图。

图中1为外筒体，2为出气口，3为法兰，4为法兰盖，5为导气管，6为内筒盖，7为O型圈压环，8为O型圈槽，9为内筒体，10为进气口，11为外筒底座，12为不锈钢传质管，13为不锈钢丝网，14为通气槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1、图2所示，本发明包括：外筒、法兰盖4、内筒盖6、内筒体9、不锈钢传质管12、不锈钢丝网13、导气管5，其中外筒包括圆柱形外筒体1、法兰3、外筒底座11，在外筒体1的下部开有进气口10，外筒体上部开有出气口2；外筒底座11呈凹槽型，并与外筒体1下端制成一体，凹槽尺寸与内筒体9外径匹配；法兰3与外筒体1的上端制成一体，在法兰3的上端面开有O型圈槽8，在法兰盖4下端面与O型圈槽8对应位置加工O型圈压环7，O型密封圈置于O型圈槽8内；不锈钢传质管12置于内筒体9轴心处，其一端与内筒体9的底部固接，另一端与内筒盖6内表面相接，在不锈钢传质管12管体中部沿轴向均匀开有六道通气槽14，不锈钢丝网13包裹在不锈钢传质管12外；导气管5焊接在内筒盖6中心的导气孔处，并与不锈钢传质管12相通，内筒盖6下端面与内筒体9上端面之间放置聚四氟乙烯垫片，确保气密性，二者通过螺纹连接后放置于外筒底座11的凹槽内；导气管5通过法兰盖4上的中心孔伸出法兰盖4外，法兰3与法兰盖4通过螺栓连接。

外筒体1为一中空圆柱形碳钢筒，外表面喷塑处理，其外径为Φ62cm，厚度为2cm，高度为48cm；凹槽型外筒底座11厚度为4cm，槽的直径为Φ22cm，深度为2cm；法兰3外径为Φ39cm，厚度为2cm；法兰盖4尺寸与其配合。

内筒体9为一不锈钢中空筒体，外径为Φ22cm，高度为44cm。考虑到在NH₃吸附过程中，筒内压力较高，为确保安全，内筒的厚度取4cm。不锈钢传质管12的尺寸为Φ2cm，厚度为3mm，不锈钢丝网13的规格为40目。通气槽14的长度为40cm。筒盖6外径Φ28cm，厚度3cm，导气管5外径为Φ10mm，厚度为3mm。

上述尺寸依据玉柴集团欧IV6105型发动机(功率180马力，扭矩650N.m)最大转速时的运行工况设计。

内筒体9与不锈钢传质管12之间的环形空间作为吸附床，放置氨的吸附工质CaCl₂颗粒，NH₃经过导气管5，不锈钢传质管12上的通气槽14和包裹在不锈钢管外的不锈钢丝网13进出吸附床，实现吸附/解吸，不锈钢丝网13避免CaCl₂颗粒进入不锈钢传质管内，堵塞氨气的传质通道。氨气的储存是在常温下将NH₃通过导气管5进入不锈钢传质管12，经过不锈钢管12上的通气槽14和不锈钢丝网13扩散到吸附床中，吸附于CaCl₂颗粒上，形成氨合氯化钙(Ca(NH₃)₈Cl₂)。因为CaCl₂在吸附NH₃后会有一定程度的膨胀，故在装填CaCl₂时必须在内筒体9内留出膨胀空间，不能填满，避免CaCl₂膨胀结块，影响吸附性能。应用时，柴油机排气通过进气口10进入外筒，在筒中扩散、上升、加热内筒后，从外筒体1上部的出气口2排出。当温度达到NH₃的解吸温度时，NH₃开始从CaCl₂中脱附出来，经由通气槽14进入不锈钢传质管12，最后从导气管5流出。

Claims (5)

1.一种柴油车NH₃-SCR系统中的氨还原剂储存装置，包括外筒、法兰盖(4)、内筒盖(6)、内筒体(9)、不锈钢传质管(12)、不锈钢丝网(13)、导气管(5)，其中外筒包括圆柱形外筒体(1)、法兰(3)、外筒底座(11)，其特征在于外筒体(1)的下部开有进气口(10)，外筒体(1)上部开有出气口(2)；外筒底座(11)呈凹槽型，并与外筒体(1)下端制成一体，凹槽尺寸与内筒体(9)外径匹配；法兰(3)与外筒体(1)的上端制成一体，在法兰(3)的上端面开有O型圈槽(8)，在法兰盖(4)下端面与O型圈槽(8)对应位置加工O型圈压环(7)，O型密封圈置于O型圈槽(8)内；不锈钢传质管(12)置于内筒体(9)轴心处，其一端与内筒体(9)的底部固接，另一端与内筒盖(6)内表面相接，在不锈钢传质管(12)管体中部沿轴向均匀开有六道通气槽(14)，不锈钢丝网(13)包裹在不锈钢传质管(12)外；导气管(5)焊接在内筒盖(6)中心的导气孔处，并与不锈钢传质管(12)相通；内筒盖(6)与内筒体(9)通过螺纹连接后放置于外筒底座(11)的凹槽内；导气管(5)通过法兰盖(4)上的中心孔伸出法兰盖(4)外，法兰(3)与法兰盖(4)通过螺栓连接；CaCl₂颗粒置于内筒体(9)与不锈钢传质管(12)之间的环形空间内。

2.根据权利要求1所述的柴油车NH₃-SCR系统中的氨还原剂储存装置，其特征是所述的外筒体(1)为一中空圆柱形碳钢筒，外表面喷塑，其外径为Φ62cm，厚度为2cm，高度为50cm；外筒底座(11)厚度为4cm，凹槽的直径为Φ44cm，深度为2cm；法兰(3)外径为Φ72cm，厚度为2cm；法兰盖(4)尺寸与法兰(3)配合。

3.根据权利要求1所述的柴油车NH₃-SCR系统中的氨还原剂储存装置，其特征是所述的内筒体(9)为一不锈钢中空筒体，其外径为Φ44cm，高度为44cm，厚度为4cm；内筒盖(6)下端面与内筒体(9)上端面之间放置聚四氟乙烯垫片。

4.根据权利要求1所述的柴油车NH₃-SCR系统中的氨还原剂储存装置，其特征是所述的不锈钢传质管(12)外径为Φ2cm，厚度为3mm；不锈钢丝网(13)的规格为40目，通气槽(14)的长度为40cm。

5.根据权利要求1所述的柴油车NH₃-SCR系统中的氨还原剂储存装置，其特征是所述的内筒盖(6)外径为Φ56cm，厚度为3cm；导气管(5)外径为Φ12mm，厚度为2mm。

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