CN109884256A - Scr催化箱多截面测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及SCR催化箱多截面测量系统，SCR催化箱多截面测量系统包括催化箱，催化箱包括箱体，箱体内设有催化剂载体，催化剂载体用于对箱体内的气体进行催化处理；箱体包括气体检测段，气体检测段上连接有用于采集气体信息的气体信息采集装置；气体信息采集装置用于检测箱体轴向的相应部位处的气体浓度分布；箱体内设有催化剂载体的部分包括两段以上分段，各分段沿箱体轴向间隔布置。箱体内设有催化剂载体的部分包括两段以上分段，各分段沿箱体轴向间隔布置，气体检测段上连接气体信息采集装置，通过气体信息采集装置可检测箱体轴向的相应部位处气体的浓度分布，相邻两段分段之间均设置气体检测段，实现对催化箱内部气体浓度分布进行测量。

Description

SCR催化箱多截面测量系统

技术领域

本发明涉及SCR催化箱多截面测量系统。

背景技术

柴油机凭借其在热效率、动力性和燃油经济性等方面的优势，广泛应用于交通运输、能源动力和农用机械等重要领域。柴油机尾气中所含有的主要污染物是氮氧化物和PM，目前采用高压喷射、优化燃烧等措施在柴油机内降低 PM（Particulate Matter，微粒，碳烟），再通过SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原）技术降低氮氧化物，具体的，通过尿素喷嘴将尿素喷入排气管道中受热分解为氨气作为还原氮氧化物的还原剂，氨气在SCR反应器中再与尾气中的氮氧化物反应，生成无污染的氮气和水，实现对尾气中氮氧化物的净化。

影响SCR反应的因素很多，其中催化箱内催化剂性能以及催化剂内氨气分布的均匀性是影响氮氧化物转化效率的主要因素。催化剂性能试验方面往往由于实机影响因素过多和试验时受限于测点位置的选取，所得结果只能反映催化箱外部分情况。南京理工大学的喻乐蒙在题目为《柴油机(车)尾气SCR脱硝催化剂的制备及性能研究》博士学位论文中提出，柴油机真实尾气中的实际组分更加复杂，其中可能存在的碳烟、CO、CO₂等有可能对催化剂的脱硝活性产生一定的影响，在以后的研究中需要改善试验条件及检测手段，进一步研究真实尾气中催化剂的活性变化机制。江苏大学的王军在《车用发动机》的2017年8月第4期中发表的题目为《柴油机SCR 系统氮氧化物转化率影响因素的研究》的论文中，通过运用AVL FIRE软件对发动机不同工况下催化器整体效率进行了模拟，并且搭建台架进行试验和模拟结果进行对比。也模拟了不同工况下催化器内部尿素液滴、氨气及氮氧化物的分布，但是却不能通过实机试验产生结果与之形成相应对比。

数值模拟中，由于考虑的边界条件及影响因素与试验有一定偏差，在计算化学反应过程中不能考虑全所有反应过程，导致其计算结果与试验相比偏差较大。大连理工大学的苏庆运在《内燃机学报》的第35卷（2017）第1期中发表的题目为《柴油机SCR催化转化器的数值模拟》的论文中，模拟催化器内部化学反应过程并通过试验与模拟对照，结果表明在氮氧化物转化反应过程中模拟和试验结果相差很大，仅描述了催化器出口和入口的浓度，催化器内部尾气浓度变化情况未进行说明。

