CN106483244B - 用于scr催化剂动态反应测试的流动反应试验装置 - Google Patents
用于scr催化剂动态反应测试的流动反应试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了用于SCR催化剂动态反应测试的流动反应试验装置。现有柴油机SCR催化剂活性和耐久性评价通常基于发动机台架或整车测试进行，成本高、过程复杂、重复性差、周期长。本发明的配气系统和加湿系统用于产生模拟尾气流量和关键尾气成分；管道加热系统将模拟尾气进入流动反应器或尾气分析仪之前维持在一定温度，防止水蒸气冷凝和减少氨管道吸附；样件加热流动反应器将SCR催化剂样件加热到试验温度并提供反应场所；尾气分析系统用于采集分析SCR催化剂样件出入口尾气成分。本发明模拟尾气状态具有比实际柴油机更宽的调整范围，还原气体通道采用了基于四通换向电磁阀的高速切换机制，满足SCR催化剂氨存储动态特性等瞬态测试需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向柴油机后处理SCR催化剂小样活性和耐久性评价、兼顾稳态和动态催化反应测试的流动反应试验装置，可在发动机台架和整车测试之前，对SCR催化剂的尾气净化效率、氨存储动态特性及耐久性等进行全面测试。
背景技术
柴油机具有载重量大、比油耗低等优点，但其较高的氮氧化物(NOx)和微粒(PM)排放也给大气环境带来了严重危害。目前仅依靠燃烧优化等柴油机缸内控制措施已无法满足日趋严格的排放法规要求，配备高效、高可靠的尾气后处理技术已成为新型柴油机排放达标的必要条件，其中基于尿素的选择性催化还原SCR技术被认为是最有效的排气NOx净化后处理技术之一。在柴油机SCR后处理系统中，SCR催化剂是核心部件，在有效还原剂生成和选择性催化还原NOx过程中起着重要催化作用，也是整个SCR过程的催化反应载体。SCR催化剂活性和耐久性直接影响SCR后处理系统效率和柴油机整机的NOx排放水平。
目前整车和零部件厂商对柴油机SCR催化剂活性和耐久性评价通常基于发动机台架或整车测试进行。发动机台架用于工况法评定SCR催化剂的活性，同时也可通过模拟实车运行中的最恶劣条件来加速SCR催化剂失活和老化，考察SCR催化剂的耐久性。整车测试通常基于转鼓试验台或实际路试，最终考核SCR催化剂实车环境下的活性和耐久性。发动机台架和整车测试最接近SCR催化剂使用环境，但也存在如下问题：(1)试验周期较长，试验费用较高；(2)试验尾气状态高度耦合，尾气参数调整受限于整机工况，无法对SCR催化剂活性和耐久性进行全面评估；(3)无法满足SCR催化剂氨存储动态特性等研发过程中的瞬态测试需求；(4)鉴于发动机及整车系统复杂性，试验重复性较差；(5)实际SCR系统中全尺寸SCR催化剂测试结果无法准确反映催化剂本身的活性水平。
鉴于上述分析，设计和开发一种面向柴油机后处理SCR催化剂小样活性和耐久性评价、兼顾催化剂稳态和动态催化反应测试、高效低成本、测试条件灵活、试验重复性好的流动反应试验平台具有重要的理论和现实意义。
发明内容
本发明针对目前基于发动机台架和整车测试的SCR催化剂活性和耐久性评价过程中的不足，提出了一种用于SCR催化剂动态反应测试的流动反应试验装置，该试验装置以SCR催化剂小样作为测试样品，基于标准气配气和管式电阻炉加热来模拟测试所需尾气的流量、温度和关键气体成分，配合多组分尾气分析仪检测，完成SCR催化剂小样的活性评价测试。模拟尾气状态具有比实际柴油机更宽的调整范围，可方便开展快速水热老化等耐久性测试。还原剂气体通道采用了基于四通换向电磁阀的高速切换机制，可满足SCR催化剂氨存储动态特性等研发过程中的瞬态测试需求。
