CN111032195B - 在后处理系统中处理废气气体的方法和废气后处理系统 - Google Patents

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Abstract

本文描述的系统和方法涉及代替或者除了使用车载储罐(多个车载储罐)和/或给料器(多个给料器)来为废气流的净化提供必要的化学试剂之外，从发动机废气中产生氨。用于在环境条件下从废气后处理系统中的发动机废气中产生氨和/或氢气的系统和方法包括至少一种水煤气变换(WGS)催化剂和位于WGS催化剂下游的至少一种氨合成催化剂(AMS催化剂)。WGS催化剂被配置成使用发动机废气作为输入，来产生由AMS催化剂用作输入来产生氨和/或氢气的氢气。这样产生的氨和/或氢气在下游被氨基和/或氢基选择性催化还原催化剂(SCR)使用。

Description

在后处理系统中处理废气气体的方法和废气后处理系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月15日提交的标题为“AMMONIA GENERATION FROM ENGINEEXHAUST AT AMBIENT CONDITIONS USING WATER-GAS SHIFT AND AMMONIA SYNTHESISCATALYSTS”的第15/677,873号美国专利申请的优先权，该专利申请以其整体通过引用并入本文并用于所有目的。
技术领域
本申请总体上涉及用于内燃发动机的后处理系统(aftertreatment system)的领域。
背景
对于内燃发动机(诸如，柴油发动机)，氮氧化物(NOx)化合物可能在废气中被排放。为了减少NOx排放物，可实施选择性催化还原(SCR)过程，以借助于催化剂和还原剂将NOx化合物转化成更中性的化合物，例如双原子氮、水或二氧化碳。催化剂可以被包括在排气系统的催化剂室(例如车辆或动力生成单元的排气系统的催化剂室)中。还原剂(诸如，无水氨、氨水或尿素)可以在被引入催化剂室之前被引入到废气气体流中。在常规实施方式中，氨由储存在车辆上的还原剂溶液产生。为了将还原剂引入到废气气体流中以用于SCR过程，SCR系统可以通过给料模块(dosing module)(给料器)给料或以其他方式引入还原剂，该给料模块将还原剂汽化或喷射到催化剂室上游的排气系统的排气管中。常规的还原剂给料过程可能遭受后处理系统腐蚀、低温下的溶液凝结(这妨碍了催化剂性能)、需要在清空时必须重新填充的还原剂罐以及通过例如制造复杂且昂贵的喷嘴进行精确的给料控制问题。
氨合成反应通常在高压(50-200个大气压)下使用氮气和氢气来制造氨
Figure GDA0002383572990000021
常规上，用于提供车载氨合成的系统包括H2/N2储罐或作为H2的来源的燃料重整。此外，经常使用高压氨合成回路(类似于工业过程中使用的回路)。常规车载氨合成系统的复杂性需要大量的工作量和空间来执行，并且是阻碍商业应用的最大限制。
水煤气变换(WGS)催化剂使用水和一氧化碳产生氢气和二氧化碳
Figure GDA0002383572990000022
WGS催化剂有许多种类，取决于它们的应用条件。低温变换(LTS)催化剂和高温变换(HTS)催化剂是最常用的种类，通常在180-275℃(LTS)和300-450℃(HTS)的温度下运行。其他种类包括用于190-330℃温度范围的中温变换(MTS)WGS催化剂和与含硫气体一起使用的酸性气体变换催化剂。WGS催化剂也可以在压力低为十分之一个大气压至30个大气压的宽压力范围内运行。
概述
本文描述的实施方式涉及使用水煤气变换催化剂和氨合成催化剂在环境条件下从发动机废气中产生氨的系统和方法。一个实施例涉及在后处理系统中处理废气气体的方法。该方法包括从发动机接收一定量的废气气体。一定量的废气气体包含一定量的水、一定量的氮气和一定量的一氧化碳。一定量的氢气是使用水煤气变换催化剂从所述一定量的水和所述一定量的一氧化碳中产生的。使用通过水煤气变换催化剂从一定量的废气气体中产生的一定量的氢气和来自一定量的废气气体的一定量的氮气作为输入，使用氨合成催化剂来产生一定量的氨。插入导管将通过氨合成催化剂从通过水煤气变换催化剂产生的一定量的氢气和来自一定量的废气气体的一定量的氮气产生的一定量的氨供给到选择性催化还原催化剂。
在一些实施例中，水煤气变换催化剂的水转化率不大于25％。来自一定量的废气气体的一定量的氮气气体可以流过水煤气变换催化剂，并且该方法还可以包括将一定量的氮气气体供给到氨合成催化剂，并且以不大于15％的氮气转化率产生至少一定量的氨。
在一些实施例中，从发动机接收的一定量的废气气体是发动机在一段时间内产生的废气气体总量的一部分，并且该方法还包括通过废气导管将一定量的废气气体引导到水煤气变换催化剂，以产生一定量的氢气气体。废气再结合导管通过将一定量的氨与发动机产生的废气气体总量结合，将一定量的氨引入选择性催化还原催化剂。
在一些实施例中，选择性催化还原催化剂是氢基的。氢气导管捕获一定量的过量氢气，过量氢气在氨合成催化剂产生一定量的氨时未被氨合成催化剂反应。氢气导管将一定量的过量氢气引入所述选择性催化还原催化剂。一定量的过量氢气相对于通过氨合成催化剂产生的产物的体积不大于1％。
根据各种实施例，通过氨合成催化剂从通过水煤气变换催化剂产生的一定量的氢气中产生的一定量的氨相对于通过氨合成催化剂产生的产物的体积不大于2.5％。通过水煤气变换催化剂产生的一定量的氢气相对于通过水煤气变换催化剂产生的产物的体积不大于5％。一定量的水相对于一定量的废气气体不大于20％。一定量的一氧化碳相对于一定量的废气气体不大于3％。
在一些实施例中，水煤气变换催化剂是高温变换催化剂。该方法还包括在200至550摄氏度之间的温度下运行水煤气变换催化剂。在一些实施例中，水煤气变换催化剂是低温变换催化剂，并且该方法还包括在100至300摄氏度之间的温度下运行水煤气变换催化剂。在一些实施例中，在100至550摄氏度之间的温度下且在0.5至3atm之间的大气压下运行氨合成催化剂。