催化箱内气体流场和浓度场的分布均匀性也会对SCR催化性能产生影响。若混合良好，氮氧化物和氨气在催化剂内充分反应可达到一个好的脱硝效率。若浓度场混合程度不好，就会出现氮氧化物和氨气浓度分布不均，导致某些区域氨氮比过量，某些区域氨氮比较低，出现氨逃逸或氮氧化物脱除不足的情况。清华大学的李晗天在题目为《流场与还原剂分布不均匀性对SCR反应器脱硝性能的影响》的学位论文中，通过模拟SCR催化剂单通道模型并将其组合为整个催化箱进行模拟，但是无法得知分布面上氨气浓度的不均匀分布程度，只能为每个通道设置不同的入口空速和氨氮比。模拟了不同浓度偏差下NO出口浓度和氨逃逸变化情况。未进行实机试验。中北大学的牛彩伟于2016年10月在《热能动力工程》的第31卷第10期中发表的题目为《基于流场不均匀度对SCR效率影响的探究》的论文中，通过模拟得出NO、氨气浓度均匀度随工况不同变化显著，在低负荷下烟气中的NO、氨气浓度的不均匀度会升高，导致催化剂利用不充分，脱硝效率降低，未进行实机试验将其验证。

授权公告号为CN208075915U，授权公告日为2018.11.09的中国实用新型专利公开了一种气体处理测量系统，该气体处理测量系统包括气体处理催化箱，气体催化箱包括箱体和设置在箱体内的催化剂载体，箱体包括气体处理段和气体检测段，催化剂载体位于气体处理段内，气体检测段连接有气体信息采集装置。气体采集装置包括设置在气体检测段上的采集部件以及与采集部件连接的检测装置；具体的采集部件可以为热电偶，相应的检测装置为包括温度采集仪及计算机的温度检测装置，温度采集仪、采集部件和计算机之间通过采集线束连接，以对气体检测段内的气体温度进行检测；采集部件也可为集气管，此时检测装置为包括采集盒和气体分析仪的气体检测装置，气体采集盒与采集部件、气体分析仪之间通过气管连接，以对气体检测段内的气体成分进行检测。但是上述气体处理测量系统仅能够对气体检测段的进口和出口气体进行测量，不能对催化箱内部的气体浓度分布进行测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SCR催化箱多截面测量系统，以实现对催化箱内部的气体浓度分布进行测量。

本发明的SCR催化箱多截面测量系统采用如下技术方案：

SCR催化箱多截面测量系统包括催化箱，催化箱包括箱体，箱体内设有催化剂载体，催化剂载体用于对箱体内的气体进行催化处理；箱体包括气体检测段，气体检测段上连接有用于采集气体信息的气体信息采集装置；气体信息采集装置用于检测箱体轴向的相应部位处的气体浓度分布；箱体内设有催化剂载体的部分包括两段以上分段，各分段沿箱体轴向间隔布置；相邻两段分段之间均设有所述气体检测段。

本发明的有益效果是：箱体内设有催化剂载体的部分包括两段以上分段，各分段沿箱体轴向间隔布置，气体检测段上连接气体信息采集装置，通过气体信息采集装置可检测箱体轴向的相应部位处气体的浓度分布，相邻两段分段之间均设置气体检测段，实现对催化箱内部的气体浓度分布进行测量。

进一步的，至少两段分段具有不同的长度，定义箱体内气体自前向后流动，任意两段相邻的分段中，后一分段的长度不小于前一分段的长度。由于越靠近箱体前侧气体浓度越大，且在轴向上气体浓度变化也较快，后一分段长度等于或大于前一分段长度，使气体检测段在箱体前侧布置较密集，后侧布置较稀疏，从而可减小气体检测段采样的浓度梯度。

进一步的，所述气体检测段包括环形壳体，所述气体信息采集装置包括周向采样管和气体分析仪，所述周向采样管与气体分析仪连接，所述周向采样管围绕环形壳体轴线均匀分布，所述周向采样管的管口与环形壳体轴线之间具有间距，采集管沿环形壳体轴线均布，利于对箱体同一截面不同部位处气体进行采集测量。