本发明包括配气系统、加湿系统、管道加热系统、样件加热流动反应器和尾气分析系统；所述的配气系统包括基础气体配气器、氮氧化物配气器和还原气体配气器；基础气体配气器和氮氧化物配气器均通过高压标准气瓶并经截止阀给排气主路的后端入气口提供气源，且各自通过质量流量控制器控制流量；还原气体配气器包括两种气源配气瓶和四通换向电磁阀，两种气源配气瓶通过单向阀接四通换向电磁阀的两个入气口；四通换向电磁阀为两位阀；两种气源配气瓶各自通过质量流量控制器控制流量；所述的加湿系统包括去离子水、水箱和蠕动泵；蠕动泵将水箱中的去离子水打入排气主路的后端入气口和前端入气口之间；
所述的管道加热系统包括柔性管道加热套、管道温度传感器和管道加热控制器；样件加热流动反应器的入口三通阀和出口三通阀处均安装有管道温度传感器，管道温度传感器的温度信号传给管道加热控制器作为反馈信号，管道加热控制器控制柔性管道加热套的加热温度；柔性管道加热套套置在排气主路和样件加热流动反应器旁路管道上；
所述的样件加热流动反应器包括石英管反应容器、反应温度传感器、管式电阻炉和反应加热控制器；石英管反应容器放置在管式电阻炉内，反应温度传感器将检测到的管式电阻炉温度信号传给反应加热控制器作为反馈信号，反应加热控制器控制管式电阻炉的加热温度；石英管反应容器入、出口处分别安装有入口压力仪表和出口压力仪表；入口三通阀在一个工位连通排气主路的前端入气口与样件加热流动反应器旁路管道的后端口，在另一个工位连通排气主路的前端入气口与石英管反应容器的入口；
所述的尾气分析系统包括多组分尾气分析仪；样件加热流动反应器的出口三通阀在一个工位连通石英管反应容器的出口与多组分尾气分析仪的入气口，在另一个工位连通样件加热流动反应器旁路管道的前端口与多组分尾气分析仪的入气口；配气系统的四通换向电磁阀的两个出气口分别接排气主路的前端入气口和多组分尾气分析仪的出气口；多组分尾气分析仪采集和分析石英管反应容器入、出口的尾气成分及浓度。
所述的基础气体配气器包括N2配气瓶、O2配气瓶和CO2配气瓶，氮氧化物配气器包括装有2％浓度NO的NO配气瓶和装有2％浓度NO2的NO2配气瓶，还原气体配气器的两种气源配气瓶分别为装有2％浓度NH3的NH3配气瓶和还原N2配气瓶。
所述的多组分尾气分析仪获得SCR催化剂小样的尾气净化效率和氨存储动态特性。
所述的多组分尾气分析仪采用傅氏转换红外线光谱分析仪。
本发明的有益效果：
1.基于标准气配气、蠕动泵加湿和管式电阻炉加热来产生SCR催化剂活性和耐久性测试所需的模拟柴油机尾气，相比发动机台架和整车测试，运行成本低、试验周期短、节能环保。
2.配气系统、加湿系统及反应加热系统等相对独立，模拟尾气的流量、温度及关键成分完全解耦控制，相比发动机台架和整车测试，模拟尾气状态具有比实际柴油机更宽的调整范围。
3.较宽的模拟尾气状态调整范围使得本发明试验装置不仅适用于面向SCR催化剂小样的活性评价测试，同时也可以开展快速水热老化等耐久性测试。
4.配气系统中，还原气体包括NH3和还原N2两路，增设了一个四通换向电磁阀对两路还原气体进行高速切换，实现了比传统质量流量控制器响应更快的模拟尾气中NH3阶跃控制，满足了SCR催化剂氨存储动态特性等瞬态测试需求。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，用于SCR催化剂动态反应测试的流动反应试验装置，包括配气系统、加湿系统、管道加热系统、样件加热流动反应器、尾气分析系统。可通过配气系统配气、蠕动泵加湿、管式电阻炉加热等方式产生测试所需模拟尾气的流量、温度和关键气体成分，SCR催化剂小样置于样件加热流动反应器中，配合多组分尾气分析仪对样件加热流动反应器前、后尾气成分采集和分析，完成SCR催化剂小样活性评价。试验装置具有比实际柴油机更宽的尾气状态调整范围，可方便开展快速水热老化等耐久性测试。基于四通换向电磁阀的还原气体通道高速切换机制，可满足SCR催化剂氨存储动态特性等瞬态测试需求。
