CN112554999B - 一种抗结晶型车用尿素水溶液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗结晶型车用尿素水溶液，包含以下质量百分比的原料：尿素为20%～35%；碳酸氢铵为1%～10%和/或碳酸铵为0.5%~6%；N，N‑二甲基甲酰胺为0.1％～5％；余量为水。本发明选择的原料均为常见的化工产品，价廉易得，同时调配工艺简单，无需复杂的设备，适合工业化批量生产。

Description

一种抗结晶型车用尿素水溶液及其制备方法
技术领域
本发明涉及柴油机尾气净化装置SCR系统还原剂技术领域，具体涉及一种抗结晶型车用尿素水溶液及其制备方法。
背景技术
随着我国汽车尾气排放标准的不断升级，传统的柴油机缸内燃烧优化技术已无法满足排放要求，必须引入排气后处理系统对排气污染物进行机外净化，柴油机尿素—选择性催化还原(urea-SCR)技术是目前最具前景的后处理技术之一。SCR具有油耗低、发动机结构及其电控系统功能改变小、对燃油中的硫含量不敏感等技术特点，因此SCR成为降低柴油车NOx排放的重要技术路线。
在理想状态下，尿素在SCR系统内的热分解主要分为两步：尿素热解生成等体积的氨气(NH3)和异氰酸(HNCO)；异氰酸水解生成NH3和CO2。但在实际运行中，尿素水溶液分解形成NH3的过程涉及一系列的物理化学变化，如液滴破碎、雾化、蒸发、尿素热解和水解、喷雾撞壁等，易受到反应条件和系统结构的影响，往往不能完全分解，产生很多不必要的副产物，长时间积累后会在喷射器喷嘴、排气管壁和混合器表面形成固体沉积物，造成尿素转化效率降低、催化剂入口处NH3分布均匀性变差、加速催化剂老化并降低NOx还原效率。尿素液滴在排气流道内形成结晶结石等沉积物是影响当前SCR系统稳定运行的主要因素，在车辆运行过程中会引起车辆燃油消耗增加和NOx排放升高等问题，严重时导致发动机限扭，影响发动机正常运行。
目前，根据修理厂反馈的结果显示，尿素喷嘴结晶无法喷射尿素液的故障案例非常多。尿素喷嘴中尿素溶液结晶是重型卡车发生最多的一种结晶形式，会直接导致排气管堵塞、排气背压增大、排放故障灯亮、动力不足等后果，因此对整车性能的影响也最大，同时维修费用也大大增加。现如今，发动机厂、整车厂、SCR系统厂家等对SCR后处理系统沉积物堵塞故障采取的办法都是直接更换堵塞部件，并且更换后的堵塞部件大部分直接报废，无有效的再生处理方法，造成较大的经济损失及资源浪费，其中，更换一个喷嘴进口的要800~900元，而更换一个排气管尾部的催化剂载体要 8000~9000 元。
现有技术对于SCR系统尿素结晶问题的研究，技术人员主要对外部环境影响因素进行了大量研究，并总结了尿素结晶的具体原因（如喷嘴位置及结构设计不合理、雾化不良和排气温度低等），这些研究都是从宏观角度出发，揭示影响沉积物生成量的外部因素，并针对性的提出了一些改进措施，但这样的措施并不能从根本上解决尿素结晶的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种抗结晶型车用尿素水溶液及其制备方法，以解决现有技术无法从根本上解决尿素喷嘴中尿素溶液结晶的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种抗结晶型车用尿素水溶液，包含以下质量百分比的原料：尿素为20%～35%；碳酸氢铵为1%～10%和/或碳酸铵为0.5%~6%；N，N-二甲基甲酰胺为0.1％～5％；余量为水。
优选地，包含以下质量百分比的原料：尿素为28%～33%；碳酸氢铵为1%～8%和/或碳酸铵为2~6%；N，N-二甲基甲酰胺为0.5％～4％；余量为水。
优选地，还包括乙二醇胺，乙二醇胺的质量百分比为0~5%，
优选地，所述尿素为AUS 32专用尿素。
优选地，所述水为三级水。
优选地，所述碳酸氢铵、N，N-二甲基甲酰胺为化学纯及以上级别。
一种抗结晶型车用尿素水溶液的制备方法，制备如本发明所述抗结晶型车用尿素水溶液，包括以下步骤：
将水加热至25℃~35℃后，称量好的原料加入到水中，不断搅拌直至完全溶解至溶液呈透明状，得到所述抗结晶型车用尿素水溶液。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明对车用尿素溶液的原料进行筛选，优化配方，在使用之后发现，车辆尿素喷嘴发生堵塞的情况出现了非常显著的下降，车用尿素溶液形成结晶的情况大幅度减少，这有力的证明了，本发明所述车用尿素水溶液能够有效减少车用尿素水溶液在使用过程中固体结晶的生成，延长设备的使用寿命，大大节约了维修费用。
2、本发明选择的原料均为常见的化工产品，价廉易得，同时调配工艺简单，无需复杂的设备，适合工业化批量生产。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
一、一种抗结晶型车用尿素水溶液
