CN103557062B - 一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置 - Google Patents
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Abstract
一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置,属于机动车尾气处理过程中的脱硝技术领域。由尿素储料罐(1)、第一可控转动电机(2)、固态尿素传导器(3)、熔融尿素反应器(4)、熔融尿素离心甩桶(5)、高频交流电流线圈(6)和第二可控转动电机(7)组成;该装置解决了该领域现有技术中使用尿素溶液生成氨气法的不耐低温问题和直接使用氨气罐的安全性不足问题,并且相比已有应用固态尿素制氨气的装置,本发明具有计量精确、可行性强、耗能更低、尿素氨化迅速、反射弧短、设备结构简单、效率高等优点。
Description
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,具体涉及一种应用于汽车尾气脱销的用于控制固体尿素计量生成氨气的装置。
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机动车尾气NH3-SCR方法脱硝的固体尿素计量生成氨气装置,该装置解决了该领域现有技术中使用尿素溶液生成氨气法的不耐低温问题和直接使用氨气罐的安全性不足问题,并且相比已有应用固态尿素制氨气的装置,本发明具有计量精确、可行性强、耗能更低、尿素氨化迅速、反射弧短、设备结构简单、效率高等优点。
本发明所述的用于NH3-SCR汽车尾气脱硝的固态尿素计量生成氨气装置,其整体结构如图1所示。该装置由尿素储料罐1、第一可控转动电机2、固态尿素传导器3、熔融尿素反应器4、熔融尿素离心甩桶5、高频交流电流线圈6、第二可控转动电机7组成;尿素储料罐1的出口设置在固态尿素传导器3的前端侧面,尿素传动器3由带有出口33的传动器外壳32和位于传动器外壳32内的螺旋叶片传动轴31组成,第一可控转动电机2的外壳用螺丝固定在固态尿素传导器3的外壳32上(见图2),它的转动轴与螺旋叶片传动轴31无滑动连接,螺旋叶片转动轴31在电机2的带动下可在固态尿素传导器的外壳32中无阻碍转动;熔融尿素反应器4为一个具有前支架441和后支架442的圆桶形装置,在熔融尿素反应器4的内表面上环绕设置有尿素催化剂载体43,熔融尿素离心甩桶5设置在尿素催化剂载体43围成的空腔区域内,且与熔融尿素反应器4共轴安装;尿素传导器3穿过前支架441,其出口33位于熔融尿素离心甩桶5的中间位置,传动器外壳32固定在熔融尿素反应器4的前支架441上(见图4);第二可控转动电机7的外壳固定在熔融尿素反应器4的后支架442上(见图4),熔融尿素离心甩桶5在第二可控转动电机7的带动下在熔融尿素反应器4的空腔中无阻碍转动,线圈6固定在后支架442上且不随熔融尿素离心甩桶5转动。
加热电阻丝41缠绕在熔融尿素反应器4的外壁上(如图3),用以加热反应器4,控制加热反应器4的温度在300℃~400℃(在温度低于300℃时HNCO极易生成缩聚物),保持在尿素生成氨气的最佳温度;尿素催化剂载体43可制作成金属丝网或者蜂窝状等比表面积较大的结构(图中以简单的凸凹结构代替),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)。
整个反应器置于汽车尾气管内(见实施例1),生成的氨气直接与尾气混合进入到SCR反应器。整个过程在ECU(电子控制单元)的控制下协同进行。
本发明的简要工作原理:尿素储料罐1中的固态粉末状尿素在重力作用下,进入到尿素传动器3中,进入到尿素传动器3中的固态粉末状尿素随着螺旋叶片传动轴的顺时针转动沿着传导器向出口33方向移动,然后进入到熔融尿素离心甩桶5中。
尾气NO浓度传感器采集尾气中NO浓度信号并通过信号线201传递给ECU,ECU计算尾气浓度信号后通过信号线200控制第一转动电机2的转数来计量导入熔融尿素离心甩桶5中的固态粉末状尿素有量。线圈6(见图4,可以为多砸多层线圈)通以20KHZ~30KHz、10V~20V的高频交流电压以对熔融尿素离心甩桶5起加热作用,维持熔融尿素离心甩桶5温度在133℃~150℃之间。第二可控转动电机7带动熔融尿素离心甩桶5以5rad/s~10rad/s的角速度旋转。如此,粉末状尿素通过尿素传动器3进入到熔融尿素离心甩桶5后迅速熔融并被甩粘在熔融尿素反应器4的尿素催化剂载体43上生成氨气。反应方程式为:H2N-CO-NH2(s)==NH3(g)+HNCO(g);HNCO+H2O==NH3(g)+CO2(g)。