该方法还可以包括：最初在100至550摄氏度之间的温度下且在0.5至3atm之间的大气压下运行氨合成催化剂；以及当氨合成催化剂运行时逐渐增加压力，使得氨合成催化剂继续使用通过水煤气变换催化剂从一定量的废气气体中产生的一定量的氢气和来自一定量的废气气体的一定量的氮气作为输入，来至少产生一定量的氨。氨合成催化剂的温度可以向20摄氏度逐渐降低。
另一个实施例涉及一种废气后处理系统。废气后处理系统包括废气导管，该废气导管被构造成接收来自发动机的一定量的废气气体。一定量的废气气体包含一定量的水、一定量的氮气和一定量的一氧化碳。废气后处理系统还包括：水煤气变换催化剂，水煤气变换催化剂被构造成从一定量的水和一定量的一氧化碳中至少产生一定量的氢气；氨合成催化剂，氨合成催化剂被构造成使用通过水煤气变换催化剂产生的一定量的氢气和来自一定量的废气气体的一定量的氮气作为输入，来至少产生一定量的氨；以及插入导管，插入导管被构造成将通过氨合成催化剂从通过水煤气变换催化剂产生的一定量的氢气和来自一定量的废气气体的一定量的氮气产生的一定量的氨供给到选择性催化还原催化剂。
在一些实施例中，废气后处理系统包括氧化催化剂。一定量的废气气体中的第一部分被引导到氨合成催化剂，以产生一定量的氨，并且废气气体中的第二部分被引导到氧化催化剂。一定量的氨与废气气体中的第二部分结合，从而产生结合的废气流并且结合的废气流供给到选择性催化还原催化剂中。
在一些实施例中，选择性催化还原催化剂是氢基的。该系统还包括氢气导管，氢气导管被配置成捕获在通过氨合成催化剂产生一定量的氨时未被氨合成催化剂反应的一定量的过量氢气，并将一定量的过量氢气引入选择性催化还原催化剂。一定量的过量氢气相对于通过氨合成催化剂产生的产物的体积不大于1％。
在一些实施例中，氨合成催化剂被配置成在100至550摄氏度之间的温度下且在0.5至3atm之间的大气压下运行。当氨合成催化剂运行时，可以逐渐增加压力，使得氨合成催化剂继续使用通过水煤气变换催化剂从一定量的废气气体中产生的一定量的氢气和来自一定量的废气气体的一定量的氮气作为输入，来至少产生一定量的氨。当氨合成催化剂运行时，氨合成催化剂的温度可以向20摄氏度逐渐降低。
在一些实施例中，废气后处理系统还包括其上包含有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，当由至少一个处理器执行时，计算机可执行指令使得只要氨合成催化剂继续在预定时间间隔内至少产生一定量的氨，就使压力逐渐增加或者使温度逐渐降低。
在下文的一个或多个实施方案中可实现本公开的各方面。
1)一种用于在后处理系统中处理废气气体的方法，所述方法包括：
接收来自发动机的一定量的废气气体，所述一定量的废气气体包含一定量的水、一定量的氮气和一定量的一氧化碳；
使用水煤气变换催化剂从所述一定量的水和所述一定量的一氧化碳中产生一定量的氢气；
使用通过所述水煤气变换催化剂从所述一定量的废气气体中产生的所述一定量的氢气和来自所述一定量的废气气体的一定量的氮气作为输入，使用氨合成催化剂来产生一定量的氨；和
通过插入导管，将通过所述氨合成催化剂从通过所述水煤气变换催化剂产生的所述一定量的氢气和来自所述一定量的废气气体的所述一定量的氮气产生的所述一定量的氨供给到选择性催化还原催化剂。
2)根据1)所述的方法，其中，所述水煤气变换催化剂的水转化率不大于25％。
3)根据1)所述的方法，其中，来自所述一定量的废气气体的所述一定量的氮气气体流过所述水煤气变换催化剂，并且其中，所述方法还包括将所述一定量的氮气气体供给到所述氨合成催化剂，并且以不大于15％的氮气气体转化率至少产生所述一定量的氨。
4)根据1)所述的方法，其中，从所述发动机接收的所述一定量的废气气体是所述发动机在一段时间内产生的废气气体总量的一部分，并且其中，所述方法还包括：
通过所述废气导管将所述一定量的废气气体引导到所述水煤气变换催化剂，以产生所述一定量的氢气气体；和
由废气再结合导管通过将所述一定量的氨与由所述发动机产生的废气气体总量结合，将所述一定量的氨引入所述选择性催化还原催化剂。
5)根据1)所述的方法，其中，所述选择性催化还原催化剂是氢基的，并且其中所述方法还包括：
通过氢气导管捕获一定量的过量氢气，所述过量氢气在通过所述氨合成催化剂产生所述一定量的氨时未被所述氨合成催化剂反应；和
通过所述氢气导管将所述一定量的过量氢气引入所述选择性催化还原催化剂，
其中，所述一定量的过量氢气相对于通过所述氨合成催化剂产生的产物的体积不大于1％。
6)根据1)所述的方法，其中，通过所述氨合成催化剂从通过所述水煤气变换催化剂产生的所述一定量的氢气中产生的所述一定量的氨相对于通过所述氨合成催化剂产生的产物的体积不大于2.5％。
7)根据1)所述的方法，其中，通过所述水煤气变换催化剂产生的所述一定量的氢气相对于通过所述水煤气变换催化剂产生的产物的体积不大于5％。
8)根据1)所述的方法，其中，所述一定量的水相对于所述一定量的废气气体不大于20％。
9)根据1)所述的方法，其中，所述一定量的一氧化碳相对于所述一定量的废气气体不大于3％。
10)根据1)所述的方法，其中，所述水煤气变换催化剂是高温变换催化剂，所述方法还包括在200至550摄氏度之间的温度下运行所述水煤气变换催化剂。
11)根据1)所述的方法，其中，所述水煤气变换催化剂是低温变换催化剂，所述方法还包括在100至300摄氏度之间的温度下运行所述水煤气变换催化剂。
12)根据1)所述的方法，还包括在100至550摄氏度之间的温度下且在0.5至3atm之间的大气压下运行所述氨合成催化剂。
13)根据1)所述的方法，还包括：
最初在100至550摄氏度之间的温度下且在0.5至3atm之间的大气压下运行所述氨合成催化剂；以及
当所述氨合成催化剂运行时逐渐增加所述压力，使得所述氨合成催化剂继续使用通过所述水煤气变换催化剂从所述一定量的废气气体中产生的所述一定量的氢气和来自所述一定量的废气气体的所述一定量的氮气作为输入，来至少产生所述一定量的氨。
