CN104074577B - 一种提高柴油机scr系统尿素热解水解效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法。具体为：尿素溶液箱中尿素溶液被泵出，Na₂CO₃溶液箱中Na₂CO₃溶液被泵出，过滤后分别送到尿素溶液计量器，电控单元根据柴油机工况，控制尿素溶液计量器计量出一定量的尿素和Na₂CO₃的混合溶液，控制Na₂CO₃添加的浓度为10~30ppm，该混合溶液通过尿素喷嘴进入排气管。尿素在排气管混合区遇到高温，在Na₂CO₃的辅助作用下，释放出尿素中80%以上的NH₃，与柴油机排出的NOx充分混合后进入SCR选择性催化还原装置内部，NH₃和NOx反应生成N₂和H₂O，排入大气中。本发明在尿素溶液中添加少量Na₂CO₃，大幅提高了尿素热解中间产物HNCO生成NH₃的水解率，有利于尿素快速高效地释放其中的NH₃，使NOx净化效率曲线显著往低温方向扩展，NOx净化效率得以明显提高，显著改善了柴油机尾气NOx排放的净化效果。

Description

一种提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法

技术领域

本发明属于柴油机尾气后处理技术领域，具体涉及一种采用碳酸钠（Na₂CO₃）辅助提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法。

背景技术

柴油机以其良好的经济性和动力性，广泛地应用于交通运输、农业机械和工程机械等领域。但是柴油机的氮氧化物（NOx）排放较高，对环境和人体都有很大的危害，除采用先进的机内措施降低NOx排放量以外，必须对柴油机排出的NOx采取机外后处理净化措施技术，才能满足未来更为严格的排放法规。

氨气（NH₃）选择性催化还原技术SCR(SelectiveCatalyticReduction)（简称NH₃—SCR技术）是柴油机NOx排放后处理的一种主要技术路线，可以有效改善柴油机NOx的排放，并对柴油含硫量不敏感。该技术通过在排气管中喷入一定浓度的尿素（CO(NH₂)₂）溶液，与尾气混合后一同进入SCR装置，在催化剂的作用下，由尿素经热解反应和水解反应后产生的NH₃和NOx发生化学反应，将NOx还原为氮气N₂和水H₂O。该过程的主要化学反应包括有尿素热解反应、尿素水解反应、标准SCR反应、快速SCR反应、慢速SCR反应。

尿素热解反应：

CO(NH₂)₂→NH₃+HNCO(1)

尿素水解反应：

HNCO+2H₂O→NH₃+CO₂(2)

标准SCR反应：

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O(3)

快速SCR反应：

4NH₃+2NO₂+2NO→4N₂+6H₂O(4)

慢速SCR反应：

8NH₃+6NO₂→7N₂+12H₂O(5)

该系统在工作时，尿素罐中的尿素溶液被泵出，加压过滤后送到计量喷射单元，然后喷入排气管中，尿素在排气管遇到高温。理想情况下：（1）首先，发生尿素热解反应分解成NH₃和异氰酸（HNCO），尿素中50%的NH₃被释放出来；（2）然后，HNCO再经过水解反应生成NH₃和H₂O，从而将尿素中100%的NH₃全部释放出来；（3）最后，在SCR催化器内部的反应区内，NH₃和NO_x反应生成N₂和H₂O，排入大气中。一般柴油机的排气温度在300～500℃范围内，正好能满足NO_x还原所需的温度条件。

在目前已有的SCR技术中，尿素热解的中间产物HNCO，只有在进入SCR催化器内部的反应区后，在SCR催化剂的作用下，才能水解成NH₃。然后，这部分由HNCO释放出的NH₃，才能与NOx进行还原反应，从而导致这部分NH₃和NOx可以用于化学反应的时间变短，从而不利于NOx的净化。

发明内容

本发明目的是提供一种提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法，在尿素溶液添加少量Na₂CO₃溶液、提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法。为了提高SCR装置中NH₃对NOx的还原能力，采取该辅助措施，使喷入排气管的尿素溶液喷雾在进入SCR催化器前，大幅提高尿素热解中间产物HNCO生成NH₃的水解率，从而充分释放其中的NH₃，有利于NOx的净化。

