CN103635667A - 带有加热元件的用于选择性催化还原的罐 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种包含水基或溶剂基溶液、分散体或者乳液的罐。该罐包含浸入在溶液、分散体或乳液中的电阻加热元件。该电加热元件在该罐中提供有电流。该电阻加热元件包含织物和至少一个电加热丝。该电加热丝固定到该织物上，并且该电加热丝包含金属丝或者金属纤维。

Description

带有加热元件的用于选择性催化还原的罐
技术领域
本发明涉及用于选择性催化还原系统(SCR)的罐和用于它的电阻加热系统。这种罐例如用于轿车中，并且包含用于催化还原的还原剂或者用于该还原剂的前体。本发明的电阻加热元件浸入罐中，并且包含织物，该织物作为电加热丝固定其上的载体。
背景技术
许多国家已经设立法律，其中包括对于内燃机驱动的车辆的废气中氮氧化物(NOX)的排放进行最大限制。降低废气中NOX量的一种方法是使用选择性催化还原(SCR)。在SCR系统中，将废气中的NOX经由还原性化学反应转化成氮气和水。该转化包括使用还原剂的催化反应。氨经常被用作还原剂。通过分解含有氨或者尿素的前体溶液来获得氨。将该前体液体注入到废气流中。为此目的，轿车具有一个或多个含有前体液体的罐。这种前体液体的一个例子是AdBlue(VDA，Verband der Automobilindustrie的商标)，它是含有32.5%尿素的水基溶液的商业名称。其他例子是尿素/甲酸氨溶液(例如以商业名称Denoxium销售)。这种前体溶液是高腐蚀性的。
多数水基前体溶液会在自然存在的温度冻结(例如，32.5%尿素的水基溶液在-11℃冻结)。所以当罐中的前体液体冻结时，需要加热元件来解冻该前体罐。该加热元件也可以用于将前体液体加热到合适的运行温度。
要浸入到SCR罐中的加热系统必须符合许多要求。第一要求是该加热系统必须能够产生足量的热，以在足够短的时间内解冻和/或加热所需量的液体。所需的热量取决于罐的容积，和具体取决于罐能够容纳的前体液体的最大量。加热元件的尺寸必须限制为在罐中留下足够的空间，以使得该罐容纳足够体积的前体液体，而不使罐和罐内和周围的附件变得庞大。要求加热首先在泵周围进行，该泵将前体液体从罐中泵出，但是罐的其他区域也必须解冻和加热。优选该加热系统可以加热罐的不同区域(例如，罐中的远端区域或者与罐的其他区域物理分开的区域)。解冻应当不仅在泵周围进行，而且在其他区域中进行，以使得前体液体在泵处和朝向泵处可以利用。罐可能设计复杂，在罐中具有不同的附件(泵、传感器……)。浸入罐中的加热系统在将能量(热)传递到(冻结的)前体液体方面非常有效。但是，浸入的加热系统也应当耐受罐中的条件：腐蚀性前体(或者挥发性组分，例如氨)，并且所用的温度可能达到超过100℃。要求加热元件具有长的使用期限，它的特性(包括产生热)不随时间而改变。电(电阻)加热系统必须是能量有效的，并且必须能够不需要来自车辆电池的(过)大量能量而运行，这在当车辆在寒冷气候条件下启动时特别重要。SCR系统的制造倾向于易于安装的加热系统。
已经开发了许多不同的系统来解冻和加热容纳前体液体的罐。一些系统包括独立的电阻加热元件或者热液体或热气体绕过罐周围或者穿过罐的旁路。通常该加热系统是复杂和昂贵的。
WO2008/138960描述了尿素罐和具有集成的加热元件的底板，其中该加热元件包括至少一个柔性部件，其优选由固定在柔性膜上和/或置于两个柔性膜层之间的电阻轨道组成。一个缺点是复杂的加热组成，另一缺点是虽然使用柔性膜，但是加热元件的刚性仍然相当高。后者使得更难以将加热元件安装到罐中，特别是罐的远端区域中。液体流不可能穿过该膜，这限制了罐中的流体流动能力。罐中的液体流动有利于均衡罐中温度和提高解冻过程的效率。