14)根据13)所述的方法，还包括将所述氨合成催化剂的温度向20摄氏度逐渐降低。
15)一种废气后处理系统，包括：
废气导管，所述废气导管被构造成接收来自发动机的一定量的废气气体，所述一定量的废气气体包含一定量的水、一定量的氮气和一定量的一氧化碳；
水煤气变换催化剂，所述水煤气变换催化剂被构造成从所述一定量的水和所述一定量的一氧化碳中至少产生一定量的氢气；
氨合成催化剂，所述氨合成催化剂被构造成使用通过所述水煤气变换催化剂产生的所述一定量的氢气和来自所述一定量的废气气体的所述一定量的氮气作为输入，来至少产生一定量的氨；和
插入导管，所述插入导管被构造成将通过所述氨合成催化剂从通过所述水煤气变换催化剂产生的所述一定量的氢气和来自所述一定量的废气气体的所述一定量的氮气产生的所述一定量的氨供给到选择性催化还原催化剂。
16)根据15)所述的废气后处理系统，还包括氧化催化剂，其中，所述一定量的废气气体中的第一部分被引导到所述氨合成催化剂以产生所述一定量的氨，并且所述废气气体中的第二部分被引导到所述氧化催化剂，并且其中，所述一定量的氨与所述废气气体中的第二部分结合，从而产生结合的废气流，并且所述结合的废气流被供给到所述选择性催化还原催化剂内。
17)根据15)所述的废气后处理系统，其中，所述选择性催化还原催化剂是氢基的，所述系统还包括氢气导管，所述氢气导管被配置成：
捕获一定量的过量氢气，所述过量氢气在通过所述氨合成催化剂产生所述一定量的氨时未被所述氨合成催化剂反应；和
将所述一定量的过量氢气引入所述选择性催化还原催化剂；其中，所述一定量的过量氢气相对于通过所述氨合成催化剂产生的产物的体积不大于1％。
18)根据15)所述的废气后处理系统，
其中，所述氨合成催化剂被配置成在100至550摄氏度之间的温度下且在0.5至3atm之间的大气压下运行。
19)根据18)所述的废气后处理系统，其中，当所述氨合成催化剂运行时，所述氨合成催化剂的温度向20摄氏度逐渐降低。
20)根据19)所述的废气后处理系统，还包括其上包含有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，当由至少一个处理器执行时，所述计算机可执行指令使得只要所述氨合成催化剂继续在预定时间间隔内至少产生所述一定量的氨，就使所述压力逐渐增加并且使所述温度逐渐降低。
21)根据15)所述的废气后处理系统，其中，当所述氨合成催化剂运行时所述压力逐渐增加，使得所述氨合成催化剂继续使用通过所述水煤气变换催化剂从所述一定量的废气气体中产生的所述一定量的氢气和来自所述一定量的废气气体的一定量的氮气作为输入，来至少产生所述一定量的氨。
简要描述
在附图和下面的描述中阐述了一个或更多个实施方式的细节。根据描述、附图和权利要求，本公开的其他特征、方面和优点将变得明显，其中：
图1是根据示例实施例的示例废气后处理架构的示意图，该示例废气后处理架构利用WGS催化剂和氨合成催化剂，以用于NOx的氨SCR；
图2是根据示例实施例，使用典型的柴油发动机废气作为进料，穿过WGS催化剂和氨合成催化剂(诸如图1的系统的那些)的气体种类的流程图；和
图3是根据示例实施例的用于从发动机废气中生成氨的方法的图。
应认识到，一些或所有附图是为了说明的目的的示意性表示。为了说明一个或更多个实施方式的目的而提供附图，应明确地理解附图将不用于限制权利要求的范围或含义。
详细描述
以下是与使用水煤气变换和氨合成催化剂在环境条件下从发动机废气中产生氨的方法、装置、组件和系统相关的各种概念和实施方式的更详细描述。用于在环境条件下从废气后处理系统中的发动机废气中产生氨和/或氢气的系统和方法包括至少一种水煤气变换(WGS)催化剂和至少一种位于WGS催化剂下游的氨合成催化剂(AMS催化剂)。WGS催化剂被配置成：使用发动机废气作为输入，产生水和氢气，水和氢气由AMS用作输入来产生氨和/或氢气。这样产生的氨和/或氢气在氨基和/或氢基选择性还原催化剂(SCR)的下游使用。在一些实施例中，成功运行所需的非常低的转化率(WGS催化剂H2O转化率不大于25％，AMS催化剂N2转化率不大于15％)能够实现SCR催化剂的小型化和/或逐步淘汰常规的废气后处理系统部件(诸如车载SCR还原剂存储和/或给料)。在一些实施例中，在环境条件下(诸如在大气压和室温下)产生氨和/或氢气。上文介绍的并且在下文更详细地讨论的各种构思可以以多种方式中的任一种方式来实施，这是因为所描述的构思不限于实施方式的任何特定方式。主要为了例证性目的来提供特定的实施方式和应用的示例。
为了减少排放，需要系统和方法来改善后处理系统的性能。改善后处理系统性能的一种方法是提高供给选择性催化还原系统(SCR)的氨(NH3)的水平。希望在不需要额外的氨和/或氨前体(诸如尿素)的车载存储的情况下实现氨的增加。有利的是，本文描述的并且与在环境条件下使用水煤气变换和氨合成催化剂从发动机废气中产生氨相关的系统和方法增加了发动机后处理系统中氨的水平。
在一些实施例中，本文提出的系统和方法提供了通过内置给料器将氨引入到SCR系统的替代选项或辅助选项，这降低了制造成本、运行成本和维护成本，因为至少一部分氨是直接从发动机废气中产生的。可以减少或消除从尿基溶液中注入氨。一个实施例包括生产H2的一种或更多种WGS催化剂和从发动机废气中生产氨的一种或更多种氨合成催化剂的组合。有利的是，在示例实施例中，这些过程在通常用于选择性催化还原NOx的排气条件下进行。在一些实施例中，WGS和/或AMS催化剂可以以非常低的转化率操作：对于在极高NH3与NOx比(0-15)下运行的柴油发动机后处理系统来说，25,000ppm的NH3最大剂量是可接受的。虽然与通常使用催化剂实现极高转化率的做法相反，但这适用于发动机排气条件，因为发动机排气条件不为高氨合成转化率提供最佳压力。有利的是，由于在非常低的转化率下使用催化剂不需要高温，在150-180℃范围的非常低的温度下就能生产氨。本公开的实施例不限于使用任何特定的催化剂配方，并且包括各种合适配置的WGS催化剂和氨合成催化剂，以最终从发动机废气中产生期望量的氨。如本文进一步阐述的示例实施方式被设计成在环境条件下使用水煤气变换催化剂和氨合成催化剂从发动机废气中产生氨。
