CN106170613A - 用于500kW至4500kW的内燃机的富氧排气中的氮氧化物还原的紧凑圆柱形选择性催化还原系统 - Google Patents

用于500kW至4500kW的内燃机的富氧排气中的氮氧化物还原的紧凑圆柱形选择性催化还原系统 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种紧凑选择性催化还原(SCR)系统，该系统包括系统进口、气体流动系统和多个催化剂簇。所述系统进口构造成利用清洁排气的热量来汽化还原剂的溶液或者还原剂前体的溶液以及将汽化的还原剂与排气气体混合以形成混合气体。气体流动系统构造成将来自系统进口的混合气体提供给多个催化剂簇并且提供来自排气气体的热量，以辅助还原剂/还原剂前体的汽化并且辅助将前体转换成还原剂。多个催化剂簇包括SCR催化剂和ASC催化剂，但是还可以包括过滤器功能。

Description

用于500kW至4500kW的内燃机的富氧排气中的氮氧化物还原 的紧凑圆柱形选择性催化还原系统
技术领域
本发明涉及用于还原氮氧化物的紧凑选择性催化还原(SCR)系统，其中，热的排气气体流提供了用于将尿素分解成其包括氨的活性组分的热量。描述了一种紧凑系统，该紧凑系统包括系统进口、中央管、气体流动系统和多个催化剂簇。系统进口构造成接收来自发动机的热排气气体、将热排气气体与来自包括还原剂或者还原剂前体的溶液的蒸汽混合并且将还原剂传送到流动系统，在所述流动系统处，还原剂与SCR催化剂反应。清洁的气体留下SCR催化剂，经过系统的一部分，然后离开系统。较之与500千瓦(kW)至4500千瓦(kW)发动机一起使用的现有技术，紧凑系统的构造允许增大将尿素分解成活性还原剂的分解。
背景技术
在世界范围的多种工业中使用选择性催化还原(SCR)燃料气体中的氮氧化物(NOX)，以符合国内和国际的排放要求。在催化表面上利用还原剂(诸如氨)减少在矿石燃料和再生燃料的燃烧处理中形成的氮氧化物。已经在多种基底(诸如氧化钒、离子交换型沸石等)上使用各种催化剂。能够以不同的制剂预制催化剂，并且催化剂能够以不同形式(诸如挤压或者涂覆的蜂窝、金属基底等)存在。决定选择适当催化剂的主要因素之一是燃料气体的温度。尽管氨优选为还原剂，但是由于气态氨的危险性质使得直接使用氨有问题。因此，通常使用这样的物质，所述物质易于操控并且当注入到热燃料气体中时分解以形成氨。例如，尿素水溶液在高于140℃的温度条件下分解以形成氨和异氰酸(HNCO)，然后异氰酸分解以形成氨和二氧化碳。然而，由尿素水溶液产生氨是一个相对缓慢的过程。如果尿素在热气体流中的滞留时间太短，则这会导致反应器壁上沉淀或者更糟糕地在催化剂上沉淀。因此，长度达到数米的相对长的注入导管位于在当前技术的SCR应用中所使用的实际催化剂的上游处。这些长导管通常是直管，排气流动通过所述直管，并且在直管中通过注入器或者喷枪将还原剂注入到热气流中。
上述SCR系统一般应用在大型固定系统上，诸如发电设备。较小的SCR系统已经应用在汽车应用中以及通常低于600kW的发动机中。这些较小的SCR系统因排气量较低并且因此需要引入到系统中还原剂质量流较少而具有不同设计。近年来，已经针对海运、越野和发电领域建立了针对500千瓦至4500千瓦(kW)柴油和汽油发动机的排气法规。目前，在这些型号的发动机中使用的系统由大直径(大约0.6m)的长排放管(直到大约10m)和位于排气气体流中的SCR催化剂构成。尿素水溶液通过喷枪直接注入到排气气体中。尿素随后在整个排气气体流中转换成氨。为了在催化剂截面上实现均匀的氨浓度模式，由静态混合器有意地分布该流。经常，在氨通过一个或者多个混合器然后通过SCR催化剂之前通过喷氨格栅(AIG)将氨直接引入到全部排气流中。因此，能够在具有低温区段的点处产生不均匀流分布，这导致部分分解的尿素沉积或者腐蚀。这些尿素损耗还导致氮氧化物转化活性降低，原因在于沉积的材料不能参与将尿素转换为氨的反应。