进一步的，所述气体信息采集装置还包括设置在环形壳体上的中心采样管，所述中心采样管的管口设置在环形壳体的轴线上，实现对气体检测段中心处气体进行采集测量。

进一步的，所述气体分析仪设有一个，各采样管均通过管路与气体分析仪连接，各采样管上均设置有独立的阀门，通过阀门控制相应采样管与气体分析仪的连通与断开，通过同一气体分析仪便可通过阀门控制完成对箱体各处气体的检测，减少了气体分析仪的数量，有利于节约成本。

进一步的，所述管路包括一级管路和二级管路，设置在各气体检测段上的采样管沿箱体轴向排列，沿箱体轴向排列的各采样管连接在同一二级管路上，各二级管路通过一级管路与气体分析仪连接，管路布局规律，方便管路设计和连接。

进一步的，所述SCR催化箱多截面测量系统还包括设置在箱体进口处的进口采样管，以及设置在箱体出口处的出口采样管，进口采样管与出口采样管上分别对应设有独立的阀门，实现对箱体进口和箱体出口处气体的采集分析，对整体催化箱催化效率进行测量。

进一步的，所述所述气体信息采集装置还包括设置在气体检测段上的压力传感器，压力传感器用于采集相应气体检测段处的气体压力，方便得到箱体各截面处气体压力分布。

附图说明

图1为本发明的SCR催化箱多截面测量系统的具体实施例的结构示意图；

图2为图1中气体检测段的剖视图；

图3为图2中环形壳体的主视图；

图4为图2中环形壳体的侧面剖视图；

图5为图2中周向采样管的结构示意图；

图6为图2中中心采样管的结构示意图；

图7为图2中压力传感器的结构示意图。

图中：1-排气管；2-渐扩管；3-短分段；4-分段快装头；5-气体检测段；6-固定座；7-长分段；8-一级管路；9-阀门；10-管路接头；11-气体分析仪；12-箱体末端；13-箱体出口；14-检测段快装头；15-二级管路；16-环形壳体；17-周向采样管；18-外螺纹；19-温度传感器；20-压力传感器；21-压力显示仪；22-压力采集线束；23-温度采集线束；24-温度显示仪；25-中心采样管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的SCR催化箱多截面测量系统的具体实施例，如图1所示，SCR催化箱多截面测量系统包括催化箱，催化箱包括箱体，箱体内设有催化剂载体，催化剂载体用于对箱体内的气体进行催化处理。本实施例中的箱体内设有催化剂载体的部分包括四段分段，其中两个为短分段3，另外两个为长分段7，短分段3的长度小于长分段7的长度，且两个短分段3长度相等，两个长分段7长度相等，定义箱体内气体自前向后流动，各分段沿箱体轴向间隔布置，且两个短分段3设置在两个长分段7的前侧。

在每个分段的后侧布置相应独立的气体检测段5，即相邻两分段之间，以及最后一分段的后侧均设有气体检测段5，气体检测段5上连接有用于采集气体信息的气体信息采集装置，对相应分段后的尾气进行多点采集，以检测箱体轴向的相应部位处的气体浓度分布。另外，在箱体前端排气管1处，即箱体进口处布置有进口采样管，用于对箱体进口处的气体进行采集测量。在箱体末端12处，即箱体出口13处布置有出口采样管，用于对整体催化箱催化效率进行测量。

本发明将箱体内设有催化剂载体的部分分隔成多段，在每段之间均设置气体检测段5，提供催化箱内部采集位置，实现对催化箱内部的氮氧化物、氨气浓度分布进行测量。尾气经过排气管1、渐扩管2进入设有催化剂载体的箱体部分，通过短分段3之后气体成分在催化剂的作用下发生反应变化。如图3和图4所示，气体检测段5包括环形壳体16和设置在环形壳体16两端的检测段快装头14，相应的，各分段上对应设有与检测段快装头14对应的分段快装头4，分段与气体检测段5通过分段快装头4和检测段快装头14固定连接。