图1是废气后处理系统100的示例废气后处理架构的示意图，该废气后处理架构利用WGS催化剂和氨合成催化剂，以用于NOx的氨SCR。废气后处理系统100可用于重型应用(诸如固定式发动机、卡车和/或公共汽车)和/或其他应用(诸如乘用车和/或轻型柴油车辆)。如图所示，废气后处理系统100包括氧化催化剂102、过滤器104、WGS催化剂106、氨合成催化剂108和SCR催化剂110。在一些实施例中，氨氧化催化剂(也称为氨逃逸催化剂(ASC))124位于SCR 110的下游，并被配置成减少来自SCR的过量氨。
氧化催化剂102被配置成氧化废气流114中的碳氢化合物和一氧化碳，废气流114通过废气导管116由氧化催化剂102接收。在一些实施例中，氧化催化剂102是柴油氧化催化剂(DOC)。
过滤器104被配置成从在后处理系统中流动通过废气导管116的废气流114中去除颗粒物质(诸如烟灰)。在一些实施例中，过滤器104是柴油颗粒过滤器(DPF)。过滤器104包括入口和出口，在入口处接收废气气体，在使颗粒物质大体上从废气气体中过滤掉和/或将颗粒物质转化成二氧化碳之后，废气气体在出口处离开。
WGS催化剂106被配置成产生氢气(H2)和二氧化碳(CO2)。有利的是，WGS催化剂106被配置成在环境条件下操作，如参考图2进一步描述的。WGS催化剂106经由废气导管116接收来自发动机的废气流114中的一定量的气体。根据各种实施例，废气导管116可以包括金属(诸如镀铝钢、铸铁、铬、镍、锰、铜和/或钛)和/或合适的金属合金。废气导管116的表面(多个表面)可以包括合适的陶瓷涂层。废气流114中的一定量的气体至少包含一定量的水和一定量的一氧化碳，它们被用作WGS催化剂106的输入，并且WGS催化剂106的化学反应用于产生氢气和二氧化碳。在示例性实施例中，WGS催化剂106被配置成根据化学反应
Figure GDA0002383572990000111
Figure GDA0002383572990000112
产生氢气和二氧化碳。在一些实施例中，WGS催化剂106包括铜、铬和氧化铁(Cu/Cr/Fe2O3)。在一些实施例中，WGS催化剂106包括铜、锌、氧化铝(Cu/Zn/Al2O3)。在一些实施例中，WGS催化剂106包括钴硫化物和钼硫化物(诸如CoS2和/或MoS2)。
氨合成催化剂108被配置成至少使用由WGS催化剂106产生的氢气在出口处产生氨。有利的是，氨合成催化剂108被配置成在环境条件下操作，如参考图2进一步描述的。在一些实施例中，氨合成催化剂108包括氧化铁(Fe2O3)。在一些实施例中，氨合成催化剂108包括铯、铼和氧化铝(Cs/Re/Al2O3)。在一些实施例中，氨合成催化剂108包括钌和氧化镁(Ru/MgO)。在一些实施例中，氨合成催化剂108包括酰胺钙上的钌纳米颗粒(Ru/Ca(NH2)2)。
在示例实施例中，氨合成催化剂108包括入口，该入口被配置成经由氢气输送导管118从WGS催化剂106接收氢气。根据各种实施例，氢气输送导管118可以包括金属(诸如镀铝钢、铸铁、铬、镍、锰、铜和/或钛)和/或合适的金属合金。氢气输送导管118的表面(多个表面)可以包括合适的陶瓷涂层。在示例实施例中，氨合成催化剂108包括出口，该出口被配置成通过氨输送导管120将氨合成催化剂108产生的氨输送到SCR 110。
根据各种实施例，氨输送导管120可以包括金属(诸如镀铝钢、铸铁、铬、镍、锰、铜和/或钛)和/或合适的金属合金。氨输送导管120的表面(多个表面)可以包括合适的陶瓷涂层。
在一些实施例中，氨合成催化剂108包括电化学电池。根据各种实施例，电化学电池可以包括阳极、阴极、外部负载电路、电压源和作为膜或溶液的电解质。在输入时，电化学电池接收包含一定量的氮气和一定量的水的发动机废气或由水煤气变换催化剂产生的产物气体，该产物气体包含一定量的氢气、一定量的水和一定量的氮气。
根据各种实施方式，电化学电池可以是包括阳极的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。阳极从水煤气变换催化剂产生的一定量的氢气中、或从发动机产生的废气中存在的一定量的水中产生一定量的质子(H+)和电子(e-)。PEMFC还包括将电解质膜、外部负载电路和阴极，电解质膜将一定量的质子从阳极转移到阴极，外部负载电路将电子从阳极转移到阴极，阴极将发动机产生的废气中存在的质子、电子和氮气转化成氨。在化学反应不是自发发生的情况下，从外部电压源向电池施加电压以诱导反应。在其他实施方式中，电化学电池可以是伽伐尼电池/伏打电池，其包括与PEMFC类似的组件，但是阳极和阴极各自浸没在单独的电解质溶液中，并且多孔膜将两个半电池分开。
SCR 110被配置成通过加速在氨和废气气体中的NOx之间的NOx还原过程使其成为双原子氮、水和/或二氧化碳来有助于NOx排放物的减少。在一些实施例中，其中产生的任何过量氢气通过氨合成催化剂108被引导到氢基SCR(未示出)。在一些实施例中，氢基SCR被配置成在H2和O2存在的情况下将NOx转化为N2O、N2和H2O。氢基SCR可以包括贵金属基涂层。在示例实施例中，SCR 110是氨基SCR。SCR 110包括入口和出口，废气气体和还原剂从入口被接收，出口与废气后处理系统100的端部流体连通。在示例实施例中，SCR 110通过氨输送导管120接收包含氨的废气。