空间是针对海运、越野以及发电领域应用的一个关键因素，并且空间的使用会影响在这些领域中运转的经济性。例如，超级游艇或者渡船可能损失乘客空间，这直接导致损失收入。大型矿用挖掘机和卡车将需要减小它们能够移动或者承载的负荷，结果是需要实施额外的挖掘或者进行额外的行程以移动相同数量的材料。在某些交通工具(诸如拖船)中，机房不具有安装当前技术SCR设备所需的空间。
在此描述的紧凑SCR系统允许在发动机中使用SCR处理来降低排气气体中的氮氧化物(NOX)水平时使用尿素，所述发动机的规格使得排气后处理系统空间限制曾经制约它们的使用。在此描述的紧凑SCR系统的优势之一在于：所述系统除了能够与上述领域中的新型发动机一起使用之外，还允许安装后处理系统，使得现有发动机也能够降低它们的排放。
发明内容
描述了一种紧凑选择性催化还原(SCR)系统，该系统包括系统进口、中央管、气体流动系统和多个催化剂簇。该系统进口包括入口和初始混合区域，其中，所述入口构造成接收来自发动机的排气气体并且与初始混合区域流体连通。初始混合区域包括多个引入器件，所述多个引入器件用于将还原剂或者还原剂前体引入到初始混合区域中的排气气体中。初始混合区域与中央管流体连通。初始混合区域包括与气体流动系统热连通的至少一个表面。中央管围绕通过系统的对称轴线定位并且与系统进口和气体流动系统中的气体导流件都流体连通。气体流动系统包括：(i)气体导流件；(ii)多条通道；和(iii)出口区域，所述出口区域包括出口圆锥体和与所述出口圆锥体流体连通的出口。设置有两种主要的排气流动系统构造。在一种构造中，离开气体导流件的气体进入催化剂簇，然后改变方向，通过多条通道到达出口区域。在另一种构造中，离开气体导流件的气体进入毗邻外壳定位的多条通道，然后改变方向，通过多个催化剂簇，然后到达出口区域。
下文描述了本发明的多个优选方面。设想了等效组成。
附图说明
尤其当参照附图时，从以下详细描述将更好地理解本发明并且本发明的优势将变得更加显而易见。
图1示出了紧凑SCR系统的示例中的总体气体流；
图2是紧凑SCR系统的示例的分解图，其示出了系统的部件；
图3是紧凑SCR系统的示例的截面图，其示出了部件的位置和通过SCR系统的气体流；
图4是示例性紧凑SCR系统的侧视图；
图5是在图4中示出的紧凑SCR系统的截面B-B、C-C和D-D；
图6是示出了组装示例性SCR系统中的一些部件的视图；
图7示出了另一个紧凑SCR系统的示例中的总体气体流；
图8是紧凑SCR系统的示例性入口的分解图，其示出了入口的部件；
图9是示例性紧凑SCR系统的侧视图，其示出了入口的壁的位置。
具体实施方式
本发明提供了一种SCR系统，其包括系统进口、中央管、气体流动系统和多个催化剂簇。将描述若干示例，所述若干示例中的一些为优选形式。
在本发明的一个方面中，选择性催化还原(SCR)系统包括系统进口、中央管、气体流动系统和多个催化剂簇；其中：
a.系统进口包括入口和初始混合区域，所述入口构造成接收来自发动机的排气气体并且与混合区域流体连通，所述混合区域包括多个引入器件，所述多个引入器件用于将还原剂或者还原剂前体引入到混合区域中的排气气体中，所述混合区域与中央管流体连通，所述混合区域包括与气体流动系统热连通的至少一个表面；
b.中央管，所述中央管与系统进口和气体流动系统流体连通；
c.气体流动系统包括:(i)气体导流件；(ii)多条通道；和(iii)出口区域，所述出口区域包括出口圆锥体和与所述出口圆锥体流体连通的出口，所述气体导流件与中央管流体和以下元件任意一种连通：
i.多个催化剂簇，其中，所述多个催化剂簇与多条通道流体连通，所述多条通道与出口区域连通；或者
ii.多条通道，所述多条通道与所述多个催化剂簇流体连通，其中，所述个催化剂簇与出口区域流体连通；和
d.每个催化剂簇均包括SCR催化剂。
用于将还原剂或者还原剂前体引入到混合区域中的排气气体中的引入器件可以是注入器或者喷嘴。
系统进口还可包括至少一个其它喷嘴，所述至少一个其它喷嘴构造成控制由至少一个气溶胶形成装置形成的液滴模式的形状。