EP-A1-2216524公开了尿素滤网，其包括用于从送过其中的尿素中除去杂质的筛网和用于在尿素送过该筛网时加热尿素的可加热丝。将尿素提供到柴油机的排放控制系统。该加热元件的一个缺点是仅可以对罐中局部加热。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进的电阻加热系统的选择性催化还原(SCR)罐。一个具体目的是提供具有电阻加热元件的SCR罐，其具有大的设计自由度，以使得在设计上，可以预见在需要最多热时在罐中产生足够的热。
本发明的SCR罐的加热系统满足耐久性要求(耐腐蚀性和使用期限)，因为加热元件的电阻在加热元件的使用期限内保持足够的恒定。该加热系统具有更高的柔性(=更低的刚性)，有利于在罐中的安装，特别是在罐中远端区域的安装。
本发明涉及一种包含水基或溶剂基溶液、分散体或者乳液的罐。该罐包括浸入到所述溶液、分散体或者乳液中的电阻加热元件。该电阻加热元件在该罐中提供有电流。该电阻加热元件包括织物和固定在该织物上的至少一个电加热丝。一个或多个电加热丝的至少一个包含金属丝或者金属纤维。优选全部电加热丝包含金属丝或者金属纤维。
罐可以由任何合适的材料制成，优选由对于所容纳的前体液体(例如尿素)具有高耐化学性的材料制成。金属和塑料例如聚烯烃(特别是高密度聚乙烯)和聚酰胺是非常合适的。罐可以使用任何适于制造空心物体的方法制成。对于制造塑料罐，例如吹塑和注塑的工艺特别合适。
罐可以例如具有1-25升；例如3-22升；例如4-15升的最大容积。本发明特别有益于容积范围更高的罐(例如大于10升的罐)。罐容积越大，解冻和加热罐中的液体量越困难。
罐可以包含用于选择性催化还原(例如用于氮氧化物的催化还原)的前体。罐可以例如包含32.5%尿素的水基溶液。这种水基溶液的一个例子是已知的商业名称AdBlue。其他例子是水基尿素/甲酸氨溶液(例如以商标Denoxium销售)。尿素/甲酸氨溶液的好处是冻结温度比32.5%尿素溶液低，但是具有会形成甲酸的缺点，导致高腐蚀性条件。
优选织物位于罐中，以符合双曲面或者三维表面。该实施方案的一个益处是能够以容易和灵活的方式加热加热罐的不同区域(包括罐的远端区域)。织物可以具有任何形状，例如正方形、矩形，或者具有分叉和/或部分，它可以具有凸起或者凹进形状。提供双曲面或者三维表面可以例如通过切割和折叠织物的分叉，每个分叉包含部分加热丝，和/或通过将织物以弯曲方式覆盖在罐中，由此不同于平坦的二维织物。还可能的是织物的部分经过在多于一个平面内弯曲而被赋予三维形状。因此，织物或者织物的部分(具有固定到其上的加热丝)可以在罐中产生双弯曲形状。通过这样的方式，加热可以更集中于罐中的特定位置。
优选织物是开放织物。开放织物表示覆盖系数明显低于1(表示低于0.9)的织物。覆盖系数是织物的纱线所覆盖的表面相比于织物所覆盖的面积的分数。对于覆盖系数等于1的织物，全部表面被纱线覆盖，在构成织物的纱线之间没有开放空间；覆盖系数等于0.5时，一半表面被纱线覆盖，一半表面没有被覆盖，其中在构成织物的纱线之间存在着空间。
在本发明中，优选使用覆盖系数低于0.7，更优选覆盖系数低于0.6的织物。
使用开放织物(特别是覆盖系数低于0.7和更特别覆盖系数低于0.6)的一个具体的好处是加热元件允许足够的流体穿过该织物在罐中流动。这种流体流动会在罐中存在温差时发生。该流体流动有助于均衡SCR罐中流体温度。
