CN112112717A - 一种矿用防爆柴油机尾气净化装置 - Google Patents

一种矿用防爆柴油机尾气净化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，包括防爆柴油机、氧化催化器、颗粒捕集器、SCR反应器、防爆水洗箱和ECU；防爆柴油机与氧化催化器连通，氧化催化器与颗粒捕集器连通，颗粒捕集器与SCR反应器连通，SCR反应器与防爆水洗箱连通；在连通颗粒捕集器与SCR反应器的管路上还连通有尿素存储罐，防爆水洗箱还与补水箱连通；防爆柴油机、颗粒捕集器、尿素存储罐、防爆水洗箱、SCR反应器和补水箱分别与ECU电连接；本发明通过多种后处理技术组合的方式全面净化尾气中的有害物质；仅对防爆柴油机排气系统进行改造，工程量小、净化效率高；对于改善防爆柴油机排放性能，实现井下运输设备的清洁排放和后处理装置在井下推广使用具有重要意义和实用价值。

Description

一种矿用防爆柴油机尾气净化装置
技术领域
本发明涉及一种尾气净化装置，具体涉及一种矿用防爆柴油机尾气净化装置。
背景技术
矿用车辆多使用防爆柴油机作为动力装置，而防爆柴油机尾气中含有大量有害物质，严重危害着井下工作人员的身心健康，亟需重点控制。国家煤矿安全监察局明确提出了禁止使用标准在国II及以下的防爆柴油机，对防爆柴油机的性能提出了更高的要求。因此，在保证防爆柴油机动力性能与经济性的同时，改善防爆柴油机的排放性能显得尤为重要。
防爆柴油机排放主要污染物为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）以及颗粒物（PM）。受限于柴油的本征特性与发动机结构原理，仅通改善发动机工作过程等机内净化技术来减少污染物生成的难度越来越大，尾气后处理技术是在排气系统中接入净化装置，在尾气进入外部环境前进行净化处理，已在道路柴油车辆上取得了理想的应用效果。但对于矿用防爆柴油机而言，尾气后处理装置的应用首先需要满足防爆要求，道路柴油车辆用后处理装置不能直接照搬到防爆柴油机上使用。
发明专利CN107725160A公开了一种矿用防爆柴油机尾气处理系统，提出将尾气通入到冷却水中的方式吸收尾气所含的有害物质，尽管该方案能较好的对尾气进行降温消焰同时降低尾气中的烟尘，但冷却水对尾气的净化能力极其有限。发明专利CN109695493A公开了一种矿用防爆柴油机尾气净化方法及系统，提出使用尾气再循环（EGR）技术减少NOx生成，在排气系统中接入后处理装置氧化催化转化器（DOC）与颗粒捕集器（DPF）降低尾气中CO、HC以及PM的含量，但尾气再循环（EGR）技术的应用对发动机本体改动大，同时会对发动机的动力性能与经济性造成影响，且方案中未具体叙述尾气后处理装置的防爆结构，无法直接应用于井下。因此需要提出一种适用于井下环境的防爆柴油机后处理方法，解决尾气污染问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，净化效率高、稳定可靠。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，包括防爆柴油机、氧化催化器、颗粒捕集器、SCR反应器、防爆水洗箱和ECU；防爆柴油机通过排气歧管与氧化催化器连通，氧化催化器与颗粒捕集器连通，颗粒捕集器通过管路与SCR反应器连通，SCR反应器与防爆水洗箱连通；在连通颗粒捕集器与SCR反应器的管路上还连通有尿素存储罐，防爆水洗箱还与补水箱连通；防爆柴油机、颗粒捕集器、尿素存储罐、防爆水洗箱和补水箱分别通过传感器与ECU电连接，SCR反应器的入口和出口分别通过传感器与ECU电连接。
进一步的，所述的氧化催化器、颗粒捕集器分别有两个，防爆柴油机通过排气歧管和三通分别与一个氧化催化器连通，两个颗粒捕集器再通过三通与SCR反应器连通。
进一步的，所述的氧化催化器包括水冷夹套、壳体、绝热保温夹层和氧化催化器滤芯，水冷夹套位于壳体外侧且两者之间设有绝热保温夹层，氧化催化器滤芯位于壳体内侧。
进一步的，所述的颗粒捕集器包括水冷夹套、壳体、绝热保温夹层和颗粒捕集器滤芯，水冷夹套位于壳体外侧且两者之间设有绝热保温夹层，颗粒捕集器滤芯位于壳体内侧。
进一步的，所述的氧化催化器与颗粒捕集器通过法兰连接且法兰之间设有隔热棉垫片。
进一步的，所述的水冷夹套包括夹套外壁和夹套内壁，夹套外壁和夹套内壁之间中空，夹套外壁上设有进出水口。
进一步的，还包括衬垫，衬垫设置在氧化催化器滤芯和壳体之间。
进一步的，还包括衬垫，衬垫设置在颗粒捕集器滤芯与壳体之间。