SCR催化剂可以呈整体式过滤器或者微粒过滤器的形式，并且沿着气体流动通过整体式过滤器的净流方向呈现正方形、矩形或者圆形形状。
催化剂簇还可以包括氨泄漏催化剂。
SCR系统还可以够包括微粒过滤器或者氧化催化剂。
SCR系统还可以包括用于控制引入尿素或者氨前体的控制器件。用于控制引入尿素或者氨前体的控制器件包括氮氧化物传感器、氨传感器和温度传感器中的至少一种。
在本发明的另一个方面中，一种减少来自发动机的排气中的氮氧化物的量的方法包括：使得来自发动机的排气气体通过具有在此描述的各个部件的SCR系统。
较之与500千瓦至4500千瓦(kW)的发动机一起使用的现有技术系统，本系统的构造允许滞留时间更长并且因此还原剂前体具有更好的分解效率。而且，在此描述的系统具有更小的占地面积。
下文描述的内容提供了选择性催化剂还原(SCR)系统的多个示例性构造的细节。
该系统提供了反应物(优选地，氨)，所述反应物可发生反应以减小排气气体中的氮氧化物的水平。可通过下述方式来形成反应物：将可形成氨的诸如尿素的化合物转换成气相的反应物，包含反应物的气体与包含氮氧化物的排气气体相组合，然后使得组合气体通过SCR催化剂。为了将尿素转换成氨，将尿素水溶液注入到系统进口中的混合区域中。除了来自与还原剂相混合的排气气体的热量之外，将来自混合的排气气体的额外热量传送通过混合区域中的至少一面壁。因此在氨与排气气体的混合物通过SCR催化剂之后，清洁的排气气体和SCR反应的焓因此可用于汽化尿素溶液。
在此描述的设备和方法对尿素有效，但是也可利用其它氮氧化物还原剂，诸如，氨形成剂或者其它氮氧化物还原剂，其能够在加热时形成反应气体。本领域众所周知这种反应。在美国专利No.8,105,560和No.7,264,785中描述了这些反应的内容，上述专利中的每一个的全部内容均通过引用的方式并入本文。
术语“尿素”指的是包括尿素、CO((NH2)2)和等效于尿素的试剂，因为所述试剂在加热时形成氨和HNCO。还可使用本领域中已知的其它氮氧化物还原剂。可使用没有形成尿素或者HNCO但是与排气气体中的化合物发生反应以减小氮氧化物水平的氮氧化物还原剂。
引入到汽化器模块中的尿素溶液的体积取决于氮氧化物质量流量和溶液中尿素的浓度。引入的尿素的量基于涉及的反应的化学计量、原始排气气体的温度和待使用的催化剂而与氮氧化物浓度有关。所使用的尿素的量被称作“NSR”，其指的是尿素中的氮的相关等效物，或者其它氮氧化物还原剂，待处理的气体中的氮氧化物中的氮气的等效物。NSR可以介于大约0.1至大约2之间的范围内，但是优选地处于0.6至1.2的范围内。
可从本领域中已知的能够在存在氨的情况下降低氮氧化物浓度的催化剂中选择在在此描述的紧凑SCR系统中使用的SCR催化剂。这些催化剂例如包括沸石、氧化钒、钨、钛、铁、铜、锰、和铬、贵金属(诸如铂族金属铂、钯金、铑、铱)以及其混合物。还可使用本领域常规的并且为技术人员所熟悉的其它SCR催化剂材料，诸如，活性碳、木炭或者焦炭。优选的催化剂包括：过渡金属/沸石，例如，Cu/ZSM-5或者Fe/Beta；基于氧化钒的催化剂，诸如V2O5/WO3/TiO2或者非沸石过渡金属，诸如Fe/WOx/ZrO2。
这些SCR催化剂典型地安装在载体(诸如金属、陶瓷、沸石)上或者被挤压成均质整体。还可使用本领域中已知的其它载体。优选的是，催化剂覆盖到流通的整体基底上、过滤器基底上或者呈挤压形式。最为优选的是，催化剂覆盖到流通的整体基底或者呈挤压形式。优选的是，这些催化剂存在于蜂窝流通载体中或者蜂窝流通载体上。对于小容积SCR系统而言，具有相对高蜂巢密度的SCR催化剂是优选的，例如每平方英寸(cpsi)45个至400个蜂巢，更加优选的为介于70cpsi至300cpsi之间，进一步优选地介于100cpsi至300cpsi之间。
SCR催化剂优选地呈本领域中已知为SCRF的圆形整体式过滤器或者位于微粒过滤器上。SCR催化剂可具有垂直于气体流动方向的多种横截面形状中的任意一种，包括圆形、圆环的一部分、六边形、正方形和矩形，其中，圆形或者圆环的一部分或者正方形因系统的空间限制性是优选的。SCR系统可以包括位于SCR催化剂下游的氨泄漏催化剂。