在一些实施例中，SCR 110使用的全部量的氨是从氨合成催化剂108接收的。在某些实施例中，SCR 110通过还原剂给料系统(未示出)接收并使用额外量的氨。示例还原剂给料系统包括给料模块，该给料模块被配置成将额外量的氨给料到与SCR 110相关联的分解室中。分解室被配置成将还原剂(诸如尿素或柴油废液(DEF))转换成氨。分解室流体连通具有给料模块的还原剂输送系统，该给料模块被配置成将还原剂给料到分解室内。给料模块流体地联接到一个或更多个还原剂源。泵可用于对来自还原剂源的还原剂加压，以便输送到给料模块。还原剂插入在SCR 110的上游并且在氧化催化剂102和/或过滤器104的下游。还原剂微滴然后经历蒸发、热分解以及水解过程，以形成气态氨。分解室包括入口和出口，入口与氧化催化剂102和/或过滤器104流体连通以接收含有NOx排放物的废气气体(诸如废气流114)，出口用于废气气体、NOx排放物、氨和/或剩余的还原剂流动至SCR 110。
在一些实施例中，废气后处理系统100被配置成绕过氧化催化剂102和过滤器104，引导废气流114中的全部量的气体通过WGS催化剂106和氨合成催化剂108。在这些实施方式中，可以从后处理系统100中省略氧化催化剂102和过滤器104。WGS催化剂106经由废气导管116接收来自发动机的废气流114中的一定量的气体。WGS催化剂106输出一定量的氢气，这些氢气通过氢气气体输送导管118输送到氨合成催化剂108。氨合成催化剂108输出一定量的氨，氨通过氨输送导管120输送到SCR 110。
在其他实施例中，废气后处理系统100被配置成仅引导全部量的废气流114中的一部分废气通过WGS催化剂106和氨合成催化剂108。在这样的实施例中，WGS催化剂106和氨合成催化剂108被配置成与氧化催化剂102和过滤器104并行地处理废气流114中的气体。废气导管116被配置成分为至少两段，以将废气流114中的第一部分气体转移到WGS催化剂106。根据示例实施例，废气导管116分成第一废气引导导管116a、第二废气引导导管116b、第三废气引导导管116c和第四废气引导导管116d。
WGS催化剂106经由第一废气引导导管116a接收来自发动机的废气流114中的全部量的气体中的第一部分。WGS催化剂106输出一定量的氢气，这些氢气由氢气气体输送导管118引导并且输送到氨合成催化剂108。氨合成催化剂108输出一定量的氨，这些氨由氨输送导管120引导并且输送到SCR 110。氧化催化剂102经由第二废气引导导管116b接收来自发动机的废气流114中的全部量的气体中的第二部分。氧化催化剂102被配置成：氧化废气流114中全部量的气体中的第二部分中包含的碳氢化合物和一氧化碳，并将产物输出到废气流114中，废气流114在流过氧化催化剂102之后由第三废气引导导管116c引导到过滤器104。过滤器104被配置成从废气流114中去除颗粒物质(诸如烟灰)，并且经由第四废气引导导管116d输出废气流114。在一些实施例中，过滤器104被绕过或被省略，使得第三废气引导导管116c和第四废气引导导管116d结合，并且废气流114直接流向氧化催化剂102的入口。
由氨合成催化剂108产生的氨在结合的流进入SCR 110之前与废气流114重新结合，以便为SCR 110提供氨。从氨合成催化剂108输送氨的氨输送导管120和输送由氧化催化剂102和/或过滤器104处理的废气流114的第四废气引导导管116d被构造成汇集，使得结合的氨和废气流114通过废气气体再结合导管122在单个流中输送。根据各种实施例，废气气体再结合导管122可以包括金属(诸如镀铝钢、铸铁、铬、镍、锰、铜和/或钛)和/或合适的金属合金。废气气体再结合导管122的表面(多个表面)可以包括合适的陶瓷涂层。
一些实施例包括控制器(未示出)。在一些实施例中，控制器包括微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等或它们的组合。控制器可以包括存储器，存储器可以包括但不限于能够向处理器、ASIC、FPGA等提供程序指令的电子的、光学的、磁性的或任何其他存储或传输设备。存储器可包括存储器芯片、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存或控制器可从其读取指令的任何其他适当的存储器。指令可以包括来自任何适当的编程语言的代码。
一些实施例还包括至少一个传感器，该传感器与控制器电耦合，并被配置成提供与后处理系统100的部件的运行相关的值和/或信号。例如，传感器可以位于WGS催化剂106和/或氧化催化剂102的上游，并且被配置成测量与废气流114相关联的量、速度、组分(诸如关于图2描述的成分)、吞吐量和/或其他特征。由传感器提供的值和/或信号由控制器使用，该控制器被配置成确定引导到WGS催化剂106的废气流114的第一部分中的气体量和/或引导到氧化催化剂102的废气流的第二部分中的气体量。在一些实施例中，由传感器提供的值和/或信号由控制器使用，该控制器被配置为设置和/或调节WGS催化剂106的运行参数(诸如其运行温度、运行定时和/或压力)。
位于WGS催化剂106下游的传感器可以被配置成确定WGS催化剂106的输出流的组分。由传感器提供的值和/或信号由控制器使用，该控制器被配置为设置和/或调节氨合成催化剂108的运行参数(诸如其运行温度、运行定时和/或压力)。
在一些实施例中，传感器位于氨合成催化剂108的下游，并被配置成确定氨合成催化剂108的输出流的组分。该传感器可以被配置成确定氨合成催化剂108产生的用于引导到氢基SCR的过量氢气的量。由传感器提供的值和/或信号由控制器使用，该控制器被配置成确定引导到氢基SCR的过量氢气的定时和/或量。由传感器提供的值和/或信号由控制器用来设置和/或调节用于SCR 110运行的参数(诸如给料模块的致动以输送额外的氨的定时)。给料模块和泵可以电耦合或通信耦合到控制器，并且控制器被配置成控制给料模块来给料还原剂以产生用于插入到与SCR催化剂110相关联的分解室中的额外的氨。
图2是根据示例实施例，使用典型的柴油发动机废气作为进料，穿过WGS催化剂和氨合成催化剂(诸如图1的系统的那些)的气体种类的流程图200。图2中的流程图200提供了该过程中穿过催化剂的气体种类以及在出口处产生25,000ppm的NH3所需转化率的示例。
