CN101749087A - 一种采用压缩天然气助喷的柴油机氨选择性催化还原方法 - Google Patents

一种采用压缩天然气助喷的柴油机氨选择性催化还原方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于柴油机尾气后处理技术领域，具体涉及一种采用压缩天然气助喷的柴油机氨选择性催化还原方法。尿素水溶液箱中尿素液被泵出，过滤后送到尿素计量器，压缩天然气罐内的压缩天然气经由初级阀进入尿素计量器，与尿素溶液混合，压缩天然气与尿素溶液的体积比为1∶100～20∶100，并进行初级雾化；初级雾化的尿素溶液在通过尿素喷嘴进入排气管之前，压缩天然气经由二级阀再次与前述初级雾化的尿素溶液混合，压缩天然气与前述初级雾化的尿素溶液地体积混合比为1∶100～20∶100，进一步提高混合均匀度和雾化程度，尿素在排气管混合区遇到高温分解成NH3和水，与排气充分混合后进入SCR选择性催化还原装置，在SCR选择性催化还原装置内，NH3和NOx反应生成氮气和H2O，排入大气中。本发明在实现尿素高效雾化的同时，通过天然气CH4来辅助还原降低NOx排放量，提高了对柴油机尾气NOx排放的净化效果。

Description

一种采用压缩天然气助喷的柴油机氨选择性催化还原方法
技术领域
本发明属于柴油机尾气后处理技术领域，具体涉及一种采用压缩天然气助喷的柴油机氨选择性催化还原(SCR)方法。
背景技术
柴油机以其良好的经济性和动力性，广泛地应用于交通运输、农业机械和工程机械等领域。但是柴油机的氮氧化物排放较高，对环境和人体都有很大的危害，除采用先进的机内措施降低氮氧化物排放量以外，必须对柴油机排出的氮氧化物采取机外后处理措施技术，才能满足未来更为严格的排放法规。
氨选择性催化还原技术是柴油机氮氧化物(NOx)排放后处理的一种主要技术路线，可以有效改善柴油机氮氧化物的排放，并对柴油含硫量不敏感。该技术通过在排气管中喷入一定浓度的尿素溶液，与尾气混合后一同进入SCR选择性催化还原装置，在催化剂的作用下，由尿素经热解反应和水解反应后产生的氨气和氮氧化物发生化学反应，将氮氧化物还原为氮气和水。其主要化学反应包括有尿素热解与水解反应、标准SCR反应、快速SCR反应和慢速SCR反应。
尿素热解反应：
CO(NH2)2→NH3+HNCO                   (1)
尿素水解反应：
HNCO+2H2O→NH3+CO2                   (2)
标准SCR反应：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O                (3)
快速SCR反应：
4NH3+2NO2+2NO→4N2+6H2O              (4)
慢速SCR反应：
8NH3+6NO2→7N2+12H2O                 (5)
该系统在工作时，尿素罐中的尿素被泵出，加压过滤后送到计量喷射单元，然后喷入排气管中，尿素在排气管混合区遇到高温分解成氨气(NH3)和水，与排气充分混合后进入催化转化器，在催化反应区的高温环境下，氨气(NH3)和氮氧化物NOx反应生成氮气和H2O，排入大气中。一般柴油机的排气温度在300～500℃范围内，正好能满足NOx还原所需的温度条件。
为了提高SCR装置中NH3对NOx的还原能力，需要采取一些辅助措施，使尿素水溶液在喷射进入排气管时，充分雾化以及与废气充分混合。以往的技术往往采用压缩空气辅助喷射系统，在定量喷射阀打开后，尿素在压缩空气的引射作用下射出，并且与压缩空气混合后再经过喷嘴喷入排气管中。
发明内容
本发明目的在于提供一种压缩天然气替代压缩空气的尿素雾化技术，使用压缩天然气实现尿素助喷，实现良好NOx转换效率的采用压缩天然气助喷的柴油机氨选择性催化还原方法。
本发明提出的采用压缩天然气助喷的柴油机氨选择催化转化方法，采用氨选择性催化还原装置，该装置由压缩天然气罐1、SCR选择性催化还原装置2、尿素水溶液箱3、尿素泵4、尿素计量器5、电控单元6、尿素喷嘴8、初级阀10、二级阀11和管道组成，其中：压缩天然气罐1通过管道经由初级阀10连接尿素计量器5，经由二级阀11连接尿素喷嘴8，尿素水溶液箱3通过管道和尿素泵4连接尿素计量器5，柴油机7连接电控单元6，电控单元6连接尿素计量器5，柴油机7通过排气管9连接SCR选择性催化还原装置2，具体步骤如下：
