CN101522289B - 用于蒸发反应物的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于蒸发下列反应物中的至少一种的装置：a)还原剂前体溶液和b)还原剂前体，该装置包括至少一个可电加热的加热区(2)，且其特征为，加热区(2)具有至少一个可电操作的加热元件(3)，该加热元件具有在一有效温度(30)附近自调节的加热电阻(4)。用于蒸发反应物的根据本发明的方法和根据本发明的装置(1)使得能够以有利的方式容易地控制特别是尿素水溶液的蒸发过程，以特别是在SCR过程中提供还原剂。所使用的加热电阻(3)具有对应于加热电阻的控制温度的有效温度(30)。通过在此区域内的对应的陡的曲线图(22)，能不使用其它控制电子装置。

Description

用于蒸发反应物的装置和方法
技术领域
本发明的主题是一种用于蒸发反应物如特别是还原剂前体或还原剂前体溶液的装置和方法。本发明特别优选地能用于为内燃机排气中的氮氧化物的选择性催化还原(SCR)提供还原剂。本发明特别是能用于蒸发尿素水溶液。
背景技术
内燃机的排气包含在许多国家都不希望被直接排放入环境中的物质。例如内燃机的排气通常包括氮氧化物(NOx)，其在排气中所占的比例能够一方面通过机内措施例如选择合适的操作点、另一方面通过排气后处理来减小。为减小氮氧化物在内燃机排气中的比例，已知选择性催化还原(SCR)方法，在该方法中使用选择性地对氮氧化物起作用的还原剂例如氨。
氨通常以氨前体的形式被添加，该氨前体能分解出氨或反应生成氨。在此经常使用尿素水溶液，该尿素水溶液能容易地且低风险地被存储，并甚至在移动式应用中被携带。如果现在该溶液以液体形式被添加入排气中，则能损坏排气系统的部件例如催化器支承体，因为较冷的水使得所述部件点状冷却。为消除这种缺陷，还原剂或还原剂前体也以蒸汽的形式加入。如果存在其中排气中的氮氧化物的比例能快速变化并因此也必须高动态地添加还原剂的高动态系统，则这种蒸发对要使用的控制技术的要求非常高。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种方法和装置，通过该方法和装置能容易地控制蒸发。
所述目的通过具有独立权利要求的特征的装置和方法来实现。从属权利要求针对有利的改进方案。
用于蒸发下列反应物：a)还原剂前体溶液b)还原剂前体中的至少一种的根据本发明的装置包括至少一个可电加热的加热区。根据本发明，加热区具有至少一个具有加热电阻的可电操作的加热元件。加热电阻可在一有效温度(signifikante Temperatur)附近自调节。
替代地或附加地，加热电阻具有一随温度变化的电阻曲线图，该曲线图具有至少一个拐点。自调节的加热电阻应理解为一通过电阻的变化来保持某一温度、即所谓的有效温度或额定温度的加热电阻。该加热电阻特别是所谓的PTC(正温度系数)电阻，该PTC电阻具有一电阻随温度急剧增大的温度范围，特别是一梯度变化的范围。还原剂这里特别是理解为一用于氮氧化物的选择性催化还原的还原剂。在此特别优选地使用氨作为还原剂，从而使还原剂前体包括能反应生成氨或能分解出氨的任何物质。这种物质特别理解为至少一种氨前体的水溶液。这种物质例如可以是尿素水溶液，如以商标“AdBlue”出售的，或者也可以是尿素和/或甲酸铵的溶液，如以商标“Denoxium”出售的。
优选地，根据本发明的装置是用于选择性催化还原内燃机排气中的氮氧化物的装置的一部分，其中在用于蒸发的装置下游形成有SCR催化器。在此优选地在用于蒸发的装置和SCR催化器之间形成有用于将还原剂前体水解成还原剂的水解催化器。这里内燃机既可以理解为例如综合供热供电厂中的固定式内燃机，也可以理解为例如在机动车辆、飞机和船只中的移动式内燃机。本发明的装置优选地用在移动式应用中，即用在机动车辆、汽车、载重汽车、客车、摩托车、沙滩车、所有地面运动车辆、船只和飞机中。
拐点应理解为随温度变化的电阻曲线图中的一个点，在该点处曲线图改变其弯曲特性。在此位置处，曲线图对温度的二次导数为零。