配气系统主要用于提供测试所需模拟尾气的流量和除水蒸气之外的其他关键气体成分。参照柴油机尾气的典型气体成分，配气系统涵盖的气体成分包括基础气体(N2、O2和CO2)、氮氧化物(2％浓度NO和2％浓度NO2)和还原气体(2％浓度NH3和还原N2)。每一路气体均由高压标准气瓶提供气源(基础气体高压标准气1、氮氧化物高压标准气2、还原气体高压标准气4)，经减压阀(基础气体减压阀30、氮氧化物减压阀29、还原气体减压阀3)、手动截止阀(基础气体和氮氧化物截止阀28、还原气体截止阀5)、质量流量控制器(N2质量流量控制器27、O2质量流量控制器26、CO2质量流量控制器25、NO质量流量控制器24、NO2质量流量控制器23、NH3质量流量控制器6、还原N2质量流量控制器7)、单向阀(基础气体和氮氧化物单向阀22、还原气体单向阀8)后进入排气主路进行混合。每一路气体的质量流量由其对应的质量流量控制器根据当前试验工况的模拟尾气成分浓度要求进行控制，其中基础气体中的N2作为平衡气体处理。
还原气体回路中，还原气体单向阀8出口与排气主路之间通过四通换向电磁阀9相连。四通换向电磁阀9输入气源包括NH3和还原N2两路，四通换向电磁阀9具有两个状态(2位)，使还原气体通道可在NH3和还原N2两种气源间高速切换，一路输出给排气主路与基础气体和氮氧化物混合，另一路则输出直接排出装置外部，实现了比传统质量流量控制器响应更快的模拟尾气中NH3的阶跃控制，满足了SCR催化剂氨存储动态特性等研发过程中的瞬态测试需求。为防止还原气体NH3与液态水反应及减少NH3在管路上的吸附效应，基础气体首先与氮氧化物混合，经蠕动泵20加湿并充分加热后，在进入管式电阻炉10之前，将还原气体通入排气主路中进行混合形成最终的测试用模拟尾气。
加湿系统主要用于在测试所需模拟尾气添加一定比例的水蒸气含量，使模拟尾气更加接近实际柴油机的尾气状态。加湿系统的水源来自去离子水及水箱21，由蠕动泵20将定量去离子水打入排气主路中，与基础气体和氮氧化物进行混合。液态去离子水的量由当前试验工况的模拟尾气水蒸气含量要求确定。液态去离子水进入排气主路管道后，在柔性管道加热套17作用下，迅速气化并与管道中的尾气充分混合。通过调整蠕动泵20的转速，可以调整液态去离子水的注入量，从而改变模拟尾气中的水蒸气含量。
管道加热系统用于将经配气和加湿系统后、样件加热流动反应器和尾气分析系统前的管道温度维持在合适的范围内(190-200℃)，一方面加速加湿系统去离子水的气化，另一方面防止尾气中的水蒸气冷凝和减少氨管道吸附。管道加热系统在样件加热流动反应器的入口三通阀19和出口三通阀12处均安装有管道温度传感器，温度信号传给管道加热控制器14作为反馈信号，管道加热控制器14经计算后控制柔性管道加热套17的加热温度，从而将排气主路管道和样件加热流动反应器旁路管道的温度控制在要求范围内。
样件加热流动反应器用于提供SCR催化剂活性及耐久性测试所需的温度和选择性催化还原反应场所。SCR催化剂小样16放置在石英管制成的反应容器中，样品催化床及反应气体温度由内置的温度传感器进行检测。石英管反应容器放置在管式电阻炉10内部，管式电阻炉10的温度由反应加热控制器11根据当前的样品催化床及反应气体反馈温度进行控制。反应容器前后安装有入口压力仪表18和出口压力仪表15，用于监测测试过程中管道内部流动阻力。