在一个具体的实施方案中，该织物是机织物。优选该织物具有平纹组织或者斜纹组织。能够使用的组织的其他例子是沙罗组织，其将经纱彼此缠绕来获得在经纱和纬纱之间更稳固的结合。具有沙罗组织的织物具有更好的抗剪切变形性和抗织物中纱线移位性，因此防止织物扭曲。
部分或全部的经纱和/或部分或全部的纬纱可以是单丝，例如聚酰胺6或聚酰胺6.6或聚乙烯或聚丙烯或PEEK(聚醚醚酮)或PTFE(聚四氟乙烯)。可选地，部分或全部的经纱和/或部分或全部的纬纱可以是带，例如聚乙烯带或聚丙烯带。也可以使用玻璃丝。使用纱线(例如PEEK或PTFE)允许罐中运行温度高，这归因于这种材料的耐高温性。
在一个可选的实施方案中，该织物是针织物，例如经编针织物。经编针织物可以包含在纬向和/或经向上的衬垫纱。经编针织物可以例如包含衬垫在经编针织物的整个宽度上的纬纱。经编针织物还可以包含在织物生产方向上直线衬垫的固定经纱(standing warp yarn)。在经编工艺中已知的是用构成针织组织的一组或多组经纱固定衬垫纱。经编针织物可以包含单丝或带或扁丝(tape yarn)。能够使用的材料例如是聚酰胺6、聚酰胺6.6、聚乙烯、聚丙烯、PEEK(聚醚醚酮)，PTFE(聚四氟乙烯)……。也可以使用玻璃丝。使用纱线(例如PEEK或PTFE)允许罐中运行温度高，这归因于这种材料的耐高温性。
本发明所用的织物具有所需的弹性柔性，目的是以所需方式和位置来将电阻加热元件容易地安装到加热罐中，甚至当该织物需要安装来在罐中形成双曲面或者三维表面时也是如此。使用针织物(例如经编针织物)的益处是进一步更高的柔性，因为该织物能够更容易地弹性变形，这有益于安装在罐中。
织物可以是涂覆织物，例如用硅酮或聚氨酯或者用另外的合适的聚合物涂覆，来提高耐化学品性。还可以在将电加热丝固定到织物上之后涂覆该织物。该织物可以包括纱线。优选织物中的一组或多组纱线是单丝。如果该织物包含热塑性纤维、热塑性纱线或者热塑性单丝，则它可以是热稳定的。还可以对织物进行热处理，以使得该热塑性纤维、热塑性纱线或者热塑性单丝在它们的接触点彼此粘合。
当在织物上提供聚合物涂层时，该聚合物涂层为该织物提供了改进的耐化学品性和耐腐蚀性。该聚合物涂层还为该织物提供了更好的耐扭曲性或者耐损坏性，例如织物中纱线位置例如由于剪切而引起的永久扭曲。当使用开放织物时(特别是覆盖系数低于0.7和当然覆盖系数低于0.6时)，这是特别重要的，因为这种开放织物会容易受到扭曲或者损坏(例如在织物中形成孔)。该涂层提供了更高的耐剪切变形性。防止剪切变形的一种可选方式是织物中的热塑性纤维、热塑性纱线或者热塑性单丝的热粘合。
织物可以例如用聚氨酯涂层涂覆。为了获得在使用期限方面优异的性能，可以使用硅酮涂层或者含氟涂层。能够用于本发明的含氟涂层的例子是PFA(全氟烷氧基树脂)、MFA(四氟乙烯)，全氟甲基乙烯基醚；PPS(聚苯硫醚)，FEP(氟化的乙烯丙烯)，ETFE和PTFE(聚四氟乙烯)。
本发明的一个益处是电加热元件是柔性的，易于弯曲。该电加热丝可以以一个或多个轨道固定在织物(其充当了电加热丝的载体)表面上，以使得罐不同区域中所需的发热能够容易地确定。这意味着功率密度(发热密度)可以根据在罐中位置来确定。
优选金属纤维或者金属丝的直径是50-250微米。
优选加热丝的当量直径是0.6-2mm。当量直径表示与所考虑的丝的截面(其不必是完美的圆形)具有相同的截面积的完美圆形丝的直径。较细的金属丝的益处是能够获得更大柔性的加热丝。
