CN102733914A - 排气支管余热方式的活性物储氨供氨的后处理控制单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种排气支管余热方式的活性物储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于：把发动机的排气管并联分成排气管a和排气管b两路，在其中一路的管路上安装储氨系统，利用余热的方式，加热活性的储氨化合物，释放出氨，根据发动机排气工况水平，依靠控制单元把氨导入SCR后处理器的前端，实现无液体尿素输送喷射和雾化分解的SCR系统；该系统具备灵活的特点，不仅能满足车辆低温冷启动时排放控制目标，价廉，可靠性高，使用方便；适用于轻型柴油车以及中型柴油车SCR国4以上系统，也可以应用于FCEV系统，满足未来汽车工业的应用需求，具有实用价值。

Description

排气支管余热方式的活性物储氨供氨的后处理控制单元
技术领域
本发明涉及一种排气支管余热方式的活性物储氨供氨的后处理控制单元 ，主要应用于汽车尾气的SCR后处理行业，也适用于燃料电池的FCEV储能系统。
背景技术
当前，全球面临能源和环境的综合挑战。在传统汽车的排放达标的技术手段选择方面，人们仍然面临不少的难题，例如，如何选择后处理的技术方式等方面。
SCR (Selective Catalytic Reduction)催化转化还原技术是传统的后处理技术。这种采用液体尿素的传统的SCR技术的本质是利用尿素在高温下分解出氨，作为还原剂的氨和发动机排气中的NOX在催化剂和温度的综合作用下进行反应，理想工况下生成无毒的N2和H2O，从而达到净化的目的。
传统的SCR具有很多优点，例如，可以在排气温度250~550oC的范围内具有50~85%的NOX去除效率，并能有效降低PM的排放水平；传统的SCR能轻松满足欧4和欧5水平，也具有达到欧6水平的潜力；目前达到欧4采用的传统的SCR技术，发动机的燃油耗可降低3~6％；传统的SCR催化剂不含有贵金属，比成本相对较低；传统的SCR对车用燃油的质量，特别是硫含量不敏感。基于以上分析，传统的SCR后处理技术也比较适合中国的车辆状况和车用燃油状况。
如果在中国推广应用传统的车载SCR后处理技术，必须解决好载体、催化剂、尿素还原剂补加供应网络、尿素还原剂的剂量、尿素还原剂的雾化喷射、SCR催化剂转换效率、氨泄露量以及系统匹配等至关重要的技术难点。
机动车的排放标准的每一次升级，都对汽车行业产生这样或那样的冲击效应。中国的国4标准多次推迟实施的时间表，不仅仅是燃油标准不同步的唯一原因，也面临复杂的社会配套体系和液体的尿素还原剂社会化的服务设施建设的问题，例如，国4标准实施后，立即会对传统的SCR系统运转所需的ECU（控制单元）和DCU（计量单元）产生需求，考虑到目前的车载ECU等电控系统都是进口产品，国内企业自主开发的DCU很难与之进行通讯匹配，反之，如果ECU和DCU系统100%的采用进口品，不仅仅价格很高，用户难以接受，而且存在货源非常紧张的问题，还面临复杂的售后服务技术和成本的问题，制约了整个汽车行业的发展和进步。此外，传统的SCR系统所用的液体尿素还原剂面临冬季结冰和保温解冻的问题，这也造成了传统的SCR系统复杂和稳定性差的原因。
因此，如何获得低成本和高性能的后处理系统是推进该领域技术进步的核心内容。无机盐对氨吸附解吸特性可以作为未来的SCR系统的不错的技术选择。
工业级的一些盐类，例如，氯化锶、氯化钙或氯化镁等氯化物以及它们的混合物，同氨配合使用的系统，即上述的氯化物和氨的吸附解吸过程的吸热和放热现象，已经成熟的应用于工业的大型冷库的制冷系统。
上述无水的氯化物和氨进行化学吸附是通用的化学原理，理论上一个分子的氯化物可以吸附6~8个分子的氨，形成稳定的络合物，加热时氨脱出，随着研究的深入，人们发现，这些氯化物和氨的吸附解吸模型和化学原理完全可以应用于机动车尾气净化的SCR系统。
在国家专利信息网，以储氨为主题词检索，专利号为CN201120099229.7的‘一种气相法乌洛托品尾气氨回收装置’、专利号为CN201020677361.7的‘用于冷库机房的配氨连接机构’和专利号为CN201020269811.9的‘复合功能型储氨器’不涉及到本发明中的特征成分。专利号为CN200520057558.X的‘一种蒸氨装置’的专利是一种对氨氮工业废水进行氨氮排脱处理的环保治理装置，也不涉及到本发明中的特征成分。同本发明不相关。