尾气分析系统主要用于对样件加热流动反应器入口和出口的尾气成分进行采集、分析和数据记录。尾气分析系统包括多组分尾气分析仪13，如采用FTIR(傅氏转换红外线光谱分析仪)，可对模拟尾气中的多种成分进行高精度、连续、快速和同时采样及分析。通过调整入口三通阀19和出口三通阀12开关状态，可以让多组分尾气分析仪13分时采集和分析样件加热流动反应器入口、出口的尾气成分及浓度，从而获得SCR催化剂小样16的尾气净化效率、氨存储动态特性等多种活性。
Claims (3)
1.用于SCR催化剂动态反应测试的流动反应试验装置，包括配气系统、加湿系统、管道加热系统、样件加热流动反应器和尾气分析系统，其特征在于：所述的配气系统包括基础气体配气器、氮氧化物配气器和还原气体配气器；基础气体配气器和氮氧化物配气器均通过高压标准气瓶并经截止阀给排气主路的后端入气口提供气源，且各自通过质量流量控制器控制流量；还原气体配气器包括两种气源配气瓶和四通换向电磁阀，两种气源配气瓶通过单向阀接四通换向电磁阀的两个入气口；四通换向电磁阀为两位阀；两种气源配气瓶各自通过质量流量控制器控制流量；所述的加湿系统包括去离子水、水箱和蠕动泵；蠕动泵将水箱中的去离子水打入排气主路的后端入气口和前端入气口之间；
所述的管道加热系统包括柔性管道加热套、管道温度传感器和管道加热控制器；样件加热流动反应器的入口三通阀和出口三通阀处均安装有管道温度传感器，管道温度传感器的温度信号传给管道加热控制器作为反馈信号，管道加热控制器控制柔性管道加热套的加热温度；柔性管道加热套套置在排气主路和样件加热流动反应器旁路管道上；
所述的样件加热流动反应器包括石英管反应容器、反应温度传感器、管式电阻炉和反应加热控制器；石英管反应容器放置在管式电阻炉内，反应温度传感器将检测到的管式电阻炉温度信号传给反应加热控制器作为反馈信号，反应加热控制器控制管式电阻炉的加热温度；石英管反应容器入、出口处分别安装有入口压力仪表和出口压力仪表；入口三通阀在一个工位连通排气主路的前端入气口与样件加热流动反应器旁路管道的后端口，在另一个工位连通排气主路的前端入气口与石英管反应容器的入口；
所述的尾气分析系统包括多组分尾气分析仪；样件加热流动反应器的出口三通阀在一个工位连通石英管反应容器的出口与多组分尾气分析仪的入气口，在另一个工位连通样件加热流动反应器旁路管道的前端口与多组分尾气分析仪的入气口；配气系统的四通换向电磁阀的两个出气口分别接排气主路的前端入气口和多组分尾气分析仪的出气口；多组分尾气分析仪采集和分析石英管反应容器入、出口的尾气成分及浓度；
所述的基础气体配气器包括N2配气瓶、O2配气瓶和CO2配气瓶，氮氧化物配气器包括装有2％浓度NO的NO配气瓶和装有2％浓度NO2的NO2配气瓶，还原气体配气器的两种气源配气瓶分别为装有2％浓度NH3的NH3配气瓶和还原N2配气瓶；
管道加热系统用于将经配气系统和加湿系统后、样件加热流动反应器和尾气分析系统前的管道温度维持在190-200℃，一方面加速加湿系统去离子水的气化，另一方面防止水蒸气冷凝和减少氨气在管道上吸附；
SCR催化剂小样置于样件加热流动反应器中，配合多组分尾气分析仪对样件加热流动反应器前、后尾气成分采集和分析，完成SCR催化剂小样活性评价。
2.根据权利要求1所述的用于SCR催化剂动态反应测试的流动反应试验装置，其特征在于：所述的多组分尾气分析仪获得SCR催化剂小样的尾气净化效率和氨存储动态特性。
3.根据权利要求1所述的用于SCR催化剂动态反应测试的流动反应试验装置，其特征在于：所述的多组分尾气分析仪采用傅氏转换红外线光谱分析仪。
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