尿素水溶液箱3中尿素液被泵出，在150kPa～300kPa的压力下过滤后送到尿素计量器5，压缩天然气罐1内的压缩天然气的压力为150kPa～300kPa，该压缩天然气经由初级阀10进入尿素计量器5，与尿素溶液混合，压缩天然气与尿素溶液的体积比为1∶100～20∶100，并进行初级雾化，得到初级雾化的尿素溶液；该初级雾化的尿素溶液在通过尿素喷嘴8进入排气管之前，来自压缩天然罐1内的压缩天然气经由二级阀11再次与前述初级雾化的尿素溶液混合，压缩天然气与前述初级雾化的尿素溶液地体积混合比为1∶100～20∶100，进一步提高混合均匀度和雾化程度，尿素在排气管混合区遇到高温分解成NH3和水，与排气充分混合后进入SCR选择性催化还原装置2，在SCR选择性催化还原装置2内，NH3和NOx反应生成氮气和H2O，天然气CH4和NOx反应生成氮气、CO2和H2O，排入大气中。
本发明中，所述催化还原反应温度为200-600℃。
天然气在物理特性上替代空气，实现助喷有利于尿素雾化。其在化学特性上由于主要成分为甲烷CH4，该成分作为一种还原剂对NOx也有较好的还原降低效果。在该排气系统中，CH4辅助还原NOx的主要反应式为：
2NO+O2→2NO2                         (6)
CH4+NO2→[X]+H2O                     (7)
[X]+NO→N2+CO2+H2O                   (8)
[X]+NO2→N2+CO2+H2O                  (9)
本发明中，通过压缩天然气两次与尿素溶液混合助喷，实现良好的尿素溶液雾化。
本发明的SCR装置除通过传统的NH3来降低NOx，还可同时通过天然气CH4来辅助还原降低NOx排放，在实现尿素高效雾化的同时，提高了对柴油机尾气NOx排放的净化效果。
附图说明
图1为本发明的氨选择性催化还原装置结构图示。
图2为本发明用于评价NOx转换净化效率的柴油机台架试验系统示意图。
图3为本发明采用压缩天然气助喷和传统采用压缩空气助喷的测试结果对比。
图中标号：1为压缩天然气罐，2为SCR选择性催化还原装置，3为尿素水溶液箱，4为尿素泵，5为尿素计量器，6为电控单元，7为柴油机，8为尿素喷嘴，9为排气管，10为初级阀，11为二级阀。
具体实施方式
下面通过实施举例进一步阐述本发明。
实施例1：压缩天然气两次与尿素溶液混合实现雾化助喷
将下列各部件按图1所示方式连接。如图1所示，本技术装置由压缩天然气罐1、SCR选择性催化还原装置2、尿素水溶液箱3、尿素泵4、尿素计量器5、电控单元6、尿素喷嘴8、初级阀10、二级阀11以及管道组成。
该技术装置在工作时，尿素水溶液箱3中尿素液(尿素浓度32.5％)被泵出，加压至150kPa～300kPa之间，过滤后送到尿素计量器5。压缩天然气罐1内的压缩天然气压力范围为150kPa～300kPa，其中压缩天然气经由初级阀10控制进入尿素计量器5，与尿素溶液混合；控制天然气与尿素溶液的体积混合之比在1％～20％范围内，实现尿素的初级雾化。初级雾化的尿素溶液经由尿素喷嘴8进入排气管之前，压缩天然气经由二级阀11再次与其混合，该体积混合之比范围为1％～20％。这样压缩天然气经过两次与尿素溶液的混合，提高了尿素溶液的雾化程度，并保持150kPa～300kPa的喷射压力，有利于雾化后的尿素溶液喷入排气管。
实施例2：压缩天然气助喷降低NOx排放效果的评测
使用一台电控高压共轨直喷柴油机为样机，对该机采用压缩天然气助喷的氨选择性催化还原方法来评定NOx的转化效率，采用压缩空气助喷作为对比。将该柴油机安装在台架上进行稳态工况运转，以提供可再现和稳定的NOx排放。控制该发动机的转速为2000r/min，负荷比分别为25％、50％、75％、100％，以提供一系列的SCR装置入口温度(温度分别为243℃、306℃、354℃、422℃)和NOx浓度(浓度分别为210ppm、480ppm、830ppm、970ppm)。使用专门的AVL废气分析仪测定柴油机的NOx排放量。
使用图2所示的实验配置，对采用压缩天然气助喷和压缩空气助喷的效果进行对比测试。实验设备包括专门测量柴油机NOx排放量的AVL废气分析仪以及两个专用采样管道，分别布置在SCR选择性催化还原装置的前后。
图3即为采用压缩天然气助喷和压缩空气助喷的测试结果对比。横坐标为发动机负荷比，纵坐标为NOx转换净化效率。由图2可以看出，采用压缩天然气助喷后，SCR装置对NOx的转换净化效率有明显提高，平均提高比例为22.8％。
因此，本发明的SCR装置在实现尿素高效雾化的同时，通过天然气CH4来辅助还原降低NOx排放量，提高了对柴油机尾气NOx排放的净化效果。

