CN102943703A - 一种用于固体尿素定量生成氨气的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机动车尾气处理过程中的脱硝技术领域，涉及一种用于固体尿素定量生成氨气以减少机动车尾气中氮氧化物的装置。由固态尿素储存罐、固态尿素定量导出器和尿素反应腔组成；尿素储存罐中的尿素粉末通过固态尿素定量导出器精确的定量导出，在重力作用下进入尾气支流管，在尾气的喷气作用下喷到尿素反应腔中的尿素催化剂载体上。洒落在催化剂载体表面的尿素在催化剂的作用下迅速反应生成氨气，生成的氨气在尾气气流作用下由氨气导出管导出至尾气管，并与尾气中的NOx一同进入安装在尾气管上的SCR反应器中，从而进行SCR反应。该装置一定程度上解决了该领域现有技术的不足，具有能耗低、效率优、实用性强、设备简单、安全性高等优点。

Description

一种用于固体尿素定量生成氨气的装置

技术领域

本发明属于机动车尾气处理过程中的脱硝技术领域，具体涉及一种用于固体尿素定量生成氨气以减少机动车尾气中氮氧化物的装置。

背景技术

近年来，我国汽车产业高速发展，对国民经济和社会发展做出了重大贡献。但与此同时，交通堵塞、空气污染、能源危机等一系列问题也随之出现。在大城市中由于大量使用公共汽车和柴油货车，污染十分严重，我国每年NOx排放量超过1100万吨，并且有增长趋势。机动车尾气中的NOx对人类及环境危害严重，去除尾气中的NOx成为尾气后处理过程中亟需解决的问题。氨选择性催化还原法（NH₃-SCR）是目前应用最广泛、处理效率最高的脱硝技术，其中氨气作为SCR反应的还原剂，与NOx发生氧化还原反应。

常见的氨气制备系统所使用的原料为液氨和氨水，是以氨的液态和水合物的形式存在，只要加热即可通过蒸发或者分解过程获得氨气，但是由于氨气有毒，不易储存，在运输过程中一旦泄露就会造成重大的安全事故。

近年来，人们逐渐使用液体尿素制备氨气，通过对尿素水溶液的热解和水解过程得到氨气。但是尿素水溶液在低温的情况下，容易结冰，不易储存；并且在尿素水溶液热解过程中，为使尿素中的水蒸发，会消耗大部分能量。

而固体尿素选择催化还原技术（SSCR）比传统SCR技术更为先进，解决了液态尿素选择催化还原技术的一些难题。该技术利用固体尿素产生氨气，进入SCR催化器还原NOx，既继承了液态SCR技术的诸多优点，又解决了液态SCR系统占据空间大、存储困难等问题，因此固体尿素选择催化还原技术（SSCR）具有巨大的开发价值和市场应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于固体尿素定量导出并生成氨气的装置，该装置一定程度上解决了该领域现有技术的不足，具有能耗低、效率优、实用性强、设备简单、安全性高等优点。

本发明所述的用于固体尿素定量导出生成氨气的装置，其结构如图1、2、3所示，该装置由固态尿素储存罐1、固态尿素定量导出器2和尿素反应腔3组成；固态尿素储存罐1安装在固态尿素定量导出器2的上方，固态尿素定量导出器2和尿素反应腔3独立地顺次安装在尾气支流管31上，尾气支流管31安装在汽车尾气管上，其直径是尾气管直径的1/4～1/3，与尾气管成30度角设置（如图4所示）。