氧化催化剂在其进入SCR系统之前可定位在发动机的排气流中或可被放置在盖5前方的入口处(尿素入口的上游)，以减少可降低SCR活性的碳氢化合物。氧化催化剂还氧化CO、芳香族化合物等。
在图1中示出了紧凑SCR系统的一个示例中的总体气体流。来自发动机的排气气体进入到系统进口1中，然后通过中央管10，所述中央管10围绕SCR系统的中央轴线定位。在顺着中央管通过之后，混合气体遭遇导流件25，所述导流件25将气体流动方向改变为使其向后朝向系统进口1。混合气体然后通过催化剂簇20并且形成清洁气体，所述催化剂簇20可包括SCR催化剂21和位于SCR催化剂21后方的氨泄漏催化剂(ASC)22。清洁气体从催化剂簇流动到入口圆锥体6的底部上，然后被引导通过形成在外壳15、催化剂簇20和分隔件26之间的出口通道，朝向出口圆锥体返回。清洁空气随后撞击在出口圆锥体30上并且通过出口31离开SCR系统。
图2示出了紧凑SCR系统的构造的分解图，其示出了各个部件。各部件的构造允许气体如在图1中所示那样流动。紧凑SCR系统可接收介于大约500kW和大约1000kW(1MW)之间、或者介于大约1000kW(1MW)至大约2000kW(2MW)之间或者介于大约2000kW(2MW)至大约4500kW(4.5MW)之间的发动机的排气气体。发动机排气气体通过系统进口1流入到SCR系统中，所述系统进口1包括入口2、用于引入还原剂或者还原剂前体4的水溶液的多个引入器件、盖5和入口圆锥体6。系统进口还可包括一个或者多个传感器3，诸如氮氧化物传感器。系统可使用来自一个或者多个氮氧化物传感器的关于发动机的排气的信息。排气气体在入口2处进入系统，然后运动到盖5与入口圆锥体6之间的初始混合区域7。系统优选地包含位于入口处的至少一个氮氧化物传感器3或者使用位在发动机上的一个或者多个氮氧化物传感器。盖5容纳多个注入器，优选地四个注入器，通过所述注入器供给包含还原剂或者还原剂前体(优选，尿素)的溶液。包含还原剂或者还原剂前体的溶液被汽化并且在盖5和入口圆锥体6之间的初始混合区域7中与排气气体混合以形成混合气体。混合气体然后流动通过中央管10，所述中央管10沿着系统的对称轴线定位。来自排气气体的热量被传送到盖5、入口圆锥体6和中央管10。入口圆锥体6和中央管10用作换热器。该热量有助于使得还原剂或者还原剂前体的溶液汽化并且有助于将还原剂前体转换成还原剂。
在通过中央管10之后，混合的气体撞击在导流件25上。图2至图6中示出的导流件25将流分成四股子流。根据提供排气气体的发动机的规格和操作性能，导流件可以构造成将流分成与图中示出的四股不同数量的子流。多个分隔件26，优选地四个，定位在导流件和外壳15上，并且将混合气体流分成多股子流。系统中的分隔件的数量取决于催化剂簇的数量以及因此取决于导流件25的构造。分隔件定位成并且构造成使得气体流动方向相对于系统的对称轴线倒转并且致使气体朝向系统进口1返回。气体的子流中的每一股子流均通过包括SCR催化剂21的催化剂簇20，然后优选地通过ASC22。附图示出了具有四个催化剂簇的系统。催化剂簇的数量取决于导流件25的构造和流被分成的子流的数量。附图示出了使用沿着气体子流的方向具有圆形横截面的SCR催化剂21和ASC22。催化剂可以具有任何形状，诸如圆形、椭圆、半圆、正方形和矩形。在通过催化剂簇20之后，每股子流撞击在入口圆锥体6上以及气体流动方向相对于系统的对称轴线再次倒转。清洁的排气气体随后通过形成在外壳15、催化剂簇20和分隔件26之间的出口通道朝向出口圆锥体30流动而离开系统进口1。清洁气体然后撞击在出口圆锥体30上并且通过出口离开SCR系统。