本发明提出的提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法，是在尿素溶液添加少量Na₂CO₃溶液、采用提高尿素热解水解效率的柴油机NH₃—SCR方法，通过柴油机NH₃—SCR装置实现，所述装置由尿素溶液箱1、尿素泵2、尿素溶液计量器3、电控单元4、柴油机5、排气管6、尿素喷嘴7、SCR选择性催化还原装置8、Na₂CO₃溶液箱9和溶液泵10组成，其中：尿素溶液箱1通过管道和尿素泵2连接尿素溶液计量器3，柴油机5连接电控单元4的输入端，电控单元4的输出端连接尿素溶液计量器3，柴油机5通过排气管6连接SCR选择性催化还原装置8，Na₂CO₃溶液箱9通过管道和溶液泵10连接尿素溶液计量器3，尿素溶液计量器3通过管道和尿素喷嘴7连接排气管6；具体步骤如下：

尿素溶液箱1中尿素溶液被泵出，在150kPa~300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器3，同时，Na₂CO₃溶液箱9中Na₂CO₃溶液被泵出，在150kPa~300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器3，电控单元4根据柴油机5工况，控制尿素溶液计量器3对尿素和Na₂CO₃组成的混合溶液进行计量，控制Na₂CO₃添加的浓度为10~30ppm，所述混合溶液通过尿素喷嘴7进入排气管6，尿素在排气管6混合区遇到高温，在Na₂CO₃的辅助作用下，释放出尿素中80%以上的NH₃，与柴油机5排出的NOx充分混合后进入SCR选择性催化还原装置8，在SCR选择性催化还原装置8内，NH₃和NOx反应生成N₂和H₂O，排入大气中；尿素溶液中通过添加Na₂CO₃，大幅提高了尿素热解中间产物HNCO生成NH₃的水解率，有利于尿素快速高效地释放其中的NH₃。

本发明中，所述SCR选择性催化还原装置8的催化还原反应温度为200-600℃。

本发明的有益效果在于：

本发明通过碳酸钠Na₂CO₃与尿素溶液的混合，降低了尿素热解中间产物HNCO水解反应所需的温度，有利于HNCO生成NH₃，高比例释放出尿素中的NH₃，实现了良好的尿素热解水解效率，进而提高了SCR技术对柴油机尾气NOx排放的净化效果。

附图说明

图1为本发明的柴油机NH₃—SCR技术装置结构图示。

图2为本发明用于评价NOx净化效率的柴油机台架试验系统示意图。

图3为本发明在尿素溶液添加少量Na₂CO₃溶液、无Na₂CO₃溶液辅助的NOx净化效率结果对比。

图中标号：1为尿素溶液箱，2为尿素泵，3为尿素溶液计量器，4为电控单元，5为柴油机，6为排气管，7为尿素喷嘴，8为SCR选择性催化还原装置，9为Na₂CO₃溶液箱，10为溶液泵。

具体实施方式

下面通过实施举例进一步阐述本发明。

实施例1：尿素溶液添加少量Na ₂ CO ₃ 溶液、实现尿素热解水解效率的提升

将下列各部件按图1所示方式连接。如图1所示该装置由尿素溶液箱1、尿素泵2、尿素溶液计量器3、电控单元4、柴油机5、排气管6、尿素喷嘴7、SCR选择性催化还原装置8、Na₂CO₃溶液箱9、溶液泵10和相关管路组成。

该NH₃—SCR技术装置在工作时，尿素溶液箱1中尿素溶液被泵出，在150kPa~300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器3，Na₂CO₃溶液箱9中Na₂CO₃溶液被泵出，在150kPa~300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器3，电控单元4根据柴油机5工况，控制尿素溶液计量器3计量出一定量的尿素和Na₂CO₃的混合溶液，控制Na₂CO₃添加的浓度为10~30ppm，然后通过尿素喷嘴7进入排气管6。尿素在排气管6混合区遇到高温分解成NH₃和H₂O，与柴油机排出的NOx充分混合后进入SCR选择性催化还原装置8，在SCR选择性催化还原装置8内，NH₃和NOx反应生成N₂和H₂O，排入大气中。在该过程中，尿素溶液与少量Na₂CO₃一同进入排气管6，大幅提高尿素热解中间产物HNCO生成NH₃的水解率，使NOx净化效率曲线显著往低温方向扩展，NOx净化效率得以明显提高。尿素溶液中添加Na₂CO₃，有利于尿素溶液快速高效释放其中的NH₃。这是因为Na₂CO₃可以有效地提高HNCO生成NH₃的水解率，主要是由于添加Na₂CO₃时，可以降低HNCO水解反应所需的温度。