专利号为CN201010244091.5的‘用于对SCR催化剂的工作进行检验的方法和系统’和专利号为CN200880104697.X的‘SCR排气后处理系统的运行方法及诊断方法’的2个发明提供了一种用于选择性催化还原（SCR）催化转化器和传统液体尿素分解的氨配给模块和控制系统，没有涉及到本发明的特征成分。
专利号为CN200910197860.8的‘一种高效低温储氨材料的制备方法’的发明应用于SCR后处理系统，特征是采用氨基硼烷氨络合物氨BH3(NH3)n(n＝1~3)；室温最大储氨量可达62.4wt%，但是，考虑到氨基硼烷的价格昂贵，具有较高的爆炸和燃烧等级，不适合普通工业领域的大批量推广应用。
专利号为CN200580026626.9的‘存储和输送氨的固体材料’的发明涉及存储和输送氨的固体材料。该存储氨的固体材料包括Ma(NH3)nXz的离子性盐，把盐固体料通过模具直接高压成型，例如，制成圆柱状体，然后把很多这种圆柱状体排列在一起。该专利的最大缺点是圆柱状体过于密实，每次的氨解吸完成后再进行氨的饱和吸附需要很长时间，例如4~6小时，效率很低，这对于汽车上应用的SCR储氨系统来讲非常的不方便，成为限制其应用的原因。
专利号为CN200580009219.7的‘储氨装置在能量生产中的用途’，该发明涉及一种发电单元，包含通式为Ma(NH3) nXz的氨吸收与释放盐，该专利主要主要适用于燃料电池系统。在该专利的权利要求4中提到了特征物质为该类盐或位于多孔载体材料上，并没有声明是何种多孔材料，本专业技术人员无法实施。
专利号为CN200710156866.1的‘一种氨基络合物及其制备方法和用途’的发明公开了一种氨基络合物及其制备方法和用途。该氨基络合物的成分为MXm(NH3)n，该发明对合成氨工艺所用循环气中氨的分离。权利要求仅仅涉及到该氨基金属络合物的制备工艺过程。
专利号为CN200680005886.2的‘氨的高密度存储’的专利包含氨吸收/解吸固体材料的固体氨存储和输送材料，所述已被压实到密度大于理论骨架密度的50％的存储和输送材料提供固体氨存储材料，该专利所述的金属盐固体料也是直接模压成型，声明采用了粘结剂，仅仅声明了可能是采用了二氧化硅纤维粘结剂，也并没有加量比例，没有明确说明其它所采用的成分的细项，本专业的技术人员几乎无法实施。
上述专利的检索和分析表明，以活性储氨化合物来吸附和解析氨，形成了在车辆上应用的后处理系统还没见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种排气支管余热方式的活性物储氨供氨的后处理控制单元，其采用了活性材料、多孔材料以及粘结剂组成的组合物作为储氨和放氨的载体；把发动机的排气管并联分成a和b两路，在其中一路的管路上安装储氨系统，利用发动机排气的余热进行加热，依靠控制单元和一组电磁阀或比例阀，实现氨的剂量输送并方便的导入SCR后处理系统、对NOX去除，简化了系统，提高可靠性，也大幅度的降低成本，提高了充放氨的效率。
本发明的技术方案是这样实现的：排气支管余热方式的活性物储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于：尾气进气管与后处理器进气端连接，后处理器另一端与排气管连接，排气管由排气管a、排气管b并联而成，外法兰盘套在排气管a的管上，两个内法兰盘与耐压罐内壁筒、耐压罐外壁筒组成一个环状的空腔结构的耐压罐罐体套在排气管a的管上，耐压罐罐体内填充固体储氨材料，填充量为罐体体积容量的40%，两个内法兰盘与两个外法兰盘固定连接，耐压罐内壁筒与排气管a的管之间为10~20mm的间隙，此间隙是封闭的也可以是不封闭的空气空腔，耐压罐外壁筒上开有加料口，备用管阀、空气过滤器、耐压罐温度传感器连接在耐压罐外壁筒上，耐压罐温度传感器感应端插入固体储氨材料内部，空气过滤器连接还原剂导管，还原剂导管管路上有精密比例阀，还原剂导管喷嘴端探入尾气进气管管内，进气管温度传感器和NOX传感器连接在尾气进气管上，感应端探入尾气进气管内，进气管温度传感器和NOX传感器、耐压罐温度传感器通过信号线连接电子控制单元信号输入端，电子控制单元控制端通过信号线连接精密比例阀。