盖5包括引入器件，该引入器件用于将诸如尿素的还原剂或者还原剂前体水溶液引入到盖5与入口圆锥体6之间的初始混合区域7中。入口圆锥体6和中央管10可用作换热器，从而允许将热量从来自发动机的热排气气体传送到SCR系统内的各个部件和气体。还原剂或者还原剂前体的水溶液保持适于存储和处理的浓度而不会发生沉淀或者引发其它问题。水溶液中的尿素浓度的范围可从大约5％至70％，优选地从大约15％至大约60％，更加优选地从大约30％至大约40％。用于引入尿素水溶液的引入器件可包括：处于液体压力下的注入器；使用空气以喷射成形(预蒸发)尿素溶液的喷嘴，或者无气喷嘴。注入器优选地作为引入还原剂或者还原剂前体的水溶液的引入器件。可以从多个渠道市售获得使用空气的各种类型的喷嘴。对于规格介于500kW和4500kW之间的发动机而言，能够与尿素一起使用的市售可获得的喷嘴仅仅需要可由相对小的压缩机供应的低压蒸发空气。当前可获得的用于清洁介于500kW和4500kW之间的发动机排气所需的尿素质量流的单相无气喷嘴需要非常高的液体压力以在一个操作周期中在变化的质量生产量的条件下操作。然而，喷嘴制造商研发了具有适应质量生产量的低压单相喷嘴。因为无气系统具有更少的部件，所以无气系统可具有较低投入和操作成本而且可以具有较低的系统故障风险。无气注入系统尤其对于紧凑SCR系统具有吸引力，对于紧凑SCR系统而言，空间受限并且要求长保修期(例如，两年以上)并且发动机具有高年利用率(例如，每年8000小时)，诸如船舶、发电设备、采矿机械等。还可使用其它类型的喷雾器。
由排气的热量以及通过入口圆锥体6和中央管10的换热功能从清洁的排气气体传递的热量供应完全蒸发水以及将尿素分解成氨所需的热量。
SCR系统可使用外壳15、入口圆锥体6和出口圆锥体30中的一个或多个来预热二次蒸发空气。预热的二次蒸发空气可以用于控制或者调解尿素溶液在其离开注入器或者喷嘴之后形成的喷射模式。因此，其提供了用于控制和/或调节尿素和氨或者另一种还原剂在排气气体中的分布的器件，因此提供对尿素水溶液蒸发/分解时间的控制，并且因此能够在最低的可能氨泄漏的条件下获得最高的可能的氮氧化物还原。
可使用市售的喷嘴借助于加压的一次蒸发空气来雾化尿素水溶液。一次蒸发空气是用于将包含还原剂的溶液转换为液滴的空气。即使在变化的质量生产量的条件下，仅仅数百毫巴至数巴的压力也可足以获得直径为数十微米至数十毫米的液滴。因此，除了目前在现有技术装置中使用的大型空气压缩机之外，还可使用诸如旋转活塞风扇、侧风道风机等的紧凑装置。加压空气还可在形成由液滴形成的所需喷射轮廓过程中用作二次蒸发空气。二次蒸发空气的一部分可被吹送通过两个分开的喷嘴而进入到一次尿素水溶液喷雾器，以将喷射轮廓延长成扁平射流，用于增加热量和质量传递表面。由于初始混合区域7中的低喷雾/蒸发速度以及相对高的温度，因此预期将尿素完全或者接近完全地热分解为氨和异氰酸。而且，由于初始混合区域7中的非常高的局部流浓度(由蒸发尿素水溶液中的水而形成)以及不存在稀释的排气气体，因此预期尿素在其在初始混合区域中与排气气体混合之前快速水解成异氰酸。
二次蒸发空气还可通过至少一个喷嘴(优选地两个或者更多个喷嘴)被供给到系统进口中，以在初始混合区域中产生扁平射流或者旋流，以提高将热量从壁到喷雾器的热传递。可在二次蒸发空气被引导到喷嘴之前加热二次蒸发空气。可以通过任何已知方式，优选地电，更加优选地通过使得排气气体通过位于外壳15、盖5或者出口圆锥体30上的管换热器来实施加热。由期望的喷流细长模式和期望的旋流模式以及初始混合区域7中的期望压力和温度来确定二次蒸发空气流的总质量流量和压力。盖5和入口圆锥体6的壁还可提供用于水解还原剂前体的催化活性。
图3示出了紧凑SCR系统的示例的截面图，其示出了部件的位置(分图(a)和(c))以及气体流动通过SCR系统的流动(分图(b)和(d))。图3(a)和3(c)示出了同一截面，其中，以不同角度示出了截面的定向。这些附图示出了系统进口的入口2、盖5、注入器4和入口圆锥体6。入口圆锥体6与中央管10流体连通。导流件25位于中央管10的端部后方，其中，由中央管10的端部和导流件25之间的分隔件26形成一空间。导流件25可包括一个或多个涂层，所述涂层包括一种或多种催化剂，所述一种或多种催化剂可辅助水解尿素或者其它还原剂前体。包含SCR催化剂21和ASC22的多个催化剂簇围绕中央管10装载。两个支撑件27保持催化剂簇位于中央管10和外壳15之间的位置中。入口圆锥体6位于催化剂簇的端部附近，其中，在催化剂簇20和入口圆锥体6之间存在一空间。这个空间提供了清洁的排气气体离开催化剂簇以流入到入口圆锥体6的通道，在所述入口圆锥体6处，其将热量传递到初始混合区域7中，之后转向，之后在撞击在出口圆锥体30上然后通过出口31离开。