固态尿素储存罐1可以是不锈钢材质（或塑胶类等材质），其体积视应用的车型而定，一般的中重型柴油车（载重量10～60吨）的尿素储料罐1的体积为10～15L，其是下部为倒锥（圆锥、棱锥等）台、上部为柱形（圆柱、棱柱等）腔的结构，以方便和固态尿素定量导出器2连接（见图1）。在尿素储料罐1内的相应位置设置有尿素余量传感器11，尿素余量传感器11可选用光电传感器等，当尿素余量传感器11检测到尿素储料罐1内尿素余量小于某一设定值时（如尿素储料罐1体积的1/20～1/10），尿素余量传感器11通过信号传导线101将信号传送至ECU，ECU通过信号传导线100将该信息反应给汽车仪表，汽车仪表警示灯亮起，从而提醒驾驶员向尿素储料罐1中添加尿素。尿素储料罐1内的尿素选择直径在1毫米以下且干燥的尿素粉末。

固态尿素定量导出器2（不锈钢材质）如图2所示，由可控转动电机21、具有转轴25的定量转轮23、具有尿素进口26和尿素出口27的外壳22组成。可控转动电机21的外壳固定安装在外壳22上，可控转动电机21通过转轴25带动定量转轮23在外壳22内无滑动地转动，定量转轮23表面与外壳22内表面的间隔在0.1mm～0.2mm间。定量转轮23表面设置有均匀分布的N个直径D和（D远大于尿素粉末的尺寸，具体大小可视不同的车型而定）深度L均相同的孔洞24。尿素储存罐1中的尿素通过尿素进口26进入到孔洞24内，在定量转轮23的转动和重力作用下，每次可以有πD²L/4体积（即孔洞24体积）的尿素粉末通过尿素出口27自然下落到尾气支流导管31中。车载ECU控制可控转动电机21和定量转轮23的角速度为ω，则一秒内下落到尾气支流导管31中尿素的导出量V=N(ω/2π)πD²L/4。因为孔洞24的大小相同，所以尿素的导出量完全由定量转轮23的转速控制。

尿素反应腔3由圆柱形腔体37、安装在腔体37内的尿素催化剂载体34、热电阻33、温度传感器35和氨气导出管36组成；热电阻33环绕设置在圆柱形腔体37的内侧，温度传感器35设置在圆柱形腔体37内氨气导出管36出气口的下方；尿素催化剂载体34为金属蜂窝载体，其表面涂有HNCO水解催化剂SiO₂-Al₂O₃（可采用公开号为CN102635427A专利所述的方法在金属蜂窝载体34上涂覆水解催化剂SiO₂-Al₂O₃）。

热电阻33通过信号传导线301与车载ECU连接，温度传感器35通过信号传导线300与车载ECU连接。温度传感器35检测到腔内温度低于300度就会通过信号传导线300把信号传递给ECU，ECU通过信号传导线301来控制热电阻33的启动；当温度高于催化剂的温度上限时（考虑能耗可设置为400度），传感器同样通过传递信号给ECU来停止热电阻的加热。在热电阻33和温度传感器35的协同作用使催化剂载体的温度保持在300度～400度。

尿素储存罐1中的尿素粉末通过固态尿素定量导出器2精确的定量导出，在重力作用下进入尾气支流管31，进入尾气支流管31的尿素在尾气的喷气作用下喷到尿素反应腔3中的尿素催化剂载体34上。洒落在催化剂载体34表面的尿素在催化剂的作用下迅速反应生成氨气。反应方程式为：H₂N-CO-NH₂(s)==NH₃(g)+HNCO(g)；HNCO+H₂O==NH₃(g)+CO₂(g)，生成的氨气在尾气气流作用下由氨气导出管36导出至尾气管，并与尾气中的NOx一同进入安装在尾气管上的SCR反应器（4）中，从而进行SCR反应。

尾气中NOx浓度可由尾气管体积与尾气中氮氧化物浓度确定，尾气管体积为常量设定在ECU中，ECU通过传感器采集尾气中氮氧化物浓度（由信号传导线200传到ECU）来控制可控转动电机21的转数，从而控制输出的尿素量。控制生成与排入尾气管中的NH₃量与尾气管中NOx的摩尔比为1.5：1时催化效果最佳（“NH₃选择性非催化还原NO的实验研究”，热能动力工程，2010，Vol.25No.1P.87-90，曹庆喜、吴少华、刘辉、安强）。

