CN103321721B - 用于防爆柴油机的废气处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柴油机废气处理领域，尤其涉及一种防爆柴油机废气处理装置，它包括有废气固体颗粒处理管、有害气体处理管和废气冷却管，废气固体颗粒处理管的内腔设有氧化催化器和微粒捕集过滤器，有害气体处理管的内腔设有选择催化还原器。本发明通过利用微粒捕集过滤器处理排放废气的固体颗粒物，利用氧化催化器辅助微粒捕集过滤器的再生。利用选择催化还原器减少废气中的氮氧化物含量，废气通过冷却管冷却。装置结构简单实用，易于推广。

Description

用于防爆柴油机的废气处理装置
技术领域
    本发明涉及一种废气处理装置，具体涉及一种用于防爆柴油机的废气处理装置。
背景技术
   防爆柴油机，主要是针对易燃易爆性气体或固体粉尘颗粒环境下使用的柴油机。《MT 990-2006矿用防爆柴油机通用技术条件》中规定：防爆柴油机未经稀释的排气中，其有害气体成分一氧化碳(CO)与氮氧化物(NOx)的体积浓度分别不应超过0.1%与0.08%；防爆柴油机排气温度不应超过70℃；防爆柴油机表面温度不应超过150℃。法规中虽然只针对CO及NOx给出量化标准，但目前用户对固体颗粒(PM)的排放也有要求，所以在废气后处理的前期设计中应当兼顾这个问题。
目前，防爆柴油机废气后处理的方法可分为两种，即化学方法与物理方法。其中，化学方法主要是氧化催化(DOC)、选择性催化还原(SCR)及吸附还原(LNT)。氧化催化(DOC)多为陶瓷载体的通流式催化器，该装置主要是降低排气中的可燃性气体和可溶性有机成分，但氧化催化(DOC)的主要问题是高温老化和催化器中毒的问题，另外燃油中的硫含量过高也会导致氧化催化(DOC)失效；选择性催化还原(SCR)是以氨气(NH3)作为还原剂，在催化剂的作用下将柴油机排气中的氮氧化物(NOx)转化为无害的氨气与水蒸气，但氨的泄漏、运输及供应问题一直是选择性催化还原(SCR)推广的限制因素；吸附还原(LNT)是基于发动机周期性进行稀燃与富燃工作的氮氧化物(NOx)净化方法，其缺点是抗硫老化性能较弱，需要低硫含量燃油，同时吸附还原(LNT)催化器需要周期性脱硫处理。物理方法包括加装颗粒过滤器(DPF)、水洗箱及射流式烟雾稀释器。颗粒过滤器(DPF)是借助惯性碰撞、截留、扩散及重力沉降等机理将微细颗粒（PM）从气流中分离出来，但过滤下来的颗粒因积存而逐渐堵塞过滤孔，增加排气阻力，导致柴油机动力性与经济性的恶化；水洗箱是目前防爆柴油机的主流使用形式，其优点包括有效沉积炭粒，溶解和稀释碳氢化合物、醛类、碳化物等有刺激性气味的气体，有效减低废气温度，但其结构复杂，空间占用大，冷却液补给周期短，限制了其在防爆柴油机中的普及使用；射流式烟雾稀释器用于矿用铲运机在国内文献中有涉及，但没有论述具体的实施细则。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种结构简单的用于防爆柴油机的废气处理装置，减少废气的氮氧化物的含量同时，降低废气温度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
用于防爆柴油机的废气处理装置，它包括有依次连接的废气固体颗粒处理管、有害气体处理管,废气固体颗粒处理管的内腔设有依次串接的氧化型催化器和颗粒过滤器，有害气体处理管的内腔设有选择性催化还原器；其特征在于它还包括有废气冷却管，废气固体颗粒处理管、有害气体处理管和废气冷却管依次连接，所述的废气冷却管主要包括集气管、空气导流管、气体混合管，集气管的出气口与气体混合管的头端连接形成一个具有迂回狭缝的环形喷嘴，迂回狭缝的出口朝向气体混合管远端设置，环形喷嘴的背面与空气导流管连接，空气导流管连通外界大气。
所述环形喷嘴由凸形翼面和凹形导流板构成，凸形翼面设置在气体混合管进气端，凹形导流板设置在集气管的出气端，凸形翼面和凹形导流板间设有间隙形成一个出口朝向气体混合管远端设置的迂回狭缝。
所述气体混合管由依次连接的混合气直管和混合气弯管构成。
所述空气导流管的进气口设有空气导流扇。
所述废气固体颗粒处理管、有害气体处理管和废气冷却管的管外壁均喷涂隔热层。