图3(b)和(d)示出了具有如图1所示的气流流型的紧凑SCR系统的示例的气流。如上所述图3(a)和(c)示出了各个元件的附图标记。热的排气气体通过通到SCR系统的入口2而进入紧凑SCR系统。气流向上流动通过盖5和入口圆锥体6之间的初始混合区域。由简单的线示出了气体在初始混合区域中的净流型。由于来自混合发动机的热排气气体与汽化的还原剂或者还原剂前体的复杂性而没有示出初始混合区域内的流型，所述汽化的还原剂或者还原剂前体被通过注入器4引入到系统中以形成混合气体。混合气体行进通过中央管10，然后撞击在导流件25上，改变方向并且在分隔件26之间分流成子流而进入到催化剂簇，在所述催化剂簇处，其通过SCR催化剂21，然后通过ASC22。在离开催化剂簇之后，清洁的排气气体撞击在入口圆锥体6上，改变方向并且流动通过催化剂簇20和外壳15之间的空间。清洁气体随后撞击在出口圆锥体30上而且通过出口31离开。
当排气气体通过SCR催化剂21时，排气气体中的氮氧化物与催化剂表面上的还原剂发生反应并且降低排气气体中的氮氧化物的量。对于有效降低氮氧化物水平的SCR反应而言，包括气化尿素的燃烧气体的温度应当至少为大约100℃，通常介于大约180℃和大约650℃之间，并且优选地高于至少大约250℃。可基于SCR催化剂中的气体温度以及氮氧化物负荷来选择催化剂的成分、形式以及尤其是体积，以用于氮氧化物的催化还原中的还原。系统优选地包括定位在SCR催化剂21下游处的排气气体流中的氨泄漏催化剂(ASC)22。
紧凑SCR系统没有如传统SCR处理中经常使用或者需要的那样使用喷氨格栅(AIG)。
紧凑SCR系统还可包括用于访问(access)SCR催化剂以替换催化剂的器件。优选地，该器件包括机械紧固系统，诸如多个螺母和螺栓，所述机械紧固系统将盖5和入口圆锥体6或者出口圆锥体30连接到外壳15。
紧凑SCR系统还可包括多种传感器，诸如一个或多个氮氧化物传感器、氨(NH3)传感器和温度传感器。氨传感器将优选地位于SCR系统的出口处，以测量通过SCR系统的氨泄漏。氮氧化物传感器和/或氨传感器和/或温度传感器可连结到控制尿素量的单元，如果适用的话，该单元控制汽化空气量，以及如果适用的话，该单元控制被转移到汽化器模块并且随后进入到排气气体中的清洁气体量。氮氧化物传感器以及可选的温度传感器可位于系统进口处，优选地在入口2处。氮氧化物传感器或者氨传感器可位于SCR催化剂下游处，优选地位于出口上，以及可用于闭环控制。
来自功率为500kW至4500kW的双缸发动机(例如，V型缸)的排气气体可在排气气体进入到紧凑SCR系统的入口之前连通到一起。
图4是示例性紧凑SCR系统的侧视图。入口2包含传感器3(优选地氮氧化物传感器)并且连接到盖5，所述盖5容纳多个注入器4(在附图中示出了三个注入器)。盖5连接到外壳15，所述外壳15连接到出口圆锥体30。出口圆锥体30连接到出口31，所述出口31优选地容纳至少一个传感器35。来自发动机的排气气体通过入口2进入到SCR系统中，并且在通过外壳15内的SCR催化剂(未示出)之后，清洁排气通过出口31离开SCR系统。还示出了通过外壳15的三个横断面(B-B，C-C和D-D)的位置。
图5示出了图4中示出的紧凑SCR系统的截面B-B、C-C和D-D的示意图。截面B-B和D-D相同并且在支撑件27的中部容纳中央管10，其中，四个催化剂簇20容纳含在支撑件27的四条臂中的每一条臂内。支撑件与外壳15接触或者连接到外壳15。截面C-C容纳导流件25，所述导流件25与外壳15接触或者连接到外壳25。