流程图200包括图1的WGS催化剂106和图1的氨合成催化剂108。WGS催化剂106被配置成接收输入流206并产生中间产物流208。输入流206包括废气流114。在示例实施例中，输入流206的组分包括0-21％的O2、0-20％的H2O、0-18％的CO2、0-3％的CO、0-5000ppm的NOx和/或N2。在示例实施例中，由WGS催化剂106进行的WGS反应是
Figure GDA0002383572990000151
Figure GDA0002383572990000152
的形式。来自一定量的废气气体的一定量的氮气流动通过水煤气变换催化剂，并且可能不参与水煤气变换催化剂的化学反应。
有利的是，由WGS催化剂106进行的WGS反应是在高H2O/CO比(1-700)下进行的。柴油发动机废气包含大约8％的H2O、7％的CO2和300-500ppm的CO，所有这些气体种类需要以非常高的H2O/CO比产生氢气。有利的是，WGS催化剂只需要H2O实现25％的转化率来产生图1的示例实施例中所需的最大量的NH3。通常在300-450℃下运行的HTS催化剂在低至200℃时具有非常低的转化率活性。因此，通常在180-275℃下运行的LTS催化剂可配置成在降低到至少150℃的温度下以非常低的H2O转化率生产H2。
氨合成催化剂108被配置成接收中间产物流208并产生输出流210。在示例实施例中，中间产物流208包括0-21％的O2、0-20％的H2O、0-18％的CO2、0-6％的CO、0-5000ppm的NOx、0-5％的H2和/或N2。在示例实施例中，由氨合成催化剂108进行的氨合成反应是以
Figure GDA0002383572990000161
的形式执行的。在示例实施例中，输出流210包括0-21％的O2、0-20％的H2O、0-18％的CO2、0-6％的CO、0-5000ppm的NOx、0-1％的H2、0-2.5％的NH3和/或N2。
进一步参考氨合成催化剂108，柴油发动机废气(诸如图1的废气流114中的气体)，在高达550℃或更高的温度并且在大气压下包含75％的N2，这是用于氨合成的N2的良好来源。尽管工业过程通常需要高压来实现高转化率，然而示例实施例的氨合成催化剂108被配置成大约在大气压下(0.5至3atm)执行该反应。这种配置中的促成因素之一是氨合成催化剂108的组分，根据示例实施例，氨合成催化剂108包括铯、铼和氧化铝(Cs/Re/Al2O3)；钌和氧化镁(Ru/MgO)；酰胺钙上的钌纳米颗粒(Ru/Ca(NH2)2)；和/或电化学电池。这些配置产生低转化比率，但是发明人已经确定，有利的是，氨合成催化剂仅需要实现≤15％的N2转化率来产生例如在图1的示例性实施例中所需的最大量的NH3。氨合成催化剂通常在低至200℃的温度并且在大气压下表现出催化活性。根据示例实施例，在高于大气压的压力点，氨合成催化剂108在低至20℃(室温)的温度下保持活性。因此，在图2的示例实施例中，15％或更低的低N2转化率就足够了，并且是在大气压下实现的。有利的是，尽管通常会担心氨合成催化剂的氧中毒(oxygen poisoning)，然而低转化率要求降低了这种风险，例如，因为示例实施例的钌基氨合成催化剂108可配置用于氨合成应用和被动氨SCR应用中。此外，根据一些实施例，使用电化学方法(诸如PEMFC)在20-40℃的环境温度和0.5-1.5atm的压力下，从输入流的空气(氧气和氮气)和水直接实现氨合成。在一些实施例中，在200-340℃的温度范围和1-10atm的压力范围下，使用固体金属或金属氧化物催化剂(诸如酰胺钙上的钌纳米颗粒(Ru/Ca(NH2)2))，从氢气和氮气流实现氨合成。
图3是根据示例实施例的用于从发动机废气中生成氨的方法300的图。在302，从发动机(例如，在图1的废气流114中)接收一定量的废气。一定量的废气包含一定量的水(H2O)和一定量的一氧化碳(CO)。水的量相对于废气气体的量是20％或更少。一氧化碳的量相对于废气气体的量是3％或更少。
在304，做出是否应该对从发动机接收的废气气体总量分流的决定。在一些实施例中，由控制器基于至少一个传感器的输入做出该决定(如参考图1所述)。控制器可以设置数字标志，以指示废气气体总量已经被分流。在其他实施例中，该决定被构建在参考图1描述的导管的功能中，使得例如当废气流114到达废气导管116分成第一废气引导导管116a和第二废气引导导管116b的点时，废气流114中的第一部分气体经由第一废气引导导管116a自动引导，并且废气流114中的第二部分气体经由第二废气引导导管116b自动引导。
如果废气流114中的气体总量被分流，则在306处，仅有在302处从发动机接收的一定量的废气气体之中的一部分废气气体引导到图1的WGS催化剂106。否则，在308处，从发动机接收的废气流114中的全部废气气体总量被引导到WGS催化剂106。WGS催化剂106被配置成从作为输入接收的废气中产生一定量的氢气，例如参考图2所述。
在310处，运行WGS催化剂106，以从一定量的废气气体中产生一定量的氢气，例如参考图2所述。在308处引导到WGS催化剂106的全部废气气体的量是从发动机接收到的废气流114中的废气气体的全部总量，或者在306处是从发动机接收到的废气流114中的废气气体的量的一部分被引导到WGS催化剂106。
在312处，运行氨合成催化剂(诸如图1的氨合成催化剂108)以使用在310处由WGS催化剂106产生的一定量的氢气来产生一定量的氨，例如参考图2所述。