所述混合气直管为波纹管。
所述混合气弯管为波纹管。
所述集气管的进气口设有用于测定废气冷却前温度的废气温度传感器，所述集气管出气口设有用于测定增压后的废气压力的压力传感器；所述气体混合管的排气口设有用于测定最终排出的混合气温度的温度传感器，传感器均电连接控制器，控制器电连接报警装置。
本发明通过利用颗粒过滤器（DPF）处理防爆柴油机排放废气的固体颗粒物（PM），并利用氧化型催化器（DOC）辅助颗粒过滤器（DPF）的再生然后利用选择性催化还原器(SCR)减少废气中的有害气体成分氮氧化物(NOx)含量，以保证NOx浓度不大于800ppm。最后，废气通过集气管的环形喷嘴形成的负压吸入外界空气与废气混合的方法降温，考虑到柴油机的标定排气背压，设置了废气压力和温度传感器进行反馈控制，以避免出现集气管增压废气逆流的情况。另外，通过废气冷却管中引入的外界空气，对废气中的一氧化碳（CO）及氮氧化物（NOx）进行物理稀释，以降低其在排放气体浓度。
附图说明
图1 为本发明实施例的结构示意图；
图2 为本发明实施例中废气冷却管的结构示意图；
图3 为本发明实施例中环形喷嘴处的局部示意图；
图中标记说明：1—废气固体颗粒处理管，2—有害气体处理管，3—废气冷却管；
301—废气进气口，302—废气温度传感器, 303—集气管，304—压力传感器，305—环形喷嘴，306—导流板，307—翼面， 308—空气导流扇，309—空气进气口，310—空气导流管，311—混合气直管，312—混合气弯管，313—混合气温度传感器，314—废气排气口。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明，参见附图1和附图2。
本发明用于防爆柴油机的废气处理装置，包括有依次连接的废气固体颗粒处理管1、有害气体处理管2和废气冷却管3。废气排放前经过废气固体颗粒处理管1减少微细颗粒（PM），经过有害气体处理管2减少氮氧化物（NOx）的浓度，经过废气冷却管3降低温度，并稀释一氧化碳浓度。
废气固体颗粒处理管1的内腔设有氧化型催化转化器（DOC）和颗粒过滤器(DPF)处理废气中的微细颗粒（PM），颗粒过滤器（DPF）微粒捕集技术是目前公认的最为有效的微粒净化技术，也是目前商用前景最好的技术之一。其过滤技术的机理主要是：废气通过时微粒经过扩散、截流、惯性碰撞和重力沉降等原理被过滤体捕集。捕集效率主要受到微粒粒径、过滤体微孔孔径、排气流速及气流温度等因素影响。随着工作时间的增长，过滤体内堆积的微粒增多，发动机的背压将上升，影响柴油机的正常工作，须用过滤体的再生的方法将这些微粒除去，本发明利用氧化型催化器的化学催化的方法降低微粒的反应活性，使微粒在柴油机正常运行条件下燃烧，达到再生目的。所以氧化型催化转化器与颗粒过滤器串行连接，废气依次经过氧化型催化转化器及颗粒过滤器，由于使用催化再生的DPF对微粒的捕集与对过滤体的再生是同时进行的，是一种连续再生的方法。
为了处理废气中氮氧化物NOx采用的是选择性催化还原器（SCR）处理技术，即利用尿素溶液（水溶液浓度为32.5%±0.5%），在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质，将氮氧化物NOx（90%左右是NO）还原为氮气（N2）和水（H2O）。它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险。
由于防爆柴油机使用工况的特殊性，如作为煤矿运输车辆中的动力源，防爆柴油机安全标准要求其表面温度不能超过150℃、尾气温度不能超过70℃等特殊要求。所述废气固体颗粒处理管1和有害气体处理管2的管外壁喷涂隔热层。为了降低排出废气的温度，使之不超过70℃。本发明的实施例中还设置了废气冷却管3。废气冷却管3主要包括集气管303、空气导流管310、气体混合管，废气进气口301连通在有害气体处理管2的出气口，集气管303的作用主要是将废气增压，使得增压后的气体在混合气管入口处能形成负压，从而吸入外界大气给废气降温，所以集气管303的出气口设置成一个具有迂回狭缝的环形喷嘴305，如图3所示，迂回狭缝的开口朝向气体混合管远端设置。迂回狭缝由气体混合管头端的凸形翼面307和集气管303的凹形导流板306组成，两者相对设置一定间隔。环形喷嘴305的背面与空气导流管310连接，空气导流管310连通外界大气。并在空气进气口309处设置空气导流扇308以增加空气的吸入。