图6(a-c)是示出了示例SCR系统中的一些部件的组件的示意图。这些附图中的每一个附图示出了入口2和外壳15。图6(a)还示出了中央管10处于支撑件27的中部内，四个催化剂簇20容纳在支撑件27的四条臂中的每一条臂内。支撑件与外壳15接触或者连接到外壳15。图6(b)示出了增添了分隔件26。分隔件相对于支撑件27的暴露边缘定向(见图6(b))。图6(c)示出了增添了导流件25，该导流件抵靠分隔件26和外壳15或者与分隔件26和外壳15连接。
在图7中示出了紧凑SCR系统的另一个示例中的总体气体流。来自发动机的排气气体进入系统进口1中，然后通过中央管10，所述中央管10围绕SCR系统的中央轴线定位。在顺着中央管通过之后，混合气体遭遇导流件，所述导流件将混合气体分成多股子流并且改变气体流动方向使其朝向入口返回。混合气体子流通过形成在外壳15、催化剂簇20和分隔件26之间的入口通道，然后接触入口圆锥体的底部。然后气体被引导通过催化剂簇20并且形成清洁气体，在所述催化剂簇20中包括SCR催化剂21和位于SCR催化剂21后方的氨泄漏催化剂(ASC)22。清洁气体然后撞击在出口圆锥体30上，并且通过出口31离开SCR系统。
在图7的示例中示出的流中使用的系统的构造与在图1-6中描述的系统的构造类似，只是导流件25旋转以改变气体流的通过。
可修改变紧凑SCR系统的入口以应用在上述紧凑SCR系统中，而且所述入口还可应用于其它类型的SCR系统中。选择性催化还原(SCR)系统进口可包括入口、混合区域、出口和多个引入器件，所述多个引入器件用于引入还原剂或者还原剂前体的水溶液，其中，入口与混合区域流体连通并且混合区域与出口流体连通，由盖、壁和入口圆锥体形成混合区域，其中，壁位于盖和入口圆锥体之间，并且用于引入还原剂或者还原剂前体的水溶液的多个引入器件定位于壁上。图8示出了用于紧凑SCR系统的入口的构造的分解视图，其示出了各个部件。发动机排气气体通过系统进口1流入到SCR系统中，所述系统进口1包括入口2、用于引入还原剂或者还原剂前体4的水溶液的多个引入器件、盖5和入口圆锥体6。系统进口还可包括一个或多个传感器3，诸如氮氧化物传感器。系统可使用来自一个或多个氮氧化物传感器的关于发动机排气的信息。排气气体在入口2处进入系统，然后运动到位于盖5和入口圆锥体6之间的初始混合区域7。初始混合区域7容纳在盖5和入口圆锥体6之间的壁8内。壁8显示为具有图9中的圆柱状形状。壁可以根据与入口附接的SCR系统的形状而呈现其它形状，诸如正方形、五角形、六角形等。壁8容纳多个注入器(优选地多于两个)，通过所述注入器供给包含还原剂或者还原剂前体(优选地尿素)的溶液。优选地，注入器是无气型，这表示仅仅液体还原剂溶液注入器。由于初始混合区域7的几何结构，因此在注入器4的末端处发生非常低的排气气体动量。因此，注入器的喷射模式可完全开发，从而使得液滴直径小，因此使得液滴表面面积大并且因此使得蒸发率增大。包含还原剂或者还原剂前体的溶液被汽化并且在盖5、入口圆锥体6和壁8之间的初始混合区域7中与排气气体混合以形成混合气体。混合气体随后流动通过中央管10，所述中央管10定位成沿着系统的对称轴线朝向SCR催化剂。系统优选地容纳位于入口上的至少一个氮氧化物传感器3或者使用位于发动机上的一个或多个氮氧化物传感器。
图9是示例性紧凑SCR系统的侧视图。入口2容纳传感器3(优选地氮氧化物传感器)并且连接到盖5，所述盖5容纳多个注入器4(在这个视图中示出了三个注入器)。盖5连接到壁8，所述壁8连接到外壳15，所述外壳15连接到出口圆锥体30。出口圆锥体30连接到出口31，所述出口31优选地容纳至少一个传感器35。来自发动机的排气气体通过入口2进入SCR系统，并且在通过外壳15内的SCR催化剂(未示出)之后，清洁的排气气体通过出口31离开SCR系统。还示出了通过外壳15的三个横断面(B-B，C-C和D-D)的位置。
上述描述旨在使得本领域中的技术人员能够实践本发明。而不旨在详细描述在阅读描述时对于本领域中的工作人员显而易见的所有可能的修改方案和变型方案。然而，所有这种修改方案和变型方案都包括在本发明的如在上述描述中可见并且还由以下权利要求限定的范围内。