在一个具体的实施方案中，将许多金属纤维和/或金属丝(并且任选与非金属纤维或非金属丝相组合)捻成股。几个相同或者不同的股可以捻在一起。根据本发明，可以使用这种股或者股的组合作为电阻加热丝。这种组合的加热丝的一个益处是它们柔性非常好，这使得它们能够固定在织物上。这允许在织物上提供具有更短弯曲的加热丝，当开发具有作为SCR罐设计的函数的合适的几何发热的加热元件时是有益的。
优选织物上的加热丝的总长是0.8-20米，更优选3-12米，进一步优选5-7.5米。可以固定多于一个的加热丝(并联或串联)到织物上，由此在织物上产生多于一个的加热回路。例如，可以在罐中提供每个7.2米长的两个加热回路。第一回路可以提供在紧挨在泵下面(该泵例如位于罐中间)和第二回路处于罐的其余容积中。还可以将固定在织物上的加热丝与置于罐中的一个或多个加热丝组合。
金属丝或者金属纤维可以包含层，该层为该金属丝或者金属纤维提供耐腐蚀性。该层可以是聚合物层(例如聚氨酯层)，或者金属氧化物层，或者另外的更耐腐蚀的金属(例如锌或锡或镍或不锈钢)的层。
金属丝原则上具有无穷的长度，而金属纤维具有特定的有限长度或者长度分布。几种类型的金属丝或者金属纤维可以用于本发明。能够用于本发明的这种金属丝或者这种金属纤维的例子是：
-丝或者纤维，其具有铜或铜合金层和钢包围层的。该包围层优选是不锈钢；
-丝或者纤维，其具有钢层，具有铜或铜合金包围层，并且再次被镍、锌或锡层所包围；
-丝或者纤维，其具有不锈钢层或者具有不锈钢作为唯一的金属层；
-镍超级合金(例如铬镍铁合金(Inconel)或者哈司特莱镍基合金(Hastelloy))；镍超级合金的益处是它们的耐腐蚀性甚至比不锈钢更高。
-丝或者纤维，其具有钢(不锈钢、低碳钢或高碳钢)层，其被更耐腐蚀的金属如镍、锌或锡的层所包围；
-丝或者纤维，其包含至少一个铜或铜合金(例如铜-镍合金)层，或者由铜或铜合金组成；这种丝可以包含更耐腐蚀的金属如镍、锌或锡的包围层。
低碳钢是一种钢等级，其全部合金元素的重量百分比低于0.5%(很显然除了铁和可能除了硅和锰之外)，例如低于0.2重量%；和碳的重量百分比低于0.3%。本发明有利地使用碳的重量百分比低于0.2%，甚至更优选碳的重量百分比低于0.06%的低碳钢等级。
高碳钢是一种钢等级，具有0.3-1.7的碳重量百分比。本发明有利地使用碳的重量百分比为0.4-0.95%，甚至更优选碳的重量百分比为0.55-0.85%的高碳钢。高碳钢可以包含合金元素。
优选电阻加热丝的最小弯曲半径小于加热丝直径的1.5倍。最小弯曲半径是通过用手产生尽可能短的弯曲来确定的。这个弯曲的半径(其是最小弯曲半径)可以以诸多方式来测定。一种方式是使用厚度规，寻找能够放入丝的弯曲中的最厚的规。
当加热丝是柔性的时，当它能够容易地弯曲时，是有益的。加热丝可以固定到织物上，并且加热丝具有更尖锐或者更小的弯曲，这对于织物上的功率密度是有益的。电阻加热元件柔性更大具有另一益处，这有利于它在罐中插入和定位。在罐中提供符合双曲面或者三维表面的织物也更容易。
电阻加热丝优选包含聚合物涂层。聚合物涂层的作用是为电阻加热丝提供改进的耐腐蚀性(以及耐电化学腐蚀性)。当沿着一个或多个加热丝的两个位置在SCR罐中接触时，电阻加热丝上的涂层防止短路。应当提及的是，加热丝固定在织物上已经防止了不想要的加热丝接触。
能够使用的涂层的例子是硅酮涂层。能够使用的涂层的其他例子是TPE(热塑性弹性体)、聚氨酯和聚酰胺。