环形壳体16上环绕布置有八个固定座6，其中六个固定座6周向均匀排布，每个相邻固定座6夹角为60°，六个固定座6上各安装一个如图5所示的周向采样管17，周向采样管17的管口与环形壳体16轴线之间具有一定间距，以采集气体检测段5的截面周向参数。另外两个固定座6各分布于一侧，一个安装如图6所示中心采样管25，中心采样管25的管口设置在环形壳体16的轴线上，用以采集催化剂截面中心参数，另一个安装如图7所示的压力传感器20，用于对每个分段后截面压力变化进行测量，压力传感器20采集到压力数据通过线束传输到压力采集仪内，分析尾气通过各分段后压力变化，从而研究催化剂内部实际压力变化情况。本实施例中，安装中心采样管25的固定座6与相邻的安装采样管的固定座6夹角为30°，安装压力传感器20的固定座6与相邻的安装采样管的固定座6夹角也为30°。

如图2所示，各气体检测段5的截面布置七个气体成分采集点和一个压力测量点，七个气体成分采集点中的其中六个沿环形壳体16周向均布，即周向采样管17的管口位置，另一个设置在环形壳体16轴线上，即中心采样管25的管口位置。多个采集点设置可以对相应分段后各个位置点的气体成分进行采集。尾气依次通过每个分段，在每个分段后布置相同的气体检测段5，即可对于设有催化剂载体的箱体部分内部多个截面气体进行采集。

考虑到成本问题，目前，各采样管采集的气体通过同一气体分析仪11进行分析，通过设置合理的管路将各采样管采集到尾气进行合理导向，可避免采集过程中各采样管采集到的气体成分混合，导致测试数据出现较大误差。具体的，在进口采样管、出口采样管及各周向采样管17和各中心采样管25之间设置管路与同一气体分析仪11连接，如图1所示，管路包括一级管路8和二级管路15，设置在各气体检测段5上的采样管沿箱体轴向排列，其中沿箱体轴向排列的同一排采样管连接在同一二级管路15上，各二级管路15通过一级管路8与气体分析仪11连接。即设置七个二级管路15，七个二级管路15通过管路接头10连接至一级管路8并通向气体分析仪11。

另外，管路中每个采样管上方均设置独立的阀门9，试验过程中每个阀门9都处于关闭状态，待发动机运行稳定到被测工况后，开启所要测量位置的阀门9即可使得对应位置气体通入气体分析仪11，测试完毕之后关闭相应阀门9。多次测量之后将多个截面数据整合可详细研究催化箱内部氮氧化物、氨气的成分分布。

本实施例中的气体检测段5的固定座6上设有外螺纹18，环形壳体16上对应设有内螺纹孔，各固定座6螺纹连接在环形壳体16上。本实施例中的SCR催化箱多截面测量系统还可以针对分段内不同截面温度分布进行测量，具体的，在各采样管的管口布置温度传感器19，针对分段内不同截面温度进行测量。尾气经过排气管1、渐扩管2进入设有催化剂载体的箱体部分，气体温度分布在催化剂的作用下发生变化，温度传感器19采集到的温度数据通过温度采集线束23传输到温度采集仪内，可以研究催化剂内部实际温度分布情况。

需要说明的是，具体使用时，可在采样管的侧壁上设置供温度采集线束23穿出的槽或孔，在将温度采集线束23穿出后，向槽或孔内灌胶密封，避免采样管漏气。考虑到采样管的设置会影响到箱体内气体流动，具体使用时，可尽量使用尺寸较小的采样管，也可以尽量减小相邻分段之间的轴向距离。

上述气体信息采集装置共设置三种，其中一种为气体成分采集装置，由采样管、一级管路8、二级管路15和气体分析仪11组成；另一种为气体压力采集装置，由压力传感器20、压力采集线束22和压力显示仪21组成；还有一种为气体温度采集装置，由温度传感器19、温度采集线束23和温度显示仪24组成。