Claims (13)

1.一种选择性催化还原(SCR)系统，所述系统包括系统进口、中央管、气体流动系统和多个催化剂簇，其中：
a.所述系统进口包括入口和初始的混合区域，所述入口构造成接收来自发动机的排气气体并且与所述混合区域流体连通，所述混合区域包括多个引入器件，所述多个引入器件用于将还原剂或者还原剂前体引入到所述混合区域中的排气气体内，所述混合区域与中央管流体连通，所述混合区域包括与所述气体流动系统热连通的至少一个表面；
b.所述中央管与所述系统进口和所述气体流动系统流体连通；
c.所述气体流动系统包括：(i)气体导流件；(ii)多条通道；和(iii)出口区域，所述出口区域包括出口圆锥体和与所述出口圆锥体流体连通的出口，所述气体导流件与所述中央管和以下元件中的任意一种进行流体连通：
i.多个催化剂簇，其中，所述多个催化剂簇与多条通道流体连通，所述多条通道与所述出口区域流体连通；和
ii.与多个催化剂簇流体连通的多条通道，其中，所述多个催化剂簇与所述出口区域流体连通；和
d.每个催化剂簇包括SCR催化剂。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，用于将还原剂或者还原剂前体引入到所述混合区域中的排气气体内的引入器件是注入器或者喷嘴。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述系统进口还包括至少一个其它喷嘴，所述至少一个其它喷嘴构造成控制由至少一个气溶胶形成装置形成的液滴模式的形状。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述SCR催化剂呈整体式过滤器或者微粒过滤器的形式。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述至少一种SCR催化剂呈整体式过滤器或者微粒过滤器的形式，并且沿着气体流动通过所述整体式过滤器的净流方向呈现正方形、矩形或者圆形形状。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述催化剂簇还包括氨泄漏催化剂。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括微粒过滤器或者氧化催化剂。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括用于控制尿素或者氨前体的引入的控制器件。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述用于控制尿素或者氨前体的引入的控制器件包括氮氧化物传感器、氨传感器和温度传感器中的至少一种。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述导流件构造成将来自所述中央管的排气气体流分成多股子流。
11.一种用于减小形成于发动机的排气中的氮氧化物的量的方法，所述方法包括：使得来自发动机的排气气体通过根据前述权利要求中任一项所述的选择性催化还原系统。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述入口还包括位于盖和入口圆锥体之间的壁，并且注入器位于所述壁中。
13.一种选择性催化还原(SCR)系统进口，所述系统进口包括入口、混合区域、出口和多个引入器件，所述多个引入器件用于引入还原剂或者还原剂前体的水溶液，其中，所述入口与所述混合区域流体连通，并且所述混合区域与通往SCR催化剂的混合管流体连通，所述混合区域由盖、壁和入口圆锥体形成，其中，所述壁位于所述盖和所述入口圆锥体之间，并且用于引入还原剂或者还原剂前体的水溶液的所述多个引入器件位于所述壁上。
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