与现有技术相比本发明通过采用多种后处理技术组合的方式全面净化尾气中CO、HC、NOx及PM等有害物质；本发明仅对发动机排气系统进行改造，工程量小、净化效率高；本发明可取消排气阻火器的安装，减小排气背压，减轻对发动机性能的影响；对于改善防爆柴油机排放性能，对实现井下运输设备的清洁排放和后处理装置在矿井下的推广使用具有非常重要意义和实用价值。
附图说明
图1为本发明尾气净化方法流程图；
图2为本发明尾气净化装置示意图；
图3为本发明氧化催化转化器与颗粒捕集器内部结构图；
图中：1、防爆柴油机，2、氧化催化器，3、颗粒捕集器，4、SCR反应器，5、防爆水洗箱，6、ECU，7、排气歧管，8、尿素存储罐，9、补水箱，10、水冷夹套外壁，11，水冷夹套，12、水冷夹套内壁，13、隔热棉垫片，14，绝热保温夹层，15、衬垫，16、氧化催化器滤芯，17、颗粒捕集器滤芯，18、壳体，19、法兰，20、进出水口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明包括防爆柴油机1、氧化催化器2、颗粒捕集器3、SCR反应器4、防爆水洗箱5和ECU6。
防爆柴油机1通过排气歧管7与氧化催化器2连通，氧化催化器2靠近防爆柴油机1布置，可充分利用尾气高温对CO与HC进行催化氧化，还可有效去除颗粒物中的可溶性有机物SOF，一定程度上减少尾气中颗粒物含量。氧化催化器2还可以将尾气中的NO转化成NO2，为下游的颗粒捕集器3被动再生与提高SCR反应器4反应速率提供条件。
氧化催化器2与颗粒捕集器3连通，颗粒捕集器3用以解决防爆柴油机1碳烟量排放突出的问题。
颗粒捕集器3通过管路与SCR反应器4连通，SCR反应器4与防爆水洗箱5连通；在连通颗粒捕集器3与SCR反应器4的管路上还连通有尿素存储罐8，防爆水洗箱5还与补水箱9连通；以尿素为还原剂的SCR反应器4可以减少尾气中NOx的含量。尿素水溶液喷射到尾气中与之充分混合，在高温下分解生成氨NH3，并在催化剂的催化作用下将NOx还原为无害的N2与H2O排出。尾气通入防爆水洗箱5中，以水为介质对高温尾气进行冷却降温、熄灭尾气中可能存在的火星。
氧化催化器2、颗粒捕集器3分别有两个，防爆柴油机1通过排气歧管7和三通分别与一个氧化催化器2连通，两个颗粒捕集器3再通过三通与SCR反应器4连通；采用两个氧化催化器2和颗粒捕集器3并联接入防爆柴油机1排气系统中，两个颗粒捕集器3同时工作，可较好地解决防爆柴油机1碳烟量排放突出的问题，并在高效去除颗粒物的同时有效延长装置使用周期，适用于井下环境。
防爆柴油机1通过传感器与ECU6电连接，获取发动机转速、节气门开度、油门位置、进气流量等信息；颗粒捕集器3通过传感器与ECU6电连接，获取颗粒捕集器3的排气背压，大于预设值时报警报提示；尿素存储罐8通过传感器与ECU6电连接，以控制尿素存储罐8中尿素泵喷射尿素，并实时获取尿素存储罐8中尿素液液位高度，若尿素液液位低于警戒值则发出警报；防爆水洗箱5通过传感器与ECU6电连接，获取防爆水洗箱5内冷却液液位高度以及出口处尾气温度，若冷却液液位低于警戒值ECU6发出警报，同时补水箱9开始补水至预设的液位；补水箱9分别通过传感器与ECU6电连接，获取补水箱9内冷却液液位高度，若冷却液液位低于警戒值ECU6发出警报提示补水，并控制补水箱9为防爆水洗箱5补水；SCR反应器4的入口和出口分别通过传感器与ECU6电连接，获取入口前NOx含量、尾气温度与出口后的NOx含量，ECU6根据防爆柴油机1信息、尾气温度与SCR反应器4入口前与出口处NOx含量实时调整尿素水溶液喷射策略。若SCR反应器4出口处NOx含量大于预设警戒值则发出警报。
在防爆柴油机1工作过程中，被过滤的颗粒物的积累逐渐堵塞颗粒捕集器3，导致排气阻力不断增大，引起防爆柴油机1性能恶化。ECU6实时获取颗粒捕集器3的排气背压，大于预设值时报警提示对颗粒捕集器3进行再生或更换清洗。
尿素水溶液温度过低可能导致尿素低温结晶析出堵塞管路，影响净化效果，此时报警提示需要对尿素水溶液进行加热，保证SCR反应器4正常高效运行。若SCR反应器4出口处NOx含量高于预设值，表明此时净化效果不理想，ECU6发出警报提示，同时ECU6开始适当限制防爆柴油机1功率输出，并根据SCR反应器4入口前与出口后的NOx含量、尾气温度、发动机转速、节气门开度、油门位置等信息实时调整尿素存储罐8中尿素水溶液喷射策略，提高净化效率。
防爆柴油机1工作过程中，冷却水受热蒸发，不断被消耗。若液位高度低于预设值，ECU6发出警报同时补水箱9补水至预设的液位高度。若防爆水洗箱5出口处的尾气温度高于预设温度值，ECU6发出警报并限制防爆柴油机1功率输出。此外，若补水箱9液位高度低于预设值，ECU6发出警报提示及时补水。