有效温度的特征为，电阻的曲线图在此有效温度处具有电阻的显著改变。显著改变特别是理解为大于1欧姆/开尔文的变化。有效温度在本发明的意义中理解为一控制温度，自调节的导热体在该控制温度附近对温度进行调节。在此，有效温度优选地位于根据本发明的装置的工作温度的范围内，也就是大致在工作温度的±5℃的范围内。通过曲线图在有效温度处的特性，在此以特别有利的方式得到加热元件的自调节。优选地，曲线图在此区域内以及在拐点区域内具有正梯度。这特别有利地产生一种自调节加热电阻，因为正梯度具有在温度升高时电阻增加的作用。由于加热功率和电阻成反比，所以在温度升高时出现的电阻增加会导致加热功率的降低，并继而造成朝着额定温度冷却。
根据本发明装置的一种有利的实施形式，随温度变化的电阻的曲线图具有至少一个拐点，并且电阻的曲线图在拐点温度的区域内具有最大为40K(开尔文)的半最大值宽度(FWHM，半峰全宽)。
此半最大值宽度导致能实现非常快速的调节电路，因为电阻相对于温度的这种陡的变化导致了自调节的加热电阻的快速调节。在此，半最大值宽度优选为最大20K，特别优选为最大10K。
根据本发明装置的另一种有利的实施形式，电阻的曲线图具有一对应于加热区的工作温度的有效温度。
这样实现了，加热电阻的温度总是努力达到加热区的工作温度。有效温度与加热区的工作温度的对应具体理解为，有效温度这样选择，使得在考虑加热元件的结构设计的情况下、特别是在考虑可能的废热损失的情况下，该有效温度使得，当加热电阻或加热元件处于有效温度时，加热区处于工作温度。这例如也能用于拐点温度超过工作温度的相应的加热元件，其中使用特定的散热，使得加热元件的有效温度基本上与加热区的工作温度对应。
根据本发明装置的另一种有利的实施形式，加热区包括下列结构中的至少一个：
a)适用于蒸发反应物的蒸发器体积，和
b)适用于加热已蒸发的反应物的加热体积。
这样，通过加热，特别是也能实现还原剂前体的至少部分的高温分解或热解，也就是热分解。
根据本发明装置的另一种有利的实施形式，电阻的曲线图在有效温度的区域内相对于温度具有大于1欧姆/开尔文的梯度。
此梯度范围被证实是特别有利的。小于1Ohm/K的梯度使得加热电阻的调节行为过慢。
根据本发明装置的另一种有利的实施形式，至少一个加热电阻由下列材料中的至少一种形成：
a)PTC电阻(PTC，正温度系数)；
b)钛酸盐陶瓷；
c)掺杂质的钛酸盐陶瓷；以及
d)钛酸钡陶瓷。
PTC电阻至少在某个温度范围内当温度升高时电阻会增大。钛酸盐陶瓷和特别是掺杂质的钛酸盐陶瓷特别是在其多晶形式下能被用作PTC电阻。钛酸钡陶瓷特别理解为BaTiO3。
根据本发明装置的另一种有利的实施形式，曲线图的有效温度处于140℃至180℃的范围内。
在此，温度范围在140℃至150℃的范围内是非常特别优选的。在更高的温度下，相应的加热区形成堵塞，因为此时不希望的副反应增加地出现。特别是当使用尿素水溶液时，在140℃至150℃的温度范围内的工作温度和相应选择的拐点温度的范围被证实是特别有利的。这里，发生基本完全的蒸发，其中基本完全的蒸发理解为不小于95质量％的尿素水溶液的蒸发。
根据本发明装置的另一种有利的实施形式，曲线图的有效温度为至少300℃。
这特别有利地是一能用于加热已蒸发的还原剂前体溶液或还原剂前体的加热区。特别是，此温度导致至少部分的热解和高温分解，使得可能设置在下游的水解催化器可以做得较小或可以不设置该水解催化器。
根据本发明装置的另一种有利的实施形式，所述装置包括至少一个自调节的加热电阻。
自调节的加热电阻理解为一不用其它调节技术就能基本上保持一额定温度的电阻。自调节的加热电阻特别是理解为PTC半导体或PTC正温度系数热敏电阻。
根据本发明装置的另一方面，还提出一种用于蒸发下列反应物中的至少一种的方法：a)还原剂前体溶液和b)还原剂前体。在此，反应物通过包括至少一个在有效温度附近自调节的电阻的电操作的加热元件被加热到与有效温度对应的额定温度。
根据本发明的方法使得能够以有利的方式对用于还原剂前体和/或还原剂前体溶液的蒸发器的加热功率进行非常简单、快速和有效的调节。
根据本发明方法的优选实施形式，至少一个加热电阻是自调节的。
这样实施所述方法是特别优选的，其中，特别是当蒸发尿素水溶液时，使额定温度位于140℃至180℃的温度范围内，特别优选地位于140℃至150℃的温度范围内。
此额定温度被证实是特别有利的，因为这里还原剂前体溶液基本上完全蒸发，而不会通过加热区中的副反应形成沉积物。
根据本发明方法的另一种有利的实施形式，额定温度为至少300℃。
这个温度特别是对于加热已蒸发的还原剂前体溶液并由此使还原剂前体至少部分地热解和/或高温分解成还原剂被证实是有利的。