所述抗结晶型车用尿素水溶液包含以下质量百分比的原料：尿素为20%～35%；碳酸氢铵为1%～10%和/或碳酸铵为0.5%~6%；N，N-二甲基甲酰胺为0.1％～5％；余量为水。
在具体实施时，所述抗结晶型车用尿素水溶液包含以下质量百分比的原料：尿素为28%～33%；碳酸氢铵为1%～8%和/或碳酸铵为2~6%；N，N-二甲基甲酰胺为0.5％～4％；余量为水。可单独添加碳酸氢铵，也可单独添加碳酸铵，或者添加二者的混合物。还包括乙二醇胺，乙二醇胺的质量百分比为0~5%，所述尿素为AUS 32专用尿素。所述水为三级水，通过单次蒸馏、去离子化、超滤或反渗透等方法制取的水，所述水符合GB/T 6682的要求。本发明所采用的化合物原料为化学纯及以上级别。
现有技术对于SCR系统尿素结晶问题的研究主要都集中在外部环境影响因素上，通过对喷嘴结构、排气温度等装置结构上的一系列改进来减少尿素结晶问题，然而这些改进仍然不能解决尿素结晶问题。
本发明在对尿素溶液的原料进行筛选改进时发现，加入某些添加剂能够使车辆尿素喷嘴发生堵塞的情况出现非常显著的下降，进一步对车辆尿素系统进行拆卸观察后发现，这些添加剂的加入使得车用尿素溶液在喷嘴管路、喷孔上的结晶现象大幅度降低，即便尿素喷射系统在长时间运行后，也未有沉积物出现，这无疑大大延长了设备的使用寿命，也节省了维修费用。在对其原理进行深入研究后发现，尿素溶液在喷嘴喷射过程中会发生分解，分解过程中会形成一些副产物，而这些副产物的形成会导致喷嘴堵塞，同时尿素溶液在喷射过程中还存在雾化不充分的情况，这也是导致喷嘴堵塞的原因之一。而本发明选用的添加剂，一方面降低车用尿素溶液的表面张力，这样尿素溶液在喷嘴喷射过程中可以雾化得更加充分，尿素更容易分解；另一方面，这些添加剂能够阻止或降低尿素分解过程种副产物的形成。
本发明所述抗结晶型车用尿素溶液的配方中添加碳酸氢铵或碳酸铵后发现，碳酸氢铵或碳酸铵可以有效补充排气温度较低时尿素水溶液NH3的生成量，因为柴油发动机在低速空载或低负荷时排气温度约150℃，此温度条件下尿素水解为NH3比较困难，而碳酸氢铵或碳酸铵的水溶液在80℃左右就可以水解为NH3。此外，通过实验还发现，这两种物质的加入可以有效降低尿素水解过程中副反应的速率，从而达到减少结晶、结石的生成。配方中添加的N，N-二甲基甲酰胺或二乙醇胺这两种物质由于在水溶液中具有一定的表面活性，能降低水溶液的表面张力，因此尿素喷嘴喷射的溶液更易雾化，形成的颗粒更小，有利于尿素的快速高效分解，从而降低结晶、结石的产生。
表1（单位：wt%）
实施例 尿素 碳酸氢铵 碳酸铵 N,N-二甲基甲酰胺 二乙醇胺 三级水
1 31 5 0 1 0.5 62.5
2 29 0 3 2 0 66
3 25 2 6 0.5 0.5 66
对比例 33 0 0 0 0 67
目前，普通车辆在采用市场上的车用尿素溶液产品后，车辆SCR系统一般在行驶里程达到5000km左右，会出现OBD报警，显示尿素喷射系统故障。在对出现OBD报警的车辆进行拆卸后发现，尿素喷射系统中尿素喷嘴上的管路和喷孔内均出现了结晶、结石沉积，导致尿素喷射系统无法正常进行尿素溶液喷射。
实施例1~3为本发明所述抗结晶型车用尿素水溶液，对比例2选取市场上某国企生产的车用尿素水溶液。将实施例与对比例应用于上汽红岩杰狮重卡，在同样的周边环境以及同样的道路环境中行驶，进行对比应用实验。使用实施例1~3的车辆在行驶里程达到50000km后，均未出现OBD报警，这表示使用了本发明所述抗结晶型车用尿素水溶液的车辆SCR系统运行正常，将尿素喷嘴拆卸后发现，喷嘴上的管路和喷孔中并没有结晶、结石沉积物的出现，这表明本发明所述抗结晶型车用尿素水溶液具有良好的抗结晶效果。使用对比例的车用尿素水溶液车辆在行驶里程达到6000km后，出现OBD报警，显示尿素喷射系统故障，在对尿素喷嘴拆卸后发现，尿素喷嘴上的管路和喷孔出现了结晶、结石沉积物，此次报警正是由这些沉积物引起的。
二、一种抗结晶型车用尿素水溶液的制备方法
制备如本发明所述抗结晶型车用尿素水溶液，包括以下步骤：
将水加热至25℃~35℃后，称量好的原料加入到水中，不断搅拌直至完全溶解至溶液呈透明状，得到所述抗结晶型车用尿素水溶液。
本发明选择的原料均为常见的化工产品，价廉易得，同时调配工艺简单，无需复杂的设备，适合工业化批量生产。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种抗结晶型车用尿素水溶液，其特征在于，包含以下质量百分比的原料：尿素为25%；碳酸氢铵为2%；碳酸铵为6%；N，N-二甲基甲酰胺为0.5%；二乙醇胺为0.5%；余量为水；所述尿素为AUS 32专用尿素；所述水为三级水；所述碳酸氢铵、N，N-二甲基甲酰胺为化学纯及以上级别。
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