尿素储料罐1为不锈钢材质或者塑胶材料,其体积视实际车型而定,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。在尿素储料罐1内部的底端相应位置处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检测到尿素余量传感器11内尿素的余量小于某一设定值时(如设定为尿素储料罐1体积的1/20~1/10),尿素余量传感器11通过信号传导线111将信号传送至ECU,ECU将该信息通过信号线110反应给汽车仪表,汽车仪表警示灯亮起,提醒驾驶员向尿素储料罐1中添加尿素,尿素储料罐1内的尿素一般选择比较细碎的尿素粉末直径在0.5mm~1mm的尿素颗粒,以便进入到甩桶3中的固态尿素能迅速熔融减少延迟时间。
尿素传动器3应选择刚性的金属材料,传动轴31可以在传动器外壳32内自由转动,两者在运行中不能有任何方向的形变,并且螺旋叶片与传动器外壳32间的缝隙要小于尿素颗粒的直径(保证尿素颗粒在传动器中只能在传动轴的带动下向出口33方向运动,而不能在两者的缝隙中做相反运动)。传动轴31螺旋扇叶的外半径为R,传动轴31中心轴杆的半径为r,螺旋叶片间的垂直距离为L。传动轴每转动一圈从出口33中流出的尿素粉末体积就为πL(R2-r2)。ECU通过传感器采集尾气中氮氧化物浓度信号(由信号传导线201传到ECU)来控制第一可控转动电机2的转动速率ω,从而达到对尿素输出量的精确控制。这样每秒钟通过出口33流入甩桶5中的尿素粉末体积为V=ωL(R2-r2)/2,达到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)。
熔融尿素离心甩桶5选用铁质材料,可以在第二可控转动电机7的带动下旋转,其侧壁均匀排布着直径约为0.5mm的小孔52,小孔间距离为5mm在甩桶5壁上横纵均匀排布。甩桶5的温度保持在尿素熔融的温度133~150℃之间(尿素的熔融温度是132.7℃,分解温度是150℃以上,所以尿素熔融箱内的温度应控制在133~150℃之间)。甩桶温度传感器51采集甩桶5内的温度信号,若小于133℃或者高于150℃,甩桶温度传感器51将信号通过信号线511传递给ECU,ECU来控制高频电流线圈6开始或停止工作。高频电流线圈6的工作原理是其通有高频的交流电来对铁质材质的甩桶5进行加热,线圈6固定在支架442上,在结构上与甩桶5和电机7分离,并不随甩桶5转动。这样由尿素传导器出口33流入甩桶5中的尿素迅速熔融并在甩桶5离心作用下甩喷在包围在甩桶5外侧的位于熔融尿素反应器4内的尿素催化剂载体43上。在尿素催化剂载体43上设置有载体温度传感器42,载体温度传感器42采集尿素催化剂载体43的温度,并把信号传递给ECU,当温度低于催化剂的最佳反应温度时,ECU控制加热电阻丝41工作对反应腔4加热,当温度高于催化剂的最高反应温度时,ECU控制加热电阻丝41停止工作,以保持适量的熔融的尿素并在在催化剂载体43上迅速生成氨气。
整个尿素反应腔可以置于尾气管道中,生成的氨气直接进行下一步的SCR反应,也可以把反应腔置于汽车尾气管道外,再收集氨气注入尾气管道的方法进行下一步的SCR反应。
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计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、本发明使用固态尿素所以可以应用在寒冷的低纬度地区;
3、本发明尿素计量精确、控制性强、设备简单、安全系数高;
4、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:本发明所述的固态尿素计量熔融生成氨气装置在ECU控制下的整体结构剖视图;
图2:尿素储料罐和尿素计量传导器的剖视图;
图3:尿素反应腔的剖视图;
图4:尿素甩桶及加热转动装置剖视图;
图5:置于尾气筒内部的固体尿素计量生成氨气装置示意图。
具体实施方式
实施例1:
参见图5以及结合图1,其中示出了根据本发明装置的一个方案,在这个方案中,固态尿素生成氨气的反应装腔4置于汽车排气筒内部。生成的氨气直接在尾气气流中混合流入SCR反应器8中进行下一步反应。
本实施方案中,尿素储料罐1的体积为10L,在尿素储料罐1内部的底端设置有尿素余量传感器11,尿素余量传感器11采用红外剂量传感器(可以选用类似日本SHARP生产的GP2Y0A41SK0F红外线测距传感器),当尿素余量传感器11检测到尿素余量传感器11内尿素的余量小于0.5L时,尿素余量传感器11通过信号传导线111将信号传送至ECU,ECU将该信息通过信号线110反应给汽车仪表,汽车仪表警示灯亮起,提醒驾驶员向尿素储料罐1中添加尿素。
当尾气开始排放时,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)采集尾气中NO浓度信号,并将尾气NO浓度信号通过信号线201传送给ECU。ECU通过计算NO浓度信号并通过信号线200控制第一可控转动电机2的角速度ω来控制尿素的导出量稳定工作后,尿素粉末已经充满整个传导器3(直径10mm,螺旋叶片间距离10mm,轴杆的直径为2mm),只要转动电机稍有转动就会有相应量的尿素粉末流出),如果某时刻ECU经过计算NO信号后ω值为0.2则根据公式V=ωL(R2-r2)/2计算出一秒内流出尿素量为0.192mL。
