CN1651728A - 用于净化的喷射喷嘴 - Google Patents

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Abstract

一种借助于包括喷嘴头和被与内供应管在空间上互相隔离的外套管同心环绕着的内供应管的喷射喷嘴在高温下将液流均匀喷射进气流的方法和设备。它包括使液流从内管和喷嘴头通过，以及通过在内管和外管之间的环形空间的至少一部分提供绝热而使内管的液流保持温度。此外，它还包括在出口末端堵住喷嘴头使内管和喷嘴头保持持续的液流，以及通过许多在喷嘴头上的喷嘴孔将液流喷射出去，所述喷嘴孔邻近喷嘴头的出口末端。

Description

用于净化的喷射喷嘴
技术领域
本发明涉及通过一种喷嘴将流体喷射进气体。本发明特别涉及将溶液喷射进热气中，其中本发明的一个特殊的用法与除去柴油发动机的废气中的NOx有关。
背景技术
喷嘴广泛应用于将一种流体喷射进另一种流体中，也与除去发动机的废气中的NOx有关。
在WO96/36797专利申请中，Hofmann等公开了将尿素溶液/空气混合物喷射进机动车的废气中。混合物仅仅在接近管壁的管内被喷射进废气管中，以致溶液在喷洒入气体之前不会变得太热。当从废气管的横截面看时，喷射液体的分布不是均匀的。
Tsuneaki在JP2001152831中公开了另一个废气净化体系。此处，也是通过将尿素溶液喷射进机动车的废气中而使氮氧化物减少。喷射喷嘴穿过废气管壁插入其中，从内表面仅延伸一小段距离，这样造成不均匀的流动模式。
Kupper等在专利US4,502,196中公开了一种用于燃料的喷射喷嘴，该喷嘴包括两个带有窄隙中填满绝热材料的共轴管。为了保持燃料在焦炭开始形成的温度以下，外管环绕在喷嘴尖端周围形成一个护罩。燃料通过一个孔被喷射出，仅通过内管和护罩以与喷嘴同轴的方向喷射。
Zauderer在专利US6,048,510中描述了另一种气体净化方法。通过喷射包含溶解的尿素或氨的空气雾化水滴，使燃煤锅炉烟道气中的氮氧化物含量减少。在温度处于最佳之处喷射水滴，通过喷嘴结构调节水滴尺寸以适应该温度。
然而，这些喷嘴容易堵塞，并且没有一种喷射方法保证喷射物质非常高程度的平均分布。
本发明的一般目标是提供用于喷射盐的水溶液的一种方法和一种喷嘴，来得到一种稳定和良好分布的喷射。该喷射致力于必须能够在所有的条件下运行而不会因为喷嘴的堵塞而发生中断。同时，它必须在喷射进气体中的喷射流体高度平均分布的情况下运行。
现在已经找到了一种方法和喷嘴，使得当喷嘴根据本发明设计时，尿素溶液能喷射入机动车的废气中，并在废气中得到非常均匀的分布。本发明的喷嘴长时间运行也不会堵塞。
发明内容
本发明是一种借助于包括喷嘴头和被与内供应管在空间上互相隔离的外套管同心环绕着的内供应管的喷射喷嘴在高温下将液流均匀喷射进气流的方法和设备。它包括使液流从内管和喷嘴头通过，以及通过在内管和外管之间的环形空间的至少一部分提供绝热而使内管的液流保持温度。此外，它还包括在出口末端堵住喷嘴头使内管和喷嘴头保持持续的液流，以及通过许多在喷嘴头上的喷嘴孔将液流喷射出去，所述喷嘴孔邻近喷嘴头的出口末端。它也包括通过与气流方向基本上成直角方向并邻近气流通道的中轴的喷嘴孔喷射液流，最后通过邻近喷嘴头区域内的一个外套管的圆锥形变窄区域，使喷射的液流在气流中均匀分布。
优选的绝热材料是陶瓷，绝热材料由材料的薄层形成，并利用有机胶卷成所需形状。
内管可能在外管端和内管端之间带有90°弯曲。
所述流体可以是一种空气和尿素水溶液的混合物，所述尿素水溶液含20-50重量％的尿素，优选为30-35重量％，最优选为32.5重量％。
本发明对于喷射进柴油机热废气中的尿素水溶液的均匀分布特别有利，其中，水可能会煮沸导致尿素结晶。本发明特别适用于大型铁路货车和载重货车中。
附图说明
图1是根据本发明的直喷嘴的横截面图。
图2是根据本发明的90°弯曲喷嘴的横截面图。
图3是带有本发明喷嘴嘴的排放管的横截面图。
图4是根据本发明的90°弯曲喷嘴的额切面图。
具体实施方式
在驱动机动车的柴油发动机中，以一定量的过量空气进行燃烧。这导致废气中的氮氧化物，NOx的形成，这是对环境的严重污染。
NOx能通过氨来还原，氨(NH3)很难在机动车中储存，因此用尿素(H2NCONH2)水溶液作还原剂。
根据下述的反应，当尿素喷射出并与热废气混合时，尿素分解，氨因此形成：
只有当温度超过200℃时，尿素才能完全分解。因此，200℃是尿素能喷射进废气中的最低温度。
然后使废气和还原剂(氨)的混合物通过催化剂，其中，根据下述反应，氮氧化物，一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)与氨反应形成氮气和水：
，和