根据本发明方法的另一种有利的实施形式，反应物包括下列物质中的至少一种：
a)尿素((NH2)2CO)；
b)甲酸铵(HCOONH4)；
c)氨基甲酸铵(H2NCOONH4)；
d)碳酸铵((NH4)2CO3)；
e)碳酸氢铵(NH4HCO3)；
f)草酸铵((NH4)2(C2O4))；
g)氢氧化铵(NH4OH)；
h)氰酸(HOCN)；
i)氰尿酸(C3H3N3O3)；
j)异氰酸(HNCO)；
k)氨(NH3)；以及
l)氨前体。
特别是，除这些物质中的至少一种外，还能使用这些物质的衍生物。在此，除尿素外，使尿素水溶液的熔点(Schmelzpunkt)降低的物质也是优选的。
为本发明装置公开的细节和实施形式可应用在和转移到本发明方法上。为本发明方法公开的细节和实施形式也可应用在和转移到本发明装置上。
附图说明
下面借助附图更详细地说明本发明，但本发明并不局限于所示的实施例。在附图中示意性示出：
图1：根据本发明的装置的第一实施例的剖视图；
图2：作为用于选择性催化还原的装置的一部分的本发明装置的示意图；
图3：根据本发明的装置的第二实施例的剖视图；
图4：电阻相对于温度的示例性曲线图；以及
图5：电阻相对于温度的曲线图的导数图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于蒸发反应物的装置1。装置1包括可电加热的加热区2。所述电加热通过至少一个具有加热电阻4的加热元件3来实现。加热元件3保持在内管5和外管6之间。除加热电阻4外，加热元件3还可包括电绝缘材料7，即电绝缘体。管5、6分别与电源的不同电极8、9相连接。加热元件3是自调节的加热元件，这将在下面参照图4和5更详细地说明。
图2示意性示出作为用于选择性催化还原内燃机11的排气中的氮氧化物的装置10的一部分的本发明装置1。用于选择性催化还原的装置10除包括本发明的用于蒸发至少一种反应物的装置1之外，还包括储存器12和输送机构13。反应物，特别为尿素水溶液，存储在储存器12中，并通过输送机构13输送到用于蒸发的装置1。在用于蒸发的装置1中至少部分地、优选基本上完全地蒸发尿素水溶液。已蒸发的尿素水溶液被导引到水解催化器14，在该水解催化器中将尿素水解成氨。包含氨的气体经由供给位置15导入内燃机11的排气管16中。在供给位置15的区域内可选地设置有导引机构17，通过该导引机构17能实现更好地导入包含氨的气体混合物。在供给位置15上游形成有氧化催化器18，通过该氧化催化器，一氧化氮(NO)能被氧化成二氧化氮(NO2)。由此进一步提高氮氧化物的转化率。
在供给位置15下游形成有SCR催化器19，在该SCR催化器上进行氮氧化物的选择性催化还原。被净化的排气流20从SCR催化器中出来。催化器14、18、19优选地以催化活性涂层的形式形成在催化器支承体上，特别是形成在蜂窝体上。
图3示意性示出根据本发明的用于蒸发反应物的装置1的第二实施例。与图1相同的部件用相同的附图标记来表示。与第一实施例不同，这里加热元件3的加热电阻4形成一填满内管5和外管6之间的整个空间的层。这里内管5和外管6也与电源的相应电极8、9相连接。在此，要蒸发的反应物或已蒸发的反应物流经蒸发器体积21。
图4示例性地示出任意单位的电阻11相对于任意单位的温度T的曲线图22。这里该电阻为加热电阻4的电阻R。在此，随着温度T升高，曲线图22在第一平坦区域23之后在上升区域24中急剧上升。从第一平坦区域23到上升区域24的过渡部对应于一有效温度30。在更高温度下，在上升区域24之后连接着第二平坦区域。曲线图22在上升区域24中具有拐点26，该拐点落在拐点26的温度27上。根据本发明，有效温度30对应一额定温度，反应物在此额定温度下蒸发。
在此，对于尿素水溶液的蒸发，该额定温度优选位于140℃至150℃的范围内，而对于尿素水溶液的至少部分热解或高温分解，该额定温度为不小于350℃的温度。
图5示意性示出曲线图22对温度的导数28。在拐点26的温度27下出现导数28的最大值。导数28在此温度27附近具有不大于40开尔文的半最大值宽度(半峰全宽，FWHM)。在有效温度30处，梯度急剧上升。为此，加热电阻4由相应的材料例如PTC导体形成。相应材料的一个例子是掺杂了杂质原子的钛酸盐陶瓷。