在包括氢基SCR的一些实施例中，在314处，确定氨合成催化剂108是否产生过量的氢气。可以由控制器基于至少一个传感器的输入做出该决定(如参考图1所述)。如果做出过量氢气可用的决定，则在316处，过量氢气被引导到氢基SCR，在氢基SCR中，进行NOx还原过程。该决定可以由控制器做出，并且可以包括过量氢气量的计算。在318处，做出废气流中的气体总量是否已经分流的决定。可以基于导管(多个导管)的物理结构和/或基于是否在304处已经通过控制器数字设置了标志来做出该决定。在一些实施例中，该决定至少基于来自一个或更多个传感器的输入(多个输入)来做出，这一个或更多个传感器被配置成：捕获关于来自废气流114的气体的量，由氨合成催化剂108产生的氨的量。如果在318处的答案为是，则在320处，氨合成催化剂108在312处产生的一定量的氨与来自废气流114并且通过氧化催化剂102和/或过滤器104处理的一定量的气体重新结合(例如，如参考图1所述)。
在322处，由氨合成催化剂108产生的一定量的氨被供给到SCR(诸如图1的SCR110)。
虽然本说明书包含很多特定的实施方式细节，但是这些不应被解释为对可被要求保护的内容的范围的限制，而是应被解释为对特定的实施方式所特有的特征的描述。在本说明书中在单独的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以组合地在单个实施方式中实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实施。此外，虽然特征在上面可被描述为以某些组合起作用且甚至最初被这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或更多个特征在一些情况下可从该组合删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。
类似地，虽然在图中以特定的顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求这样的操作以所示的特定顺序或以连续的顺序被执行或所有所示的操作被执行，以实现合乎需要的结果。在某些情况下，在上面所述的实施方式中的各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施方式中需要这样的分离，并且应理解，所述部件和系统通常可以集成在单个产品中或封装到体现在有形介质上的多个产品中。
术语“控制器”包括用于处理数据的所有类型的装置、设备和机器，举例来说包括可编程处理器、计算机、片上系统或多个前述项、编程处理器的一部分或前述项的组合。装置可包括专用逻辑电路，例如FPGA或ASIC。除了硬件以外，装置还可以包括为讨论中的计算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时间环境、虚拟机或它们中的一个或更多个的组合的代码。装置和执行环境可实现各种不同的计算模型基础设施，例如分布式计算和网格计算基础设施。
如在本文利用的，术语“基本上”和类似的术语旨在具有与本公开的主题所属的领域中的普通技术人员的常见和被接受的使用一致的广泛含义。查阅本公开的本领域的技术人员应理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征的说明，而不是将这些特征的范围限制到所提供的精确的数值范围。因此，这些术语应被解释为指示所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或改变被认为在如所附权利要求中所述的本发明的范围内。此外，应注意，在其中未使用术语“装置(means)”的情况下，按照美国专利法，权利要求中的限制不应被解释为构成“装置加功能”的限制。
如在本文使用的术语“联接”及类似术语意指两个部件直接或间接地连接到彼此。这样的连接可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这种连接可以通过两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件彼此一体地形成为单个整体(single unitary body)、或者通过两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件附接到彼此来实现。
如在本文使用的术语“流体联接(fluidly coupled)”、“流体连通(in fluidcommunication)”等意指两个部件或对象具有在这两个部件或对象之间形成的通路，流体例如水、空气、气态还原剂、气态氨等可在有介入部件或对象或者没有介入部件或对象的情况下在该通路中流动。用于实现流体连通的流体联接或构造的示例可以包括管道、通道或用于实现流体从一个部件或对象到另一部件或对象的流动的任何其他适当的部件。
重要的是，注意到在各种示例性实施方式中所示的系统的结构和布置在特性上仅仅是说明性的而不是限制性的。出现在所述实施方式的精神和/或范围内的所有变化和修改期望被保护。应理解，一些特征可能不是必要的，且缺少各种特征的实施方式可被设想为在本申请的范围内，该范围由所附权利要求限定。在阅读权利要求时，意图是当词语例如“一个(a)”、“一个(an)”、“至少一个”或“至少一部分”被使用时，不存在将权利要求限制到仅仅一个项的意图，除非在权利要求中特别相反地规定。当语言“至少一部分”和/或“一部分”被使用时，除非特别地相反地声明，否则该项可以包括一部分和/或整个项。

Claims (20)

1.一种用于在后处理系统中处理废气气体的方法，所述方法包括：
接收来自发动机的废气气体，所述废气气体包含水、氮气和一氧化碳；
使用水煤气变换催化剂从水和一氧化碳中产生氢气，所述水煤气变换催化剂位于绕过所述后处理系统的氧化催化剂的流动路径中；
使用氨合成催化剂从来自所述废气气体的氮气和通过所述水煤气变换催化剂产生的所述氢气产生氨；和
通过所述氧化催化剂下游的插入导管，将通过所述氨合成催化剂产生的所述氨供给到选择性催化还原催化剂；
其中，所述水煤气变换催化剂的水转化率不大于25％。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，来自所述废气气体的所述氮气流过所述水煤气变换催化剂，并且其中，所述氨合成催化剂以不大于15％的氮气气体转化率产生氨。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述发动机接收的所述废气气体是所述发动机在一段时间内产生的废气气体总量的一部分，并且其中，所述方法还包括：