在普通的操作中，所述废气应当并且将会非常热，同时，重要的是喷射喷嘴中的尿素溶液的温度不能超过水蒸发从而导致尿素结晶并堵塞喷射喷嘴的温度。
本发明此外还提供了一种用于将尿素溶液/空气混合物喷射进热废气而不会使尿素结晶的喷嘴。该喷射喷嘴包括外套管，同轴的内供应管和在两管之间环形空隙中的绝热材料。这防止热废气使尿素水溶液的温度升高至水蒸发和尿素结晶的温度。
在出口区域处，内管有带有塞子的喷嘴头。在非常靠近塞子之处，有喷嘴孔。这保证了在内管的整个容积中溶液的流动，因此，避免了“死容积”，否则，会加热导致尿素结晶。为了清洁内管，塞子可以移除。
通过该喷嘴尖的设计，溶液能以与喷嘴的轴成直角地流出，以保证良好的分布，并且不会有形成固体尿素和堵塞喷嘴的风险。
当尿素溶液/空气混合物通过喷嘴孔流出，气溶胶就同时形成。当热废气加热气溶胶时，尿素转换成氨，氨在安置于喷嘴下游的催化剂上使废气中的氮氧化物还原为氮。
由于催化剂是安置于废气管道放大部分的全部截面面积中，管道中尿素/氨的均匀分布对氮氧化物的转换而言非常重要。
本发明的性能和设计通过下述附图的详细介绍将会更加清晰。
本发明的一个优选实施方案由附图1公开，附图1中是一个直喷射喷嘴。该喷嘴包括喷嘴头1，外套管2和共轴的供应内管3，其中管之间的环形空隙填满了绝热材料4。绝热材料4形成固体环形，装在内管3和外管2之间。
喷嘴头1的末端是平头螺钉5。与平头邻接钻有喷嘴孔6，这样在没有流动时消除喷嘴容积。外管的末端是圆锥部分7，其缩小部分邻近喷嘴头1连在内管3上。尿素溶液/空气混合物8保持在水不会蒸发并且尿素不会结晶的低温下流经内管3。混合物8穿过喷嘴孔6流出，这时气溶胶形成。在热废气中尿素溶液转化为氨和二氧化碳。
本发明的另一个优选实施方案显示于图2中，除了喷嘴头以外它基本上与上述喷射喷嘴等同，它的喷嘴头带有90°的弯曲10，弯曲与喷嘴孔6之间的5mm是直的。
图3中显示了优选的装置模式。带有90°弯曲的喷嘴与废气管11成直角地插入管壁，其尖端指向废气流动的方向，并且同轴安装在废气管11的中央。这样，尿素溶液经过喷嘴孔6流出时，与废气流动方向成直角，并且在废气的中央，这样导致它非常好的分布。
当通过喷嘴孔6喷射时，尿素水溶液被转化为氨和二氧化碳；废气流流动至催化剂12，在此处氨将氮氧化物转化为氮气和水。只有将氨在废气管中适当分布才能得到在催化剂上的最佳转化。
图4显示了当喷射喷嘴带有4个喷嘴时这些喷嘴孔的位置。当它们以与垂直方向呈45°钻孔时，喷射喷嘴的垂直部分不会干扰从喷嘴后部流来的废气流。
本发明特别适用于驱动轮船、火车、铁路货车、载重货车等类似的交通工具的柴油发动机中，其中会形成上述有毒气体，为了不污染空气必须要将其除去。由于这些气体对人类，动物甚至建筑都有害，因此，除去有毒气体将会在越来越多的国家成为政府的要求。
实施例
为使氨在废气管中均匀分布，喷射喷嘴的尺寸很重要。
以如下尺寸制造本发明的一个优选实施方案。这些尺寸对应于如下所述的空气和溶液流量/消耗量，并且这些数字对应于本发明在带有柴油发动机的常规铁路货车中的应用。
当运行发动机时，20Nl/min的空气流量是适当的。尿素溶液的消耗量通过调节与废气中的NOx的含量相适应，然而，7.5l/hr的溶液流量是典型的。尿素水溶液的尿素含量是20-50重量％，优选是30-35重量％，更优选是32.5wt％。
与喷射喷嘴相适应的内管有6mm的外径和1.5mm的壁厚，外管有25mm的外径和1.22mm的壁厚，并且在这些管之间装入陶瓷材料。喷嘴带有四个每个孔径为0.55mm并且等距分开的孔。对于其他流量而言，孔的数量和尺寸进行相应调节，通常用八个孔径为0.39mm的孔。
本发明一个特殊的实施方案中，圆锥部分7的内表面的角度为30°，并且圆锥部分的长度为44.4mm。已经证明这些尺寸能使还原剂非常好的分布在废气中。
在管之间的空隙中的绝热材料是陶瓷材料，它被卷成希望的形状并且通过有机粘结剂将其保持该形状。所述陶瓷材料是从Keramax a/s，Tølløse，Denmark购买的名称为“Isovac”商品。
除了绝热材料，适当的喷嘴结构材料是不锈钢SS 316。
检测结果
已经证明本发明的喷嘴对应用于喷射进热废气中的尿素水溶液时特别有益，尤其是包含氮氧化物的柴油机废气。
2003年9月，为进行现场测试，在带有4L 150hp柴油发动机的大客车中安装了一个尿素选择催化还原体系。用于尿素喷射的喷嘴在现场测试的开始仅仅是一个不带任何绝热材料的管道。大客车在伦敦城市交通的真实条件下运行。
在2个工作日的短时期后，发现体系不能再工作了。其原因在于尿素堵塞了喷嘴。
喷嘴用机械清洗干净，体系再次开始运行。
又过了2天，喷嘴再次被尿素残渣完全堵塞。
用根据本发明的带有绝热材料环绕着喷射喷嘴的Haldor Topsφe A/S喷嘴代替常规喷嘴。
所述体系没出现任何堵塞问题，运行了整整5个月。