所述的固体储氨材料的制备与填充方法如下：采用工业的无水氯化钙60份，膨胀石墨2份，去离子水13份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，上述材料采用机械的和面机搅拌均匀，混合时间5~15min，形成湿态的粉料，通过加料口填充到耐压罐体中，采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min，去除其中的空气间隙，加料量为罐体体积容量的40%；整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热干燥时加料口敞开，排出水蒸汽和酒精蒸汽，此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min。
所述的无水氯化钙也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，可以是氯化锶或氯化镁等能和NH3形成络合物的氯化物。
本发明的积极效果是系统一次充氨后，可以保证车辆行驶的里程为20000~40000km，具有充分的实用性、经济性和先进性；该技术在车载SCR上应用具有现实的意义。
附图说明
图1是本发明的布置图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：如图1所示，排气支管余热方式的活性物储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于：尾气进气管13与后处理器1进气端连接，后处理器1另一端与排气管14连接，排气管14由排气管a、排气管b并联而成，外法兰盘16套在排气管14的排气管a上，两个内法兰盘17与耐压罐内壁筒15、耐压罐外壁筒2组成一个环状的空腔结构的耐压罐罐体套在排气管14的排气管a上，耐压罐罐体内填充固体储氨材料5，填充量为罐体体积容量的40%，两个内法兰盘17与两个外法兰盘16固定连接，耐压罐内壁筒15与排气管14的a管之间为10~20mm的间隙，此间隙是封闭的也可以是不封闭的空气空腔，耐压罐外壁筒2上开有加料口3，备用管阀4 、空气过滤器6、耐压罐温度传感器7连接在耐压罐外壁筒2上，耐压罐温度传感器7感应端插入固体储氨材料5内部，空气过滤器6连接还原剂导管10，还原剂导管10管路上有精密比例阀11，还原剂导管10喷嘴端探入尾气进气管13管内，进气管温度传感器8和NOX传感器9连接在尾气进气管13上，感应端探入尾气进气管13内，进气管温度传感器8和NOX传感器9、耐压罐温度传感器7通过信号线连接电子控制单元12信号输入端，电子控制单元12控制端通过信号线连接精密比例阀11。 
所述的固体储氨材料5的制备与填充方法如下：采用工业的无水氯化钙60份，膨胀石墨2份，去离子水13份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，上述材料采用机械的和面机搅拌均匀，混合时间5~15min，形成湿态的粉料，通过加料口3填充到耐压罐体中，采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min，去除其中的空气间隙，加料量为罐体体积容量的40%；整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热干燥时加料口3敞开，排出水蒸汽和酒精蒸汽，此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min；
所述的无水氯化钙也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，例如，氯化锶或氯化镁等能和NH3形成络合物的氯化物。
实施例1
先把耐压罐内壁筒15的两端和2个内法兰盘17分别焊接在一起，再把耐压罐外壁筒2的两端和这两个内法兰盘17焊接在一起，这样在耐压罐内壁筒15、耐压罐外壁筒2、内法兰盘17形成了活性物料储存空间；加料口3焊接在耐压罐外壁筒2上；备用管阀4焊接在耐压罐外壁筒2上；在耐压罐外壁筒2连接空气过滤器6和温度传感器7，还原剂导管10连接空气过滤器6，完成耐压罐体的制作；