ECU与本发明装置中的各个子装置相互连接，通过指令传导线传送相应信号或指令，协调各部分工作，以完成本发明装置的整个工作进程。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的固态尿素定量生成氨气装置有效解决了传统使用溶液或者直接使用氨气带来的不便利问题。

2、本发明可以应用在温度低的地区。

3、本发明有效利用了尾气的冲力、不耗费额外的能量、节能环保。

4、本发明尿素定量精确、控制性强、设备简单、安全系数高。

5、本发明运用ECU控制，可通过对发动机转数或者尾气的排放量的信号。采集来确定转动电机的转数，从而使产生的氨气与尾气中氮氧化物匹配。

附图说明

图1：固体尿素定量导出并生成氨气装置的剖面结构示意图；

图2：固态尿素定量导出器的剖面结构示意图；

图3：尿素反应腔的剖面结构示意图；

图4：本发明装置应用于汽车尾气管道上的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

图4给出了本发明的一种实施方案。在这个方案中，本发明所述的固态尿素生成氨气装置安装在位于废气管道中的SCR处理器4的前面。

本实施方案以应用于解放商用车为例（载重量5吨），尿素储料罐1的体积为10L，如果尿素储存罐中的尿素少于0.5L时，尿素余量传感器11（红外剂量传感器，可以选用类似日本SHARP生产的GP2Y0A41SK0F红外线测距传感器）将信号经由101传递给ECU（可选用型号为EDC7-6DL2的车用ECU，一汽锡柴BOSCH、DENSO系统中均有使用），ECU会把余量不足的信息通过信号传导线100传递给汽车控制面板，以提醒驾驶员添加尿素。

当发动起启动时，位于尾气管中的尾气传感器（可选用电化学气体传感器，精度为1ppm，属于电信号传感器，型号可选用A-21气体传感器，生产厂家为上海森创电子科技发展有限公司）采集尾气NOx浓度信号，并将尾气NOx浓度信号通过信号传导线200传送给ECU，ECU计算NOx的摩尔量并通过信号传导线201向可控转动电机21发出指令，这样定量转轮23的转动角速度就取决于尾气NOx摩尔量的大小。定量转轮23表面设置四个直径是4mm、深度为3mm的孔洞24，如果某一秒内尾气NOx信号在ECU计算后要求转动电机角速度为2πrad/s，则此一秒内流出尿素粉末的体积为V=4＊πD²L/4=0.15mL。尿素的密度为1.335g/cm³，尿素流出质量为0.2g/s，生成的氨气为0.0066mol/s。

通过定量转轮23导出的尿素在尾气支流管31（位于尾气管的位置a处）中气流作用下被吹撒在尿素反应腔3中的尿素催化剂载体34上，在高温作用下尿素发生分解反应：H₂N-CO-NH₂(s)=NH₃(g)+HNCO(g)；生成的HNCO(g)在尿素催化剂载体34上（金属蜂窝载体选用的金属载体为北京北冶功能材料有限公司出售的耐高温（700～900℃）的Ni-Cr-Fe合金材料，其中Ni质量含量35％，Cr质量含量20％，Fe质量含量45％，金属蜂窝载体孔径密度为300目。金属蜂窝载体的形状尺寸与反应腔相匹配，反应腔长200mm，直径100mm）涂覆的异氰酸水解催化剂SiO₂-Al₂O₃的作用下发生水解反应：HNCO+H₂O=NH₃(g)+CO₂(g)，生成氨气。

此时若反应腔内温度低于300度，温度传感器35（可选用常用的热电阻温度传感器，精度为0.001℃，如DS18B20温度传感器）将采集的信号通过信号传导线300传至ECU，ECU根据接收的信号来控制加热电阻33（可选用铁铬铝合金热电阻丝）的工作。以保证反应腔内温度最适于尿素的分解，同理也根据温度传感器来控制反应腔内的温度不超过400度。

