CN107014106A - 一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统及其应用 - Google Patents

一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，包括蒸发器、储液罐、冷凝器、吸附床和催化反应器；吸附床经第三支管与冷凝器连通，经第四支管与蒸发器连通，储液罐分别与冷凝器和蒸发器连通，第二支管与催化反应器连通；第六支管与第五支管连通，烟气入口经第五支管通入吸附床，吸附床与催化反应器连通，催化反应器设有烟气出口；在与烟气流动垂直方向上，吸附床的一侧设有冷却风机；吸附床内填充有用于吸附制冷工质的多盐复合吸附剂。本发明通过设置吸附式制冷循环和催化反应器，及其之间连接关系和阀门控制方式，使得吸附式制冷循环和尾气净化均得以实现，且使系统结构更加简单，更加小型化，更便于安装在空间狭小的机车上。

Description

一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统及其 应用
技术领域
本发明属于吸附式制冷与汽车尾气处理技术领域，特别涉及一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统。
背景技术
随着人们生活水平的提高，目前市场上柴油车数目庞大，而其发动机尾气温度较高，其中所含氮氧化物也较多，直接排放不仅造成能源浪费也会对环境造成污染，与当前世界能源与环境形势不符。现有柴油车制冷所采用的依然是传统的机械压缩式制冷方式，压缩机由发动机驱动，从而造成油耗与排放的增加。
由于化石能源危机的出现和人类环境保护意识的增强，“节能减排”已成为从事有关技术研发人员的指导思想。吸附式制冷作为一种可利用废热作为驱动热源的制冷方式，受到越来越多的关注，有学者想到利用发动机尾气的热量来实现冷量供应，设计并搭建了一套内燃机烟气余热驱动的沸石-水吸附式空调系统，该空调系统为机车驾驶室提供冷量。然而对于市场上的部分柴油机车(如冷藏车)，需要达到-18℃的制冷温度，水不再适合做制冷剂，需要开发一套适用范围更广的系统。且柴油机车尾气须经过处理方可排放，选择性催化还原法(SCR)是减少汽车尾气中氮氧化合物排放量最为有效、技术上也较为成熟的方法，现市场上的尾气处理装置中所采用的最常见的还原剂是尿素，且制冷与尾气处理是两套分别独立的装置。
氨作为另一种非氯氟烃类工质，合成工艺成熟，价格低廉，广泛应用于工业中，其ODP值(臭氧耗减潜能值)和GWP值(全球变暖潜能值)均为0，不会对大气臭氧层或生态环境产生破坏，且适用于冷冻工况，是一种比较理想的制冷剂。同时，氨也能作为还原剂，与尾气中的氮氧化物反应生成无污染的产物N2和H2O。因此，可设计一套用于柴油机车的制冷与除NOx的联合循环系统具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明提供一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，有效利用发动机尾气中的废热，降低柴油机车制冷成本，同时对尾气中的氮氧化物进行处理，减少对环境的污染，实现“节能减排”，同时实现系统的小型化，结构简单化。
本发明的技术方案如下：
一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，包括蒸发器、储液罐、冷凝器、吸附床和催化反应器；
所述的吸附床经第一总管分出第一支管和第二支管，其中，所述的第一支
管再分出第三支管和第四支管，所述的第三支管与所述的冷凝器连通，所
述的第四支管与所述的蒸发器连通，所述的储液罐分别与所述的冷凝器和
所述的蒸发器连通，所述的第二支管与所述的催化反应器连通；
烟气入口经第二总管分出第五支管和第六支管，其中，所述的第六支管与
所述的第五支管连通，所述的第五支管通入所述的吸附床，所述的吸附床
与所述的催化反应器连通，所述的催化反应器设有烟气出口；
在与烟气流动垂直方向上，所述的吸附床的一侧设有冷却风机，用于冷却
所述的吸附床；
所述的吸附床内填充有用于吸附制冷工质氨的多盐复合吸附剂。
优选为，所述的储液罐通过所述的第三支管与所述的冷凝器连通，所述的储液罐通过所述的第四支管与所述的蒸发器连通。
优选为，在所述的储液罐与所述的冷凝器连通的所述的第三支管上、在所述的冷凝器与所述的第一支管连通的所述的第三支管上和在所述的蒸发器与所述的第一支管连通的所述的第四支管上均设有控制阀；在所述的储液罐与所述的蒸发器连通的所述的第四支管上设有膨胀阀。