废气经过集气管303增压后通过环形喷嘴305的凸形翼面307及凹形面导流板306，其中，因科恩达效应，促使来自环形喷嘴305的废气沿凸形翼面307吸附流动；因文丘里效应，促使气体混合管的入口即空气导流管310的出气口区域，及导流板306的背面形成局部负压，吸入冷却用的外界空气。为避免废气逆流，增加空气进气量，空气导流管310的进气口设置有空气导流扇308，强制吸入冷却空气。经空气导流管310通入的空气与高温废气进行第一次混合。因为混合气体行走路径越长，混合越充分，降温效果越明显，所以混合气体管设置成依次连接混合气直管311和混合气弯管312结构，混合后的气体在流经混合气弯管312处时，进行第二次混合，经大气混合降温并稀释后的废气排气口314排出。为使混合充分和气流平稳，混合气直管311和混合气弯管312可用波纹管制成。
在发动机排气流量一定的条件下，随着环形喷嘴尺寸的减小，集气管内最大压强值不断增大；随着混合气直管直径的减小，混合气出口温度升高，最大压强值增大。环形喷嘴及气体混合管尺寸的设计需同时考虑车辆的空间布置要求及发动机性能对排气系统最大背压值的限定要求。以某品牌3.9L柴油发动机为例，发动机在额定功率点时，排气流量要求为350L/min，排气系统最大背压要求为10.1KPa，根据前述设计准则分析可得，环形喷嘴水平尺寸（不含壁厚）在2.5mm～3.3mm，气体混合管直径（不含壁厚）250mm时，气体混合效率最高，废气冷却管中最大压强值没有超出限定要求值。
所述集气管303的进气口内设有废气温度传感器302，用于测定废气冷却前的温度。集气管303的出气口设有压力传感器304，用于测定增压后的废气压力。混合气弯管312的排气口内设有混合气温度传感器313，其作用是测定最终排出的混合气温度。上述传感器均电连接控制器，控制器电连接报警装置。当测定废气冷却前的温度超过设计冷却温度值范围、增压后的废气压力超出柴油机标定背压极值，最终排出的混合气温度高于70℃，控制器启动报警装置报警。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.用于防爆柴油机的废气处理装置，它包括有依次连接的废气固体颗粒处理管、有害气体处理管，废气固体颗粒处理管的内腔设有依次串接的氧化型催化器和颗粒过滤器，有害气体处理管的内腔设有选择性催化还原器；其特征在于它还包括有废气冷却管，废气固体颗粒处理管、有害气体处理管和废气冷却管依次连接，所述的废气冷却管主要包括集气管、空气导流管、气体混合管，集气管的出气口与气体混合管的头端连接形成一个具有迂回狭缝的环形喷嘴，迂回狭缝的出口朝向气体混合管远端设置，环形喷嘴的背面与空气导流管连接，空气导流管连通外界大气，环形喷嘴由凸形翼面和凹形导流板构成，凸形翼面设置在气体混合管进气端，凹形导流板设置在集气管的出气端，凸形翼面和凹形导流板间设有间隙形成一个出口朝向气体混合管远端设置的迂回狭缝。
2.根据权利要求1所述的用于防爆柴油机的废气处理装置，其特征在于：所述气体混合管由依次连接的混合气直管和混合气弯管构成。
3.根据权利要求1所述的用于防爆柴油机的废气处理装置，其特征在于：所述空气导流管的进气口设有空气导流扇。
4.根据权利要求1所述的用于防爆柴油机的废气处理装置，其特征在于：所述废气固体颗粒处理管、有害气体处理管和废气冷却管的管外壁均喷涂隔热层。
5.根据权利要求2所述的用于防爆柴油机的废气处理装置，其特征在于：所述混合气直管为波纹管。
6.  根据权利要求2所述的用于防爆柴油机的废气处理装置，其特征在于：所述混合气弯管为波纹管。
7.根据权利要求1所述的用于防爆柴油机的废气处理装置，其特征在于：所述集气管的进气口设有用于测定废气冷却前温度的废气温度传感器，所述集气管出气口设有用于测定增压后的废气压力的压力传感器；所述气体混合管的排气口设有用于测定最终排出的混合气温度的温度传感器，传感器均电连接控制器，控制器电连接报警装置。
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