与此同时,ECU控制甩桶5以稳定的角速度5rad/s旋转并通过甩桶温度传感器51(可选用常用的热电阻温度传感器,如上海佳敏仪表有限公司生产的型号为PT100A的热电阻温度传感器)采集甩桶的温度,若甩桶5温度低于133度,ECU控制高频交流电流线圈6工作以对铁质材料的甩桶5进行加热;若甩桶5温度高于150度,则ECU控制线圈6停止工作以保证甩桶5的温度在133到150之间。这样由尿素计量传导器出口33流出的尿素在甩桶5的高温作用和离心力的作用下迅速融化并甩射在催化剂载体43上。催化剂载体43表面涂有HNCO水解催化剂SiO2-Al2O3促进异氰酸的水解以加快氨气的生成。H2N-CO-NH2(s)=NH3(g)+HNCO(g);HNCO+H2O=NH3(g)+CO2(g)。为保证反应的顺利进行和避免高聚物的产生,尿素反应腔4的温度在载体温度传感器42(可选用常用的热电阻温度传感器,如上海佳敏仪表有限公司生产的型号为WZP-291的传感器)、ECU、加热电阻丝41的协同控制下,维持在300度到400度之间。这样甩射在催化剂载体43上的尿素熔融液体迅速反应生成氨气并混合于尾气气流中,如图5所示,在SCR催化腔8中在SCR催化剂的作用下将尾气中的氮氧化物还原。
Claims (8)
1.一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置,其特征在于:由尿素储料罐(1)、第一可控转动电机(2)、固态尿素传动器(3)、熔融尿素反应器(4)、熔融尿素离心甩桶(5)、高频交流电流线圈(6)和第二可控转动电机(7)组成;固态尿素传动器(3)由带有出口(33)的传动器外壳(32)和位于传动器外壳(32)内的螺旋叶片传动轴(31)组成,第一可控转动电机(2)的外壳固定在传动器外壳(32)上,螺旋叶片转动轴(31)在第一可控转动电机(2)的带动下可在传动器外壳(32)中无阻碍转动;熔融尿素反应器(4)为一个具有前支架(441)和后支架(442)的圆桶形装置,在熔融尿素反应器(4)的内表面上环绕设置有尿素催化剂载体(43),熔融尿素离心甩桶(5)设置在尿素催化剂载体(43)围成的空腔区域内,且与熔融尿素反应器(4)共轴安装;固态尿素传动器(3)穿过前支架(441),其出口(33)位于熔融尿素离心甩桶(5)的中间位置,传动器外壳(32)固定在熔融尿素反应器(4)的前支架(441)上;第二可控转动电机(7)的外壳固定在熔融尿素反应器(4)的后支架(442)上,熔融尿素离心甩桶(5)在第二可控转动电机(7)的带动下在熔融尿素反应器(4)的内无阻碍转动,线圈(6)固定在后支架(442)上;加热电阻丝(41)缠绕在熔融尿素反应器(4)的外壁上,在尿素催化剂载体(43)的表面涂有HNCO水解催化剂SiO2-Al2O3,在熔融尿素离心甩桶(5)的侧壁设置有小孔(52)。
2.如权利要求1所述的一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置,其特征在于:尿素储料罐(1)的出口设置在固态尿素传动器(3)的前端侧面。
3.如权利要求1所述的一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置,其特征在于:第一可控转动电机(2)的外壳用螺丝固定在传动器外壳(32)上。
4.如权利要求1所述的一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置,其特征在于:尿素催化剂载体(43)为金属丝网或者蜂窝状结构。
5.如权利要求1所述的一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置,其特征在于:在尿素储料罐(1)内部的底端设置有尿素余量传感器(11)。
6.如权利要求1所述的一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置,其特征在于:尿素储料罐(1)内的尿素选择直径在0.5mm~1mm的尿素颗粒。
7.如权利要求1所述的一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置,其特征在于:螺旋叶片与传动器外壳(32)间的缝隙小于尿素颗粒的直径。
8.如权利要求1所述的一种应用于汽车尾气脱销的固体尿素计量生成氨气的装置,其特征在于:在尿素催化剂载体(43)上设置有载体温度传感器(42)。
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