优选为，所述的吸附床通过所述的第五支管与所述的催化反应器连通。
优选为，在靠近所述的吸附床两侧的所述的第五支管上和在所述的第六支管的两端均设有控制阀。
优选为，在所述的吸附床内沿冷气流动方向上设有三层单元管层，其中，中间层设有7根所述的单元管，其余两层均设有8根所述的单元管，所述的单元管为外径42mm，壁厚1.5mm的无缝不锈钢管，管间距为57mm，层间距为66mm，所述的单元管内填充有用于吸附制冷工质的多盐复合吸附剂。
优选为，所述的多盐复合吸附剂为氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂或氯化铵/氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂。
优选为，所述的氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂中氯化钙与氯化锰的质量比为1～7:1～7，氯化钙/氯化锰和膨胀硫化石墨的质量比为1～9:1。
优选为，所述的氯化铵/氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂中氯化铵、氯化钙、氯化锰的质量比为1～7:1～7:1～7，氯化铵/氯化钙/氯化锰和膨胀硫化石墨的质量比为1～9:1。
本发明还公开一种上所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统在柴油机车上的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
一、本发明的一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，通过在吸附床内填充有吸附制冷工质的多盐复合吸附剂，且以氨为制冷工质，利用汽车尾气余热实现吸附式制冷循环，提供冷冻工况；
二、本发明的一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，还设置有配套的催化反应器，引入制冷系统少量的氨气，以氨气作为尾气中NOx的还原剂，实现尾气的净化，无需另设一套尾气处理装置及储氨装置；
三、本发明的一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，通过合理设置吸附式制冷循环与催化反应器的连接关系及阀门控制方式，使得吸附式制冷循环和尾气净化均得以实现，且使整个系统结构更加简单，更加小型化，更便于安装在空间狭小的机车上。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明的一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统的结构原理图；
图2为发动机尾气在吸附床中的流动示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明的一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，包括蒸发器、储液罐、冷凝器、吸附床和催化反应器；所述的吸附床经第一总管1分出第一支管2和第二支管3，其中，所述的第一支管2再分出第三支管4和第四支管5，所述的第三支管4与所述的冷凝器连通，所述的第四支管5与所述的蒸发器连通，所述的储液罐通过所述的第三支管4与所述的冷凝器连通，所述的储液罐通过所述的第四支管5与所述的蒸发器连通，所述的第二支管3与所述的催化反应器连通；烟气入口经第二总管6分出第五支管7和第六支管8，其中，所述的第六支管8与所述的第五支管7连通，所述的第五支管7通入所述的吸附床，所述的吸附床通过所述的第五支管7与所述的催化反应器连通，所述的催化反应器设有烟气出口；所述的吸附床内填充有用于吸附制冷工质氨的多盐复合吸附剂。
发动机尾气进入吸附床，对吸附床进行加热，吸附床内多盐复合吸附剂与氨形成的络合物受热分解，解吸的气态氨一部分流入冷凝器中冷凝成液态，储存在储液罐中，另一部分气态氨通入催化反应器，用于还原尾气中的氮氧化物。当启动冷却风机对吸附床进行冷却时，吸附床内温度降低，压力减小，由于压差作用，储液罐中的液态氨将流入蒸发器，并在其中吸热蒸发，从而实现冷量的输出，蒸发得到的气态氨一部分进入吸附床，被多盐复合吸附剂所吸附，形成一个完整的制冷循环，而另一部分的气态氨通入催化反应器，用于还原尾气中的氮氧化物，生成无污染的产物，最后达到排放标准的尾气再排放到外界环境。