Claims (10)

1、一种借助于包括喷嘴头和被与内供应管在空间上互相隔离的外套管同心环绕的内供应管的喷射喷嘴在高温下将液流均匀喷射进气流的方法，该方法包括：
使液流从内管和喷嘴头通过，以及通过在内管和外管之间的环形空间的至少一部分提供绝热而使内管的液流保持温度；
在出口末端堵住喷嘴头使内管和喷嘴头保持持续的液流，以及通过许多在喷嘴头上的喷嘴孔将液流喷射出去，所述喷嘴孔邻近喷嘴头的出口末端；
通过与气流方向基本上成直角方向并邻近气流通道的中轴的喷嘴孔喷射液流；和
通过邻近喷嘴头区域内的外套管的圆锥形变窄区域，使喷射到气流中的液流均匀分布。
2、权利要求1的方法，其中气流是从柴油发动机中排出的废气流，且液流是包含20-50重量％，优选30-35重量％尿素的尿素水溶液。
3、权利要求2的方法，其中水溶液通过压缩空气通到喷嘴头。
4、用于根据前述任一权利要求的方法的喷射喷嘴，其包括与液流供应管连接的喷嘴头，其中所述供应管被外套管同心环绕，并且供应管与外套管在空间上隔离；
供应管与套管之间的空隙至少部分被填入绝热材料；
外套管成圆锥形狭窄以致在邻近喷嘴头的区域与内供应管壁相邻；
喷嘴头在出口末端被塞子堵塞；和
所述喷嘴头在邻近喷嘴头塞子的区域带有许多等距分开的喷嘴孔。
5、权利要求4的喷射喷嘴，其中喷嘴头外径和内径的尺寸与供应管外径和内径的尺寸相等。
6、权利要求4的喷射喷嘴，其中喷嘴头是一个在供应管和喷嘴孔之间带有90°弯曲的管道。
7、权利要求4的喷射喷嘴，其中绝热材料是陶瓷化合物。
8、权利要求4的喷射喷嘴，其中外套管的圆锥形狭窄部分的内表面的角度为30°。
9、权利要求4的喷射喷嘴，其中供应管具有6mm的外径和1.5mm的壁厚，外套管具有25mm的外径和1.22mm的壁厚，以及喷嘴头带有4个等距的每个孔径为0.55mm的孔，或带有8个等距的每个孔径为0.39mm的孔。
10、权利要求6的喷射喷嘴，其中在所述弯曲和喷嘴孔之间的喷嘴头的直的部分的长度为5mm。
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