CN204436541U - 一种柴油发动机选择性催化还原后处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，该装置包含依次连接的尿素混合管、斜置催化剂罐以及排气管；尿素混合管和排气管水平设置，排气管的位置高于尿素混合管；斜置催化剂罐与水平的尿素混合管所成的倾斜角度为20°~30°。排气管下方设有氮氧化物传感器。尿素混合管的一端设有尿素喷射嘴，另一端与斜置催化剂罐通过弯管或软管连接。尿素混合管，在尿素喷射嘴和连接斜置催化剂罐的弯管或软管之间的位置设有尿素混合器。本实用新型提供的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，能够提高尿素在催化剂前端的转化效率，进而提高氮氧化物转化率并减少氨气逃逸。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种柴油机尾气处理技术中的柴油机选择性催化后处理装置，具体地，涉及一种柴油发动机选择性催化还原后处理装置。
背景技术
氮氧化物和颗粒物的排放过高是柴油发动机的两大显著缺陷。随着汽车尾气排放所造成的大气污染对人们生活和生产影响的加剧已经环保意识的逐渐加强，世界各国的排放法规对柴油发动机的氮氧化物和颗粒物排放限制日趋严格。以我国为例，在国III排放标准当中，氮氧化物的排放限制为 5g/kW·h, 颗粒物排放限制为0.1g/kW·h。而在国IV标准当中，氮氧化物的排放限制迅速降为 3.5g/kW·h, 颗粒物排放限制降为0.02g/kW·h。到国V标准当中，氮氧化物的排放限制进一步降为 2g/kW·h。尾气排放标准的大幅度提高，对汽车整车企业和柴油发动机公司提出了新的挑战。
为了满足苛刻的排放法规要求，仅通过缸内调节技术难以实现，添加柴油发动机尾气后处理系统成为必须的选择。柴油发动机尾气后处理系统中的选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）技术通常指将氨气作为还原剂，将尾气中的氮氧化物还原成氮气和水。SCR技术被认为能够满足未来氮氧化物排放法规的最有前途的一种技术。其原因在于：氨气的来源比较广泛、安全且价格不是很高，氨气的来源有尿素溶液也有固态尿素颗粒；其次，与废弃再循环技术相比，SCR技术能够提高燃油的经济性，适当补偿尿素溶液的成本；再次SCR技术对燃油本身的品质要求不是很高，比较适用于我国燃油含硫量过高的国情。由于SCR技术拥有这些突出优点，该项技术已逐渐普及。随着排放法规的提升，该技术必将成为满足未来柴油机，尤其是重型柴油机氮氧化物排放法规的最主要方法。
基于尿素溶液的SCR系统的基本原理为： (1) 在催化剂罐进气口的前方喷射尿素溶液； (2) 尿素溶液在高温 (180℃以上) 的尾气环境中转化为气态的氨气； (3) 气态氨气进入催化剂罐并被催化剂吸附； (4) 吸附的氨气与尾气中的氮氧化物反应生成氮气和水。
如果喷射的尿素溶液量正好合适，尾气中的绝大部分氮氧化物都能被转化为无害的气体氮气和水；如果喷射的尿素溶液量不够，氮氧化物不能最大限度地被转化，排放法规也许就不能满足，造成对SCR系统的浪费；如果喷射的尿素溶液量过多，过剩的氨气将逃逸到大气当中，由于氨气属于温室气体并且刺激性较强且有毒，逃逸的氨气不但造成尿素的浪费，而且对环境形成了二次污染。
现有技术中的SCR设备均为排气管和SCR催化剂罐同心相连，气体迅速通过SCR催化剂罐。由于尿素到氨气的转化不能在催化剂罐前端完成，很难最大限度地利用催化剂，造成氮氧化物转化率不高和氨气逃逸量较大的结果。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于柴油机尾气处理中的柴油机选择性催化后处理装置，提高尿素在催化剂前端的转化效率，进而提高氮氧化物转化率并减少氨气逃逸。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，该装置包含依次连接的尿素混合管、斜置催化剂罐以及排气管；所述的尿素混合管和排气管水平设置，排气管的位置高于尿素混合管；所述的斜置催化剂罐一端与尿素混合管连接，另一端与排气管连接；所述的斜置催化剂罐与水平的尿素混合管所成的倾斜角度为20°~30°。斜置催化剂罐的倾斜角度比较重要，通过使用CFD（Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学）软件对中型柴油机在不同实验工况下进行分析，确定了最佳的斜置角度为20°~30°。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的排气管与斜置催化剂罐通过弯管或软管连接。