CN103742238A - 一种尿素scr系统低温加热混合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种尿素SCR系统低温加热混合装置，加热混合装置安装在内燃机排气管路的尿素水溶液喷嘴段管路与SCR催化器的催化器前段管路之间，加热混合装置包括混合器以及设置在混合器外部的加热瓦，所述混合器的内径小于尿素水溶液喷嘴段管路的内径；所述加热瓦连接有电源。本发明通过在SCR催化器与尿素水溶液喷嘴之间的管路上连接加热混合装置的方式，改善了尿素SCR系统的低温适应性，并提高了进入SCR催化器的排气各种组分的混合均匀性；在排气温度较低的情况下，喷入排气管中的尿素仍然可以充分分解，保证SCR催化器的催化过程正常进行；避免了因排气温度较低而导致排气管内生成大量沉积物。

Description

一种尿素SCR系统低温加热混合装置
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域，特别涉及一种尿素SCR系统低温加热混合装置。
背景技术
以尿素水溶液作为还原剂的选择性催化还原（SCR）技术已成为降低内燃机氮氧化物（NOx）最为有效的技术之一，在机动车、工程机械、船舶等领域得到了广泛应用。SCR系统工作时，尿素水溶液通过喷射系统定量地喷入排气管中，在排气的高温作用下分解生成NH3，在SCR催化剂表面NOx被NH3还原生成N2。
理想情况下，尿素水溶液在进入催化器前可以完全分解。但在实际应用中，当发动机在低负荷下工作时，排气温度较低，尿素分解不完全或分解过程中发生副反应，容易在排气管内生成大量沉积物。这些沉积物可能堵塞尿素水溶液喷嘴和催化剂载体，降低SCR转化效率，影响催化剂活性，增大尿素消耗量，并给SCR系统控制带来难度。目前，如何解决在排气温度较低时排气管内生成沉积物的问题是SCR技术研究的难点和焦点。
试验研究和数值模拟均表明，在排气温度较低时（如低于250℃），尿素水溶液喷入排气管后容易和排气管内壁面发生碰撞，碰壁后的尿素水溶液在排气气流和重力的共同作用下向排气管下游流动，在法兰连接处和催化器入口处等液体容易聚集的地方积累，并形成局部低温，导致尿素结晶并生成沉积物。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：内燃机排气温度变化范围大，尿素SCR系统的低温适应性较差，容易在排气管道内生成大量的沉积物；温度较低时尿素无法充分分解，后续的降低NOx的催化反应也会受到阻碍，造成排气中NOx排放增加。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种尿素SCR系统低温加热混合装置，加热混合装置安装在内燃机排气管路的尿素水溶液喷嘴段管路与SCR催化器的催化器前段管路之间，加热混合装置包括混合器以及设置在混合器外部的加热瓦，所述混合器的内径小于尿素水溶液喷嘴段管路的内径；所述加热瓦连接有电源。
所述混合器与尿素水溶液喷嘴段管路之间形成一台阶面，所述混合器内壁的最低处高于尿素水溶液喷嘴段管路内壁的最低处。
所述混合器通过变径管道与催化器前端管路连接。
所述混合器、尿素水溶液喷嘴段管路、变径管道以及催化器前端管路之间均通过法兰连接，法兰与法兰连接处设有垫片。
所述加热瓦安装在混合器外围，对混合器的排气管壁面进行局部加热。
加热瓦外围包裹有隔热材料，以减少加热瓦加热时向周围环境散热造成的热量损失。
加热瓦与电源之间还连接有温控仪，所述温控仪根据排气温度的高低控制加热瓦是否加热；所述温控仪将排气温度与预设温度进行比较，若所测排气温度低于预设温度，则打开电源对加热瓦进行加热，促使聚集在混合器附近的尿素分解，若所测排气温度高于预设温度，则加热瓦不加热；温控仪可以通过温度传感器测量排气温度，也可以与发动机电子控制系统进行通讯获得排气温度。
（三）有益效果
上述技术方案具有如下优点：通过在SCR催化器与尿素水溶液喷嘴之间的管路上连接加热混合装置的方式，可以提高尿素SCR系统的低温适应性，避免因排气温度过低而导致排气管内生成大量沉积物；在排气温度较低的情况下，喷入排气管中的尿素仍然可以充分分解，以保证SCR催化器的催化过程正常进行。