Claims (2)

1.一种采用压缩天然气助喷的柴油机氨选择催化转化方法，其特征在于采用氨选择性催化还原装置，该装置由压缩天然气罐(1)、SCR选择性催化还原装置(2)、尿素水溶液箱(3)、尿素泵(4)、尿素计量器(5)、电控单元(6)、尿素喷嘴(8)、初级阀(10)、二级阀(11)和管道组成，其中：压缩天然气罐(1)通过管道经由初级阀(10)连接尿素计量器(5)，经由二级阀(11)连接尿素喷嘴(8)，尿素水溶液箱(3)通过管道和尿素泵(4)连接尿素计量器(5)，柴油机(7)连接电控单元(6)，电控单元(6)连接尿素计量器(5)，柴油机(7)通过排气管(9)连接SCR选择性催化还原装置(2)，具体步骤如下：
尿素水溶液箱(3)中尿素液被泵出，在150kPa～300kPa的压力下过滤后送到尿素计量器(5)，压缩天然气罐(1)内的压缩天然气的压力为150kPa～300kPa，该压缩天然气经由初级阀(10)进入尿素计量器(5)，与尿素溶液混合，压缩天然气与尿素溶液的体积比为1∶100～20∶100，并进行初级雾化，得到初级雾化的尿素溶液；该初级雾化的尿素溶液在通过尿素喷嘴(8)进入排气管之前，来自压缩天然罐(1)内的压缩天然气经由二级阀(11)再次与前述初级雾化的尿素溶液混合，压缩天然气与前述初级雾化的尿素溶液地体积混合比为1∶100～20∶100，进一步提高混合均匀度和雾化程度，尿素在排气管混合区遇到高温分解成NH3和水，与排气充分混合后进入SCR选择性催化还原装置(2)，在SCR选择性催化还原装置(2)内，NH3和NOx反应生成氮气和H2O，天然气CH4和NOx反应生成氮气、CO2和H2O，排入大气中。
2.根据权利要求1所述的采用压缩天然气助喷的柴油机氨选择催化转化方法，其特征在于所述催化反应温度为200-600℃。
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Assignor: Tongji University

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Denomination of invention: Ammonia selective catalytic reduction method for diesel injected by assistance of compressed natural gas

Granted publication date: 20120125

License type: Exclusive License

Record date: 20130528

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