采用工业的无水氯化钙60份，膨胀石墨2份，去离子水13份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，总量配制12kg，物料体积约为12.8L，上述材料采用机械的和面机搅拌均匀成为湿态的粉料，混合时间5~15min，通过加料口3填充到耐压罐体中，采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min；整个耐压罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，注意加热干燥时3-加料口是敞开的；此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min；完成耐压罐体中的物料填充和脱水干燥处理；
采用高纯工业氨瓶，通过减压阀连接到备用管阀4上，事先把不锈钢的耐压罐放入一个水量足够大的水槽中，在自然通风的环境下，通过减压阀和干燥系统，在0.02~0.2Mpa的出口压力范围内缓缓的进行充氨，通入氨气2h；充氨前后的耐压罐增重6.5kg，即通入并被吸收6.5kg的氨气；完成充氨后，整个系统的阀门关闭，确保不泄露；
把完成装填的耐压罐体上先后连接上型号为FUJIKURA的11-精密比例阀，型号为XWP-ND805的电子控制单元12；并把该系统连接到体积为24L的后处理器1上，安装进气管温度传感器8和市售的NOX传感器9；把上述系统和元件连接到一台发动机排量为8.6L的重型柴油卡车上，该耐压储罐和系统分别固定在底盘上，电源取自车载电瓶，启动车辆和该系统，设定氨气的供给量为理论需求量的80%，测试在满载行驶工况下的NOX转化率，在氨泄漏量小于15ppm的情况下，NOX转化率维持在51~70%范围内；满足要求。

Claims (3)

1.排气支管余热方式的活性物储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于：尾气进气管与后处理器进气端连接，后处理器另一端与排气管连接，排气管由排气管a、排气管b并联而成，外法兰盘套在排气管a上，两个内法兰盘与耐压罐内壁筒、耐压罐外壁筒组成一个环状的空腔结构的耐压罐罐体套在排气管a上，耐压罐罐体内填充固体储氨材料，填充量为罐体体积容量的40%，两个内法兰盘与两个外法兰盘固定连接，耐压罐内壁筒与排气管的a管之间为10~20mm的间隙，此间隙是封闭的也可以是不封闭的空气空腔，耐压罐外壁筒上开有加料口，备用管阀、空气过滤器、耐压罐温度传感器连接在耐压罐外壁筒上，耐压罐温度传感器感应端插入固体储氨材料内部，空气过滤器连接还原剂导管，还原剂导管管路上有精密比例阀，还原剂导管喷嘴端探入尾气进气管管内，进气管温度传感器和NOX传感器连接在尾气进气管上，感应端探入尾气进气管内，进气管温度传感器和NOX传感器、耐压罐温度传感器通过信号线连接电子控制单元信号输入端，电子控制单元控制端通过信号线连接精密比例阀。
2.根据权利要求1中所述的排气支管余热方式的活性物储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于所述的固体储氨材料的制备与填充方法，具体步骤如下：采用工业的无水氯化钙60份，膨胀石墨2份，去离子水13份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，上述材料采用机械的和面机搅拌均匀，混合时间5~15min，形成湿态的粉料，通过加料口填充到耐压罐体中，采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min，去除其中的空气间隙，加料量为罐体体积容量的40%；整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热干燥时加料口敞开，排出水蒸汽和酒精蒸汽，此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min。
3.根据权利要求2中所述的固体储氨材料，其特征在于所述的无水氯化钙也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，是氯化锶或氯化镁等能和NH3形成络合物的氯化物。
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