井下防爆要求装置表面温度不高于150℃，为保证氧化催化器2、颗粒捕集器3、SCR反应器4内部高温环境；如图3所示，氧化催化器2包括水冷夹套11、壳体18、绝热保温夹层14、衬垫15和氧化催化器滤芯16，水冷夹套11位于壳体18外侧且两者之间设有绝热保温夹层14，氧化催化器滤芯16位于壳体18内侧且两者之间设有衬垫15；颗粒捕集器3包括水冷夹套11、壳体18、绝热保温夹层14、衬垫15和颗粒捕集器滤芯17，水冷夹套11位于壳体18外侧且两者之间设有绝热保温夹层14，颗粒捕集器滤芯17位于壳体18内侧且两者之间设有衬垫15；SCR反应器4结构与氧化催化器2和颗粒捕集器3结构一样；
绝热保温夹层14可减少尾气热量扩散流失、保证内部高温反应条件以及减少外侧水冷夹套冷却水对反应器内部温度场与流场的影响，确保反应高效进行；绝热保温夹层14外设有水冷夹套11用于确保装置表面温度不超过150℃，满足井下防爆要求，水冷夹套11包括夹套外壁10和夹套内壁12，夹套外壁10和夹套内壁12之间中空，夹套外壁10上设有进出水口20，通过进出水口20可以向中空的空间内注水；氧化催化器2、颗粒捕集器3、SCR反应器4之间通过法兰19连接，法兰19之间设置隔热棉垫片13进行密封、保温。
后处理装置延长了排气管路，内部滤芯尤其是颗粒捕集器滤芯17，可起到阻火作用，本发明可取消排气阻火器的加装，有效减小排气背压、减轻对发动机性能的影响，简化排气系统。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，包括防爆柴油机（1）、氧化催化器（2）、颗粒捕集器（3）、SCR反应器（4）、防爆水洗箱（5）和ECU（6）；
防爆柴油机（1）通过排气歧管（7）与氧化催化器（2）连通，氧化催化器（2）与颗粒捕集器（3）连通，颗粒捕集器（3）通过管路与SCR反应器（4）连通，SCR反应器（4）与防爆水洗箱（5）连通；
在连通颗粒捕集器（3）与SCR反应器（4）的管路上还连通有尿素存储罐（8），防爆水洗箱（5）还与补水箱（9）连通；
防爆柴油机（1）、颗粒捕集器（3）、尿素存储罐（8）、防爆水洗箱（5）和补水箱（9）分别通过传感器与ECU（6）电连接，SCR反应器（4）的入口和出口分别通过传感器与ECU（6）电连接。
2.根据权利要求1所述的一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，所述的氧化催化器（2）、颗粒捕集器（3）分别有两个，防爆柴油机（1）通过排气歧管（7）和三通分别与一个氧化催化器（2）连通，两个颗粒捕集器（3）再通过三通与SCR反应器（4）连通。
3.根据权利要求1所述的一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，所述的氧化催化器（2）包括水冷夹套（11）、壳体（18）、绝热保温夹层（14）和氧化催化器滤芯（16），水冷夹套（11）位于壳体（18）外侧且两者之间设有绝热保温夹层（14），氧化催化器滤芯（16）位于壳体（18）内侧。
4.根据权利要求1所述的一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，所述的颗粒捕集器（3）包括水冷夹套（11）、壳体（18）、绝热保温夹层（14）和颗粒捕集器滤芯（17），水冷夹套（11）位于壳体（18）外侧且两者之间设有绝热保温夹层（14），颗粒捕集器滤芯（17）位于壳体（18）内侧。
5.根据权利要求1所述的一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，所述的氧化催化器（2）与颗粒捕集器（3）通过法兰（19）连接且法兰（19）之间设有隔热棉垫片（13）。
6.根据权利要求3或4所述的一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，所述的水冷夹套（11）包括夹套外壁（10）和夹套内壁（12），夹套外壁（10）和夹套内壁（12）之间中空，夹套外壁（10）上设有进出水口（20）。
7.根据权利要求3所述的一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，还包括衬垫（15），衬垫（15）设置在氧化催化器滤芯（16）和壳体（18）之间。
8.根据权利要求4所述的一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，还包括衬垫（15），衬垫（15）设置在颗粒捕集器滤芯（17）与壳体（18）之间。
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