用于蒸发反应物的本发明方法和本发明装置1使得能够以更有利的方式容易地控制特别是尿素水溶液的蒸发过程，以特别是在SCR过程中提供还原剂。所使用的加热电阻3具有有效温度30，该有效温度与加热电阻的控制温度相对应。通过在此区域中的相应的陡的曲线图22，可以不使用其它控制电子装置。
附图标记列表：
1    用于蒸发反应物的装置
2    加热区
3    加热元件
4    加热电阻
5    内管
6    外管
7    电绝缘材料
8    极
9    接地
10   用于选择性催化还原的装置
11   内燃机
12   储存器
13    输送机构
14    水解催化器
15    供给位置
16    排气管
17    导引机构
18    氧化催化器
19    SCR催化器
20    排气流
21    蒸发器体积
22    曲线图
23    第一平坦区域
24    上升区域
25    第二平坦区域
26    拐点
27    拐点温度
28    导数
29    半最大值宽度

Claims (10)

1.一种用于蒸发下列反应物中的至少一种的装置(1)：
a)还原剂前体溶液，和
b)还原剂前体，
其中还原剂用于氮氧化物的选择性催化还原，所述装置(1)包括至少一个可电加热的加热区(2)，其特征在于，所述加热区(2)具有至少一个可电操作的加热元件(3)，该加热元件具有在一有效温度(30)附近自调节的加热电阻(4)，其中，有效温度(30)为：在该有效温度处，随温度变化的电阻的曲线图(22)具有大于1欧姆/开尔文的梯度，
其特征在于，随温度变化的电阻的曲线图(22)具有至少一个拐点(26)，电阻的曲线图(22)的导数在拐点(26)的温度(27)下出现最大值，且在拐点(26)的温度(27)附近具有最大为40K(开尔文)的半最大值宽度(FWHM)。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，电阻的曲线图具有一对应于加热区(2)的工作温度的有效温度。
3.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，加热区(2)包括下列结构中的至少一个：
a)适用于蒸发反应物的蒸发器体积(21)，和
b)适用于加热已蒸发的反应物的加热体积。
4.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，至少一个加热电阻(4)由下列材料中的至少一种形成：
a)正温度系数电阻；
b)钛酸盐陶瓷；
c)掺杂质的钛酸盐陶瓷；
d)钛酸钡陶瓷。
5.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，随温度变化的电阻的曲线图的有效温度(30)在140℃至180℃的范围内。
6.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，随温度变化的电阻的曲线图的有效温度(30)为至少300℃。
7.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述装置包括至少一个自调节的加热电阻。
8.一种用于蒸发下列反应物中的至少一种的方法：
a)还原剂前体溶液，和
b)还原剂前体，
其中还原剂用于氮氧化物的选择性催化还原，其中所述反应物通过可电操作的加热元件(3)加热到对应于有效温度(30)的额定温度，所述加热元件包括至少一个在有效温度附近自调节的加热电阻(4)，其中，有效温度(30)为：在该有效温度处，随温度变化的电阻的曲线图(22)具有大于1欧姆/开尔文的梯度，
其特征在于，随温度变化的电阻的曲线图(22)具有至少一个拐点(26)，电阻的曲线图(22)的导数在拐点(26)的温度(27)下出现最大值，且在拐点(26)的温度(27)附近具有最大为40K(开尔文)的半最大值宽度(FWHM)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述额定温度在140℃至180℃的范围内。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述额定温度为至少300℃。
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