在所述的储液罐与所述的冷凝器连通的所述的第三支管4上、在所述的冷凝器与所述的第一支管2连通的所述的第三支管4上和在所述的蒸发器与所述的第一支管2连通的所述的第四支管5上均设有控制阀，分别为VA2、VA3和VA4；在所述的储液罐与所述的蒸发器连通的所述的第四支管5上设有膨胀阀VA1。在靠近所述的吸附床两侧的所述的第五支管7上和在所述的第六支管8的两端均设有控制阀，分别为VE1、VE3、VE2和VE4。
在与烟气流动垂直方向上，所述的吸附床的一侧设有冷却风机(图中未标出)。
在所述的吸附床内沿冷气流动方向上设有三层单元管层(图中未标出)，其中，中间层设有7根所述的单元管，其余两层均设有8根所述的单元管，所述的单元管为外径42mm，壁厚1.5mm的无缝不锈钢管，管间距为57mm，层间距为66mm，所述的单元管内填充有用于吸附制冷工质的多盐复合吸附剂，填充密度为200～1000kg/m3，加热过程所用的发动机烟气与冷却过程所用的外界空气都在单元管外流动。
所述的多盐复合吸附剂为氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂或氯化铵/氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂。其中，所述的氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂中氯化钙与氯化锰的质量比为1～7:1～7，氯化钙/氯化锰和膨胀硫化石墨的质量比为1～9:1。所述的氯化铵/氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂中氯化铵、氯化钙、氯化锰的质量比为1～7:1～7:1～7，氯化铵/氯化钙/氯化锰和膨胀硫化石墨的质量比为1～9:1。
实施例1
如图1所示，本发明一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统在柴油机车上的应用，其中，VA1为氨用膨胀阀，VA2-4为普通氨用阀门，VE1-4为烟气阀门。本发明对蒸发器、储液罐、冷凝器、吸附床和催化反应器以及相应阀门的具体位置不作强制要求，根据具体的车辆空间做出合理安排；管路的布置方式亦根据实际情况而定。该循环可分为以下两个过程：
一、吸附床的加热解吸过程——打开烟气阀门VE1、VE3，关闭烟气阀门VE2、VE4，发动机尾气进入吸附床壳体，对吸附床进行加热，烟气在吸附床中的具体流动方式，如图2所示，被吸附床回收部分热量后的低温烟气再进入催化反应器中进行污染物处理，打开阀门VA3、VA2，关闭阀门VA1、VA4，吸附床中单元管内的固体吸附剂受热温度上升，氨解吸出来，一部分流入催化反应器中还原尾气中的氮氧化物，另一部分流入冷凝器中冷凝，储存在储液罐中。
二、吸附床的冷却吸附过程——此过程中利用冷却风机对吸附床进行冷却降温，打开烟气阀门VE2、VE4，关闭烟气阀门VE1、VE3，发动机尾气流经第六支管，直接进入催化反应器中进行污染物处理，打开阀门VA1、VA4，关闭阀门VA3、VA2，储液罐中的液氨流经膨胀阀VA1，压力和温度均下降，再进入蒸发器中吸热蒸发(蒸发器置于冷却空间内，故氨蒸发过程实现制冷)，流出的氨气一小部分进入催化反应器中作还原剂，其余部分进入吸附床，再与吸附床内的多盐复合吸附剂形成络合物。
为了增强烟气与吸附床内多盐吸附剂的换热，吸附床内装有两块折流板，烟气异侧进出，但同时也使烟气流动阻力增大。如图2所示，H方向为发动机烟气流动方向，C方向为冷却空气流动方向，吸附床内单元管沿C向分布有三层单元管层，中间层有7根单元管，其余两层均为8根单元管，单元管采用外径为42mm，壁厚1.5mm的无缝不锈钢管。为了降低烟气流动阻力，经过多次优化，本实施例中间距S1为57mm，S2为66mm，保证发动机余压足以驱动烟气在吸附床内以及管道中顺畅流动，最后排入外界环境。同时保证吸附床的结构紧凑，系统小型化，能够安装在空间十分有限的车辆上。沿C向仅分布三层单元管层可保证在炎热夏季，环境温度高的极端情况下吸附床仍有较好的冷却效果，保证多盐复合吸附剂所吸附的氨量，从而保证输出的制冷量。沿C向可装耗电量少，风量大的轴流冷却风机，进一步增强冷却效果，提高系统的制冷性能。
本实施例中，发动机尾气通过烟气管道进入吸附床壳体内，与单元管进行热交换后温度降低，然后流经催化反应器，去除其中的氮氧化物，再排放到外界环境中。本发明适用于柴油机车，用柴油发动机尾气中的废热来驱动吸附式制冷装置，同时实现冷量输出与除NOx排放污染。