在本发明的一个具体的实施方案中，加热丝包含含氟的聚合物涂层。对于用于SCR罐而言，加热丝上的氟涂层具有良好的耐化学品(腐蚀)性和耐温性，其中在使用过程中温度可以高达例如150℃。能够用于本发明的含氟涂层的例子是PFA(全氟烷氧基树脂)、MFA(四氟乙烯)、全氟甲基乙烯基醚、PPS(聚苯硫醚)、FEP(氟化乙烯丙烯)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)和PTFE(聚四氟乙烯)。
含氟聚合物具有耐高温性和优异的耐腐蚀性。
对于用于具有尿素或者氨前体的SCR系统来说，PFA、MFA和ETFE已经被证实了为电阻加热丝提供了最好的使用期限，例如优于TPE(热塑性弹性体)。
为了提供耐腐蚀性，具有金属氧化物或者具有更耐腐蚀的材料(例如锌、锡、镍或者不锈钢)的层作为外金属层的金属丝或者金属纤维与加热丝的聚合物涂层相组合，已经表现出非常有益。聚合物涂层提供耐腐蚀性，但是不能完全防止腐蚀性气体(例如氨)扩散通过该聚合物涂层。所以金属纤维或者金属丝的耐腐蚀外金属层是优选的。仅具有一个耐腐蚀外金属层时，存在着发生电化学腐蚀的风险，其可以通过电阻加热丝上或者单个的金属纤维和/或金属丝上的聚合物涂层来防止，并且提供加热元件最大的使用期限。
当在加热丝上提供聚合物涂层时，该涂层优选的厚度是0.15-0.6mm。加热丝的涂层的一个重要功能(除了提供耐电化学腐蚀性、耐高温性和改进耐久性之外)是确定加热丝的厚度以限制加热丝单位表面积上的发热，例如0.3-0.9W/cm2，更优选0.35-0.6W/cm2。需要这种发热的限制来防止前体液体变得局部过热，局部过热将导致产生气态产物(例如过量产生气态氨)。结果是罐中压力将增加和加热丝的使用期限将降低，这归因于穿过涂层的扩散的增加。涂层越厚，加热丝单位表面积上的发热将越低。例如铜是更好的导体，但是将需要更厚的涂层来满足对加热丝单位表面积上发热限制的要求。
电阻加热丝(或多个电阻加热丝)固定在织物上可以例如经由依靠缝合纱线的缝合来进行，或者依靠焊接(例如超声波焊接到包含热塑性聚合物的织物上)来进行。经由预定的图案进行固定。该图案通过罐的形状等其他原因来选择。
在固定电阻加热丝(或多个电阻加热丝)后，从织物切割或者冲压出形状。
在本发明的一个具体的实施方案中，将一个或多个加热丝缝合到织物上。为此目的，可以使用刺绣工艺。使用一个或多个缝合纱线来将加热丝缝合到织物上。能够使用的缝合纱线的例子是聚酰胺6.6、聚酰胺6、PTFE和PEEK。使用PTFE或PEEK缝合纱线的益处是在罐中较高的运行温度是可能的和允许的，这归因于PTFE和PEEK的耐高温性。
本发明的另一方面是本发明所述的罐在选择性催化还原中的用途。该罐例如包含用于此目的之尿素或氨前体。
附图说明
图1显示了能够用于本发明的电阻加热元件的一个例子。
具体实施方式
作为一个例子，提供了罐，其由聚乙烯制成，并且包含32.5%尿素的水基溶液和浸入该溶液中的电加热元件。
图1显示了能够用于本发明的电阻加热元件10的一个例子。织物12根据确定的图案，如具体根据罐和罐中的附件(例如泵)，来切割或者冲压。区域14例如将位于罐中中心泵外壳周围。电加热丝16依靠缝合纱线18缝合到织物上。电阻加热元件可以依靠触点19连接到电源上。优选在冲压或者切割织物图案之前将加热丝固定在织物上。该织物(具有固定于其上的加热丝)可以按照双曲面表面或者三维表面存在于罐中。为此目的，两个分叉可以例如在罐中弯曲来占据罐中具体的位置。