附图说明
图1是本发明实施例所述尿素SCR系统低温加热混合装置安装在发动机排气系统上的结构示意图；
图2是本发明实施例所述加热混合装置的局部放大示意图；
图3是本发明实施例所述发动机台架示意图；
图4是本发明实施例所述低温加热混合装置在不加热和加热两种状态下，经SCR催化器反应后的排气中所含NOx体积浓度对比。
其中，1、法兰；2、尿素水溶液喷嘴；3、尿素水溶液喷嘴段管路；4、垫片；5、加热瓦；6、混合器；7、变径管道；8、催化器前端管路；9、SCR催化器；10、催化器后端管路；11、测功机；12、燃油进口；13、油耗仪；14、内燃机；15、进气流量计；16、傅里叶变换红外光谱分析仪；17、柴油机氧化催化器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1-2所示，SCR催化器9的进、出口通过法兰1分别连接有催化器前端管路8和催化器后端管路10，催化器前端管路8连接有变径管道7，变径管道7连接有混合器6，混合器6外围安装有加热瓦5，加热瓦5外围包裹有隔热材料，以减少加热时加热瓦5向环境散热造成的热量损失。混合器6连接有尿素水溶液喷嘴段管路3，尿素水溶液喷嘴段管路3上安装有尿素水溶液喷嘴2；加热瓦5还连接有温控仪，温控仪连接有电源。
各段管路之间均通过法兰1连接，法兰1与法兰1之间连接有垫片4。SCR催化器9前端管路8连接变径管道7内径较大的一端，变径管道7另一端的内径与混合器6的管路内径相同。混合器6的管路内径小于尿素水溶液喷嘴段管路3的内径；由于尿素水溶液喷嘴段管路3与混合器6同轴固定，尿素水溶液喷嘴段管路3与混合器6的连接处会形成一台阶面，混合器6的管路内径最低处要高于尿素水溶液喷嘴段管路3内径的最低处，该结构可以将尿素水溶液喷嘴2喷出的未雾化的尿素水溶液聚集到台阶面处，然后通过加热瓦5加热，使尿素分解，减少管路内的沉积物生成，并促使SCR催化器9内的反应能够充分进行。温控仪连接有温度传感器，温度传感器实时测量管路内的排气温度，并将测量值反馈给温控仪。温控仪可以通过温度传感器测量排气温度，也可以与发动机电子控制系统进行通讯获得排气温度。温控仪设定是否需要加热的限值，如设定为250℃。当排气温度低于250℃时，温控仪接通电源，在尿素水溶液聚集处利用加热混合装置对其进行局部加热，促使尿素按正常反应分解，从而有效减少沉积物的生成，提高尿素SCR系统的低温适应性能。当排气温度高于250℃时，温控仪关闭电源，加热瓦5停止加热，以节省电能，此时喷入的尿素在较高的排气温度作用下可以较为充分地分解。
为减少排气节流损失，混合器6通过变径管道7与催化器前端管路8连接。混合器6的导流叶片有助于排气中各种组分混合均匀，特别是将NOx、NH3和雾化的尿素水溶液混合均匀，有助于提高SCR催化器9的转化效率。
加热瓦5安装在混合器6外围，在排气温度较低、需要加热时，加热瓦5可以对存在尿素和沉积物积累的局部排气管壁面进行加热，能量利用率高。
下面在一台国IV柴油机上，对本发明所述的一种尿素SCR系统低温加热混合装置进行试验。发动机台架示意图如图3所示。内燃机14气体入口处设有进气流量计15，排气管道顺序连接有柴油机氧化催化器17、带加热瓦5的混合器6和SCR催化器9；柴油机氧化催化器17与混合器6之间的管道上连接有尿素水溶液喷嘴2；傅里叶变换红外光谱分析仪16对SCR催化器9后的排气采样并对其中NOx浓度进行测量；混合器6外围的加热瓦5连接有温控仪和加热用电源。内燃机14与燃油进口12之间的燃油管路上连接有油耗仪13；内燃机14还连接有测功机11和中冷器。
图3中，实心箭头表示中冷器内液体流动方向，空心箭头表示内燃机14以及排气管路中气体的流动方向。试验中，排气温度用K型热电偶测量，SCR催化器9后的NOx浓度用傅里叶变换红外光谱分析仪16进行测量。试验所用尿素水溶液为质量浓度为32.5%的车用尿素水溶液。