本发明所采用的多盐复合吸附剂相对单盐复合吸附剂而言，吸附过程与解吸过程的温差明显减小，所适用的温度范围更广，从而保证在整个加热解吸过程中都有氨源源不断地从吸附床中解吸出来，分别供给SCR装置和制冷装置，确保冷量的输出以及排放的尾气中氮氧化物的含量达到排放标准以下。
本发明将集制冷与除NOx于一体，利用发动机尾气的热量驱动整个系统，运行成本几乎为零，符合当前的能源与环境政策。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，其特征在于，包括蒸发器、储液罐、冷凝器、吸附床和催化反应器；
所述的吸附床经第一总管分出第一支管和第二支管，其中，所述的第一支管再分出第三支管和第四支管，所述的第三支管与所述的冷凝器连通，所述的第四支管与所述的蒸发器连通，所述的储液罐分别与所述的冷凝器和所述的蒸发器连通，所述的第二支管与所述的催化反应器连通；
烟气入口经第二总管分出第五支管和第六支管，其中，所述的第六支管与所述的第五支管连通，所述的第五支管通入所述的吸附床，所述的吸附床与所述的催化反应器连通，所述的催化反应器设有烟气出口；
在与烟气流动垂直方向上，所述的吸附床的一侧设有冷却风机，用于冷却所述的吸附床；
所述的吸附床内填充有用于吸附制冷工质氨的多盐复合吸附剂。
2.根据权利要求1所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，其特征在于，所述的储液罐通过所述的第三支管与所述的冷凝器连通，所述的储液罐通过所述的第四支管与所述的蒸发器连通。
3.根据权利要求2所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，其特征在于，在所述的储液罐与所述的冷凝器连通的所述的第三支管上、在所述的冷凝器与所述的第一支管连通的所述的第三支管上和在所述的蒸发器与所述的第一支管连通的所述的第四支管上均设有控制阀；在所述的储液罐与所述的蒸发器连通的所述的第四支管上设有膨胀阀。
4.根据权利要求1所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，其特征在于，所述的吸附床通过所述的第五支管与所述的催化反应器连通。
5.根据权利要求4所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，其特征在于，在靠近所述的吸附床两侧的所述的第五支管上和在所述的第六支管的两端均设有控制阀。
6.根据权利要求1所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，其特征在于，在所述的吸附床内沿冷气流动方向上设有三层单元管层，其中，中间层设有7根所述的单元管，其余两层均设有8根所述的单元管，所述的单元管为外径42mm，壁厚1.5mm的无缝不锈钢管，管间距为57mm，层间距为66mm，所述的单元管内填充有用于吸附制冷工质的多盐复合吸附剂。
7.根据权利要求1所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，其特征在于，所述的多盐复合吸附剂为氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂或氯化铵/氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂。
8.根据权利要求7所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，其特征在于，所述的氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂中氯化钙与氯化锰的质量比为1～7:1～7，氯化钙/氯化锰和膨胀硫化石墨的质量比为1～9:1。
9.根据权利要求7所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统，其特征在于，所述的氯化铵/氯化钙/氯化锰/膨胀硫化石墨复合吸附剂中氯化铵、氯化钙、氯化锰的质量比为1～7:1～7:1～7，氯化铵/氯化钙/氯化锰和膨胀硫化石墨的质量比为1～9:1。
10.一种权利要求1～9所述的基于多盐复合吸附剂的制冷与除NOx联合循环系统在柴油机车上的应用。
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