实施例2：尿素溶液添加少量Na ₂ CO ₃ 溶液后、NOx净化效率的评测

使用一台电控高压共轨直喷柴油机为样机，对该机采用Na₂CO₃辅助的NH₃—SCR方法来评定NOx的净化效率，采用无Na₂CO₃辅助的NH₃—SCR方法作为对比。将该柴油机安装在台架上进行稳态工况运转，以提供可再现和稳定的NOx排放。控制该发动机的转速为2000r/min，负荷比分别为25%、50%、75%、100%，以提供一系列的SCR选择性催化还原装置8入口温度（温度分别为255^oC、318^oC、372^oC、451^oC）和NOx浓度（浓度分别为226ppm、498ppm、856ppm、989ppm）。使用专门的AVL废气分析仪测定柴油机的NOx排放量。

使用图2所示的实验配置，对采用Na₂CO₃辅助和无Na₂CO₃辅助的效果进行对比测试。实验设备包括专门测量柴油机NOx排放量的AVL废气分析仪以及两个专用采样管道，分别布置在SCR选择性催化还原装置8的前后。

图3即为采用采用Na₂CO₃辅助和无Na₂CO₃辅助的测试结果对比。横坐标为发动机负荷比，纵坐标为NOx净化效率。由图3可以看出，采用Na₂CO₃辅助后，SCR选择性催化还原装置8对NOx的净化效率有明显提高，平均提高比例为20.8%。

因此，本发明的SCR选择性催化还原装置8，通过在尿素溶液添加少量Na₂CO₃溶液，大幅提高了尿素释放NH₃的热解水解效率，显著改善了柴油机NOx排放的净化效果。

Claims (2)

1.一种提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法，通过在尿素溶液添加少量Na₂CO₃溶液、采用提高尿素热解水解效率的柴油机NH₃—SCR方法，通过柴油机NH₃—SCR装置实现，所述装置由尿素溶液箱(1)、尿素泵(2)、尿素溶液计量器(3)、电控单元(4)、柴油机(5)、排气管(6)、尿素喷嘴(7)、SCR选择性催化还原装置(8)、Na₂CO₃溶液箱(9)和溶液泵(10)组成，其中：尿素溶液箱(1)通过管道和尿素泵(2)连接尿素溶液计量器(3)，柴油机(5)连接电控单元(4)的输入端，电控单元(4)的输出端连接尿素溶液计量器(3)，柴油机(5)通过排气管(6)连接SCR选择性催化还原装置(8)，Na₂CO₃溶液箱(9)通过管道和溶液泵(10)连接尿素溶液计量器(3)，尿素溶液计量器(3)通过管道和尿素喷嘴(7)连接排气管(6)；其特征在于具体步骤如下：

尿素溶液箱(1)中尿素溶液被泵出，在150kPa~300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器(3)，同时，Na₂CO₃溶液箱(9)中Na₂CO₃溶液被泵出，在150kPa~300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器(3)，电控单元(4)根据柴油机(5)工况，控制尿素溶液计量器(3)对尿素和Na₂CO₃组成的混合溶液进行计量，控制Na₂CO₃添加的浓度为10~30ppm，所述混合溶液通过尿素喷嘴(7)进入排气管(6)，尿素在排气管(6)混合区遇到高温，在Na₂CO₃的辅助作用下，释放出尿素中80%以上的NH₃，与柴油机(5)排出的NOx充分混合后进入SCR选择性催化还原装置(8)，在SCR选择性催化还原装置(8)内，NH₃和NOx反应生成N₂和H₂O，排入大气中；尿素溶液中通过添加Na₂CO₃，大幅提高了尿素热解中间产物HNCO生成NH₃的水解率，有利于尿素快速高效地释放其中的NH₃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述SCR选择性催化还原装置(8)的催化还原反应温度为200-600℃。