试验所用发动机特征和参数参见表1，柴油机氧化催化器（DOC）17和SCR催化器9的催化剂参数参见表2。
表1
气缸数 6
缸径 108mm
行程 130mm
排量 7.14L
压缩比 18
柴油喷射系统 高压共轨
额定功率 199kW(2300r/min)
最大转矩 1000Nm（1400r/min）
表2
DOC催化剂 SCR催化剂
长度 152.4mm 304.8mm
直径 266.7mm 266.7mm
总体积 8.5L 17L
孔目数 400cpsi 400cpsi
壁面厚度 0.18mm 0.18mm
试验中，发动机在2237r/min、104Nm的稳态工况下工作。该工况下，发动机的排气温度稳定在190℃，排气质量流量保持为660kg/h，即对SCR催化剂的空速为30000h-1。在加热瓦5加热和不加热两种情况下，分别让发动机持续运行30分钟，对比两者的试验结果。
试验表明：在加热瓦5不加热的情况下，发动机运行30分钟后，在尿素水溶液喷嘴段管路3和混合器6的连接处生成了大量的沉积物。而在排气温度低于250℃加热瓦5就加热的情况下，发动机运行30分钟后，该段管路上几乎没有沉积物生成。
试验中，在加热瓦5不加热和加热两种情况下，对比了尿素水溶液喷射后SCR催化器9处理后排气所含NOx体积浓度的变化，结果如图4所示。
试验表明，加热瓦5加热时，SCR催化器9后NOx浓度降低幅度更大，说明加热有助于提高SCR催化器9在低温时的NOx转化效率。
以上试验结果表明，本发明所述的一种尿素SCR系统低温加热混合装置可有效减少SCR系统管路中低温沉积物的生成，从而有效改善尿素SCR系统的低温适应性能；同时也有助于提高SCR系统在排气温度较低时的NOx转化效率。
由以上实施例可以看出，本发明采用在内燃机14排气管路的SCR催化器9与尿素水溶液喷嘴2之间安装所述低温加热混合装置的技术方案，该方案对发动机排气系统的改动少，成本低，对发动机排气影响小；解决了尿素水溶液在排气温度较低情况下容易生成沉积物的问题，在有效地提高尿素SCR系统的低温适应性能的同时，减少了低温沉积物的生成；提高了SCR系统的NOx的转化率，使排气中的NOx含量进一步减少，有利于环保。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种尿素SCR系统低温加热混合装置，其特征在于，加热混合装置安装在内燃机排气管路的尿素水溶液喷嘴段管路与SCR催化器的催化器前段管路之间，加热混合装置包括混合器以及设置在混合器外部的加热瓦，所述混合器的内径小于尿素水溶液喷嘴段管路的内径；所述加热瓦连接有电源。
2.如权利要求1所述的一种尿素SCR系统低温加热混合装置，其特征在于，所述混合器与尿素水溶液喷嘴段管路之间形成一台阶面，所述混合器内壁的最低处高于尿素水溶液喷嘴段管路内壁的最低处。
3.如权利要求2所述的一种尿素SCR系统低温加热混合装置，其特征在于，所述混合器通过变径管道与催化器前端管路连接。
4.如权利要求3所述的一种尿素SCR系统低温加热混合装置，其特征在于，所述混合器、尿素水溶液喷嘴段管路、变径管道以及催化器前端管路之间均通过法兰连接，法兰与法兰连接处设有垫片。
5.如权利要求1所述的一种尿素SCR系统低温加热混合装置，其特征在于，所述加热瓦安装在混合器外围，对混合器的排气管壁面进行局部加热。
6.如权利要求5所述的一种尿素SCR系统低温加热混合装置，其特征在于，加热瓦外围包裹有隔热材料，以减少加热瓦加热时向周围环境散热造成的热量损失。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种尿素SCR系统低温加热混合装置，其特征在于，加热瓦与电源之间还连接有温控仪，所述温控仪根据排气温度的高低控制加热瓦是否加热；所述温控仪将排气温度与预设温度进行比较，若所测排气温度低于预设温度，则打开电源对加热瓦进行加热，促使聚集在混合器附近的尿素分解，若所测排气温度高于预设温度，则加热瓦不加热。
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