通过废气导管将所述废气气体引导到所述水煤气变换催化剂，以产生所述氢气；和
由废气再结合导管通过将所述氨与由所述发动机产生的废气气体总量结合，将所述氨引入所述选择性催化还原催化剂。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述选择性催化还原催化剂是氢基的，并且其中所述方法还包括：
通过氢气导管捕获过量氢气，所述过量氢气在通过所述氨合成催化剂产生所述氨时未被所述氨合成催化剂反应；和
通过所述氢气导管将所述过量氢气引入所述选择性催化还原催化剂，
其中，所述过量氢气相对于通过所述氨合成催化剂产生的产物的体积不大于1％。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述氨合成催化剂从通过所述水煤气变换催化剂产生的所述氢气中产生的所述氨相对于通过所述氨合成催化剂产生的产物的体积不大于2.5％。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述水煤气变换催化剂产生的所述氢气相对于通过所述水煤气变换催化剂产生的产物的体积不大于5％。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，水的量相对于所述废气气体的量不大于20％。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一氧化碳的量相对于所述废气气体的量不大于3％。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水煤气变换催化剂是高温变换催化剂，并且所述水煤气变换催化剂在200至550摄氏度之间的温度下运行。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水煤气变换催化剂是低温变换催化剂，并且所述水煤气变换催化剂在100至300摄氏度之间的温度下运行。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氨合成催化剂在100至550摄氏度之间的温度下且在0.5至3atm之间的大气压下运行。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所述氨包括：
最初在100至550摄氏度之间的温度下且在0.5至3atm之间的大气压下运行所述氨合成催化剂；以及
当所述氨合成催化剂运行时逐渐增加压力，使得所述氨合成催化剂继续使用通过所述水煤气变换催化剂产生的所述氢气和来自所述废气气体的氮气来至少产生所述氨。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，产生所述氨包括将所述氨合成催化剂的温度向20摄氏度逐渐降低。
14.一种废气后处理系统，包括：
废气导管，所述废气导管被构造成接收来自发动机的废气气体，所述废气气体包含水、氮气和一氧化碳；
水煤气变换催化剂，所述水煤气变换催化剂被构造成从水和所述一氧化碳中至少产生氢气，所述水煤气变换催化剂位于绕过所述废气后处理系统的氧化催化剂的流动路径中；
氨合成催化剂，所述氨合成催化剂被构造成接收所述废气气体的第一部分，并使用通过所述水煤气变换催化剂产生的所述氢气和来自所述废气气体的第一部分的所述氮气来至少产生氨；
氧化催化剂，所述氧化催化剂被配置成接收所述废气气体的第二部分；和
位于所述氧化催化剂下游的插入导管，所述插入导管被构造成将通过所述氨合成催化剂产生的所述氨供给到选择性催化还原催化剂；
其中，所述水煤气变换催化剂的水转化率不大于25％。
15.根据权利要求14所述的废气后处理系统，其中，所述废气后处理系统被配置成使得所述氨与所述废气气体的所述第二部分结合，从而产生结合的废气流，并且所述结合的废气流被供给到所述选择性催化还原催化剂内。
16.根据权利要求14所述的废气后处理系统，其中，所述选择性催化还原催化剂是氢基的，并且所述废气后处理系统还包括氢气导管，所述氢气导管被配置成：
捕获过量氢气，所述过量氢气在通过所述氨合成催化剂产生所述氨时未被所述氨合成催化剂反应；和
将所述过量氢气引入所述选择性催化还原催化剂；其中，所述过量氢气相对于通过所述氨合成催化剂产生的产物的体积不大于1％。
17.根据权利要求14至16中的任一项所述的废气后处理系统，其中，所述氨合成催化剂被配置成在100至550摄氏度之间的温度下且在0.5至3atm之间的大气压下运行。
18.根据权利要求17所述的废气后处理系统，还包括其上包含有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，当由至少一个处理器执行时，所述计算机可执行指令使得当所述氨合成催化剂运行时，所述氨合成催化剂的温度向20摄氏度逐渐降低。
19.根据权利要求17所述的废气后处理系统，还包括其上包含有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，当由至少一个处理器执行时，所述计算机可执行指令使得只要所述氨合成催化剂继续在预定时间间隔内至少产生所述氨，就使压力逐渐增加并且使所述温度逐渐降低。
20.根据权利要求14至16中的任一项所述的废气后处理系统，还包括其上包含有计算机可执行指令的计算机可读存储介质，当由至少一个处理器执行时，所述计算机可执行指令使得当所述氨合成催化剂运行时压力被逐渐增加，从而使得所述氨合成催化剂继续使用通过所述水煤气变换催化剂产生的所述氢气来至少产生所述氨。
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