电阻加热元件可以包含由聚酰胺6.6单丝制成的机织物。聚酰胺6.6单丝的直径是350μm和具有圆形截面。该织物以2/1斜纹组织来编织。该织物的纱罗开口是590μm。该织物的覆盖系数是0.605。该织物的质量是300g/m2和该织物的厚度是750μm。在编织后，该织物已经进行了热稳定化。
例如使用PTFE(聚四氟乙烯)缝合纱线将加热丝缝合在织物上。一个或多个加热丝在织物表面上的定位尤其是通过在罐中不同区域的发热要求和通过罐形状等来确定。在将加热丝缝合到织物上后，将该织物切割或者冲压为一定尺寸和形状。形状通过罐的设计和通过罐中需要加热之处来确定。
在一个例子中，缝合在织物上的是由金属丝制成的加热丝，该金属丝具有铜芯和不锈钢护皮。铜在金属丝中的体积百分比是34%。将该金属丝单端拉伸到直径为0.058mm；该丝的电阻是18.3欧姆/米长度(在20℃)。将这些丝的七根捻在一起形成股。将这些股的十二根捻在一起来形成加热丝。该加热丝的电阻是0.22欧姆/米长度(在20℃)。加热丝具有PFA(全氟烷氧基树脂)涂层来尽可能抵制SCR罐中的腐蚀效应。该加热丝涂覆有PFA(全氟烷氧基树脂)涂层(厚度0.40mm)。该加热丝在涂覆后直径是1.45mm。例如，将每个7米长加热丝的两个回路依靠PTFE(聚四氟乙烯)缝合纱线缝合到织物上。
在另一例子中，加热丝包含金属丝，该金属丝具有钢层，用铜层包围，并且再次用镍、锡或锌的层包围。例如，使用由镍层包围的CCS30(具有例如相对于金属丝的总重量为4重量百分比的镍)。将十九根这种金属丝(每个直径0.135mm)捻在一起来形成当量直径为0.76mm的丝。在该丝周围施涂厚度0.35mm的PFA涂层。该电加热丝的电阻是0.219欧姆/米长度(在20℃)，并且被缝合到织物上。

Claims (15)

1.包含水基或溶剂基溶液、分散体或者乳液的罐，该罐包含浸入在所述溶液、分散体或者乳液中的电阻加热元件，
该电阻加热元件在该罐中提供有电流，
其中该电阻加热元件包含织物和至少一个电加热丝，和
其中该电加热丝固定到该织物上，和
其中该电加热丝包含金属丝或者金属纤维。
2.权利要求1的罐，其中该水基或溶剂基溶液、分散体或者乳液包含用于选择性催化还原的前体，例如用于催化还原氮氧化物的前体。
3.前述权利要求任一项的罐，其中该织物按照双曲面或者三维表面存在于罐中。
4.前述权利要求任一项的罐，其中该织物是开放织物，优选具有低于0.7的覆盖系数。
5.前述权利要求任一项的罐，其中该电加热丝包含聚合物涂层。
6.权利要求5的罐，其中该电加热丝的聚合物涂层包括硅酮涂层。
7.权利要求5的罐，其中该电加热丝的聚合物涂层包含含氟涂层。
8.前述权利要求任一项的罐，其中该金属丝或者金属纤维的至少部分
-包含铜或铜合金层和钢包围层；
-包含钢层，其带有铜或铜合金的包围层，并且被镍、锌或锡或者这些金属的合金的层所包围；
-包含低碳钢或高碳钢层，其具有镍、锌或锡或者这些金属的合金的包围层；
-包含一个或多个不锈钢复丝。
9.前述权利要求任一项的罐，其中该电加热丝的最小弯曲半径小于该电加热丝的直径的1.5倍。
10.前述权利要求任一项的罐，其中该织物包含聚合物涂层。
11.前述权利要求任一项的罐，其中该织物是机织物或者经编针织物。
12.前述权利要求任一项的罐，其中该织物包含作为纱线的单丝。
13.前述权利要求任一项的罐，其中该电加热丝缝合到该织物上。
14.前述权利要求任一项的罐的用途，其中该罐是选择性催化还原罐。
15.权利要求14的罐的用途，其中该罐包含尿素或者氨前体。
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