在其他实施例中，箱体内设有催化剂载体的部分可根据需要包括两段、三段或四段以上的分段，相邻分段之间均设置气体检测段，各分段的长度可均相等，此时，优选的增加分段数量，以减小气体检测段采样的浓度梯度；或者，至少一个为长度较短的段分段，至少一个为长度较长的长分段，只需使两段相邻的分段中，后一分段的长度不小于前一分段的长度即可。

在其他实施例中，气体检测段可采用背景技术中引用的专利文件中公开的气体检测段，即气体检测段与相邻的分段转动配合，此时可在气体采集段上仅设置一个采样管，通过转动气体检测段以对分段后不同位置处的气体进行检测。也可不设置中心采样管，此时采样管沿气体检测段径向活动装配在气体检测段上，以通过采样管的活动，对分段后中心位置及其他位置处的气体进行检测。

在其他实施例中，可设置两个以上的气体分析仪，同一气体检测段上的采样管与同一气体分析仪连接；或者，设置与各采样管一一对应的气体分析仪，通过不同的气体分析仪对不同采样管采集的气体进行成分分析，此时可以不设置阀门。

在其他实施例中，管路的布置形式也可为其他布置形式，例如同一气体采集段上的采样管可同时与同一二级管路连接，然后各二级管路通过一级管路与气体分析仪连接。

在其他实施例中，可不设置进口采样管和出口采样管。

在其他实施例中，气体检测段上可不设置压力传感器，或者在分段上开设供将压力传感器的压力采集线束穿出的安装孔，再将压力传感器安装在分段上后，通过灌胶将安装孔密封。

Claims (8)

1.SCR催化箱多截面测量系统，包括催化箱，催化箱包括箱体，箱体内设有催化剂载体，催化剂载体用于对箱体内的气体进行催化处理；

箱体包括气体检测段，气体检测段上连接有用于采集气体信息的气体信息采集装置；气体信息采集装置用于检测箱体轴向的相应部位处的气体浓度分布；

其特征是，

箱体内设有催化剂载体的部分包括两段以上分段，各分段沿箱体轴向间隔布置；

相邻两段分段之间均设有所述气体检测段。

2.根据权利要求1所述的SCR催化箱多截面测量系统，其特征是，至少两段分段具有不同的长度，定义箱体内气体自前向后流动，任意两段相邻的分段中，后一分段的长度不小于前一分段的长度。

3.根据权利要求1或2所述的SCR催化箱多截面测量系统，其特征是，所述气体检测段包括环形壳体，所述气体信息采集装置包括周向采样管和气体分析仪，所述周向采样管与气体分析仪连接，所述周向采样管围绕环形壳体轴线均匀分布，所述周向采样管的管口与环形壳体轴线之间具有间距。

4.根据权利要求3所述的SCR催化箱多截面测量系统，其特征是，所述气体信息采集装置还包括设置在环形壳体上的中心采样管，所述中心采样管的管口设置在环形壳体的轴线上。

5.根据权利要求4所述的SCR催化箱多截面测量系统，其特征是，所述气体分析仪设有一个，各采样管均通过管路与气体分析仪连接，各采样管上均设置有独立的阀门，通过阀门控制相应采样管与气体分析仪的连通与断开。

6.根据权利要求5所述的SCR催化箱多截面测量系统，其特征是，所述管路包括一级管路和二级管路，设置在各气体检测段上的采样管沿箱体轴向排列，沿箱体轴向排列的各采样管连接在同一二级管路上，各二级管路通过一级管路与气体分析仪连接。

7.根据权利要求5所述的SCR催化箱多截面测量系统，其特征是，所述SCR催化箱多截面测量系统还包括设置在箱体进口处的进口采样管，以及设置在箱体出口处的出口采样管，进口采样管与出口采样管上分别对应设有独立的阀门。

8.根据权利要求1或2所述的SCR催化箱多截面测量系统，其特征是，所述气体信息采集装置还包括设置在气体检测段上的压力传感器，压力传感器用于采集相应气体检测段处的气体压力。