被喷撒在催化剂载体34上的尿素粉末迅速分解成氨气，生成的氨气在尾气支流管31中气流作用下由氨气导管36导入（位于尾气管的位置b处）尾气管道进行SCR反应。

当汽车发动机停止时，尾气传感器将信号传至ECU，由ECU控制各个单元停止工作。

Claims (6)

1.一种用于固体尿素定量导出生成氨气的装置，其特征在于：该装置由固态尿素储存罐（1）、固态尿素计量导出器（2）和尿素反应腔（3）组成；固态尿素储存罐（1）安装在固态尿素计量导出器（2）的上方，固态尿素定量导出器2和尿素反应腔3独立地顺次安装在尾气支流管31上，尾气支流管（31）安装在尾气管上，其直径为尾气管直径的1/4～1/3，其与尾气管成30度角设置；

固态尿素定量导出器（2）由可控转动电机（21）、具有转轴（25）的定量转轮（23）、具有尿素进口（26）和尿素出口（27）的外壳（22）组成；可控转动电机（21）的外壳固定安装在外壳（22）上，可控转动电机（21）通过转轴（25）带动定量转轮（23）在外壳（22）内无滑动地转动，定量转轮（23）表面与外壳（22）内表面的间隔在0.1mm～0.2mm间；定量转轮（23）表面设置有均匀分布的N个直径D和深度L均相同的孔洞24；尿素储存罐（1）中的尿素通过尿素进口（26）进入到孔洞（24）内，在定量转轮（23）的转动和重力作用下，每次可以有πD²L/4体积的尿素粉末通过尿素出口（27）自然下落到尾气支流导管（31）中；通过车载ECU控制可控转动电机（21）和定量转轮（23）的角速度为ω，则一秒内下落到尾气支流导管31中尿素的导出量V=N(ω/2π)πD²L/4；

尿素反应腔（3）由圆柱形腔体（37）、安装在腔体（37）内的尿素催化剂载体（34）、热电阻（33）、温度传感器（35）和氨气导出管（36）组成；热电阻（33）环绕设置在圆柱形腔体（37）的内侧，温度传感器（35）设置在圆柱形腔体（37）内氨气导出管（36）出气口的下方；尿素催化剂载体（34）为金属蜂窝载体，其表面涂有HNCO水解催化剂SiO₂-Al₂O₃；

下落到尾气支流管（31）中的尿素在尾气支流的气流作用下被喷洒到尿素催化剂载体（34）表面，在催化剂的作用下迅速反应生成氨气，生成的氨气通过氨气导出管（36）进入到尾气管，并与尾气中的NOx一同进入安装在尾气管上的SCR反应器（4）中，从而进行SCR反应。

2.如权利要求1所述的一种用于固体尿素定量导出生成氨气的装置，其特征在于：固态尿素储存罐（1）为不锈钢或塑胶类材质，是下部为倒锥台、上部为柱形腔的结构。

3.如权利要求1所述的一种用于固体尿素定量导出生成氨气的装置，其特征在于：在尿素储料罐（1）内的相应位置设置有尿素余量传感器（11）。

4.如权利要求1所述的一种用于固体尿素定量导出生成氨气的装置，其特征在于：尿素储料罐（1）内的尿素选择直径在1毫米以下且干燥的尿素粉末。

5.如权利要求1所述的一种用于固体尿素定量导出生成氨气的装置，其特征在于：热电阻（33）和温度传感器（35）的协同作用使尿素催化剂载体（34）的温度保持在300度～400度。

6.如权利要求1所述的一种用于固体尿素定量导出生成氨气的装置，其特征在于：进入尾气管中的NH₃与尾气管中NOx的摩尔比为1.5：1。

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