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的排气管下方设有氮氧化物传感器。能够检测斜置催化剂罐之后的排气管内的氮氧化物浓度。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的斜置催化剂罐内设有选择性催化还原的催化剂。所述的催化剂优选地采用铜基沸石材料。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的尿素混合管的一端设有尿素喷射嘴，另一端与斜置催化剂罐通过弯管或软管连接。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的尿素混合管，在尿素喷射嘴和连接斜置催化剂罐的弯管或软管之间的位置设有尿素混合器。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的尿素喷射嘴倾斜地设置在尿素混合管的上部，其能够将液态尿素由上向下倾斜射入尿素混合管内部。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的尿素混合管，其设有尿素喷射嘴一端的管口为进气端，能够接收柴油发动机尾气。柴油机尾气所带高温能够将尿素喷射嘴射入的液态尿素转为气态氨气。所述的尿素喷射嘴为尖端向下的空芯锥型，所述锥型的轴线与尿素混合管进气端的外壁成锐角。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的尿素混合管，其所设的尿素混合器能够将射入尿素混合管内部的尿素与由进气端进入的柴油发动机尾气混合均匀。所述的尿素混合器优选为以旋转搅拌的方式进行混合。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的装置能够通过排气管中和柴油发动机排气歧管的氮氧化物浓度，调整尿素喷射嘴的尿素喷射量。优选地，传感器的信号通过CAN总线传递给控制器，再通过所述控制器对尿素喷射嘴的控制，实现尿素喷射量的调整。
上述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其中，所述的能够同时实现较高的氮氧化物转化率（95%以上）和较低的氨气逃逸率（峰值30ppm,均值10ppm）。其原理为：催化剂罐斜置造成混合气在催化剂载体前端形成一定涡流，所形成的涡流能促进混合度并适当延缓气体通过催化剂载体，从而提高尿素到氨气的转化效率，并最终提高氮氧化物转化率并减少氨气逃逸量。
本实用新型提供的柴油发动机选择性催化还原后处理装置具有以下优点：
1.不用额外增加设备和成本，只需要将催化剂罐斜置一定的角度。
2. 在不提高成本的情况下，提高氮氧化物转化率并减少氨气逃逸量。
3. 由于有氮氧化物传感器的反馈信息，尿素喷嘴的喷射量能够根据运行状态变化调整，实现不同情况下的一致性目标。
附图说明
图1为本实用新型的柴油发动机选择性催化还原后处理装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步地说明。
如图1所示，本实用新型提供的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，包含依次连接的尿素混合管1、斜置催化剂罐2以及排气管3。
尿素混合管1和排气管3水平设置，排气管3的位置高于尿素混合管1。
斜置催化剂罐2一端与尿素混合管1连接，另一端与排气管3连接。斜置催化剂罐2与水平的尿素混合管1所成的倾斜角度为20°~30°。斜置催化剂罐2的倾斜角度比较重要，通过使用CFD（Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学）软件对中型柴油机在不同实验工况下进行分析，确定了最佳的斜置角度为20°~30°。
排气管3与斜置催化剂罐2通过弯管或软管连接。排气管3下方设有氮氧化物传感器6，能够检测斜置催化剂罐2之后的排气管3内的氮氧化物浓度。
斜置催化剂罐2内设有选择性催化还原的催化剂7。催化剂7优选地采用铜基沸石材料。
尿素混合管1的一端设有尿素喷射嘴4，另一端与斜置催化剂罐2通过弯管或软管连接。尿素混合管1，在尿素喷射嘴4和连接斜置催化剂罐2的弯管或软管之间的位置设有尿素混合器5。尿素喷射嘴4倾斜地设置在尿素混合管1的上部，其能够将液态尿素由上向下倾斜射入尿素混合管1内部。尿素混合管1设有尿素喷射嘴4一端的管口为进气端，能够接收柴油发动机尾气。柴油机尾气所带高温能够将尿素喷射嘴4射入的液态尿素转为气态氨气。尿素喷射嘴4为尖端向下的空芯锥型，锥型的轴线与尿素混合管1进气端的外壁成锐角。尿素混合管1所设的尿素混合器5能够将射入尿素混合管1内部的尿素与由进气端进入的柴油发动机尾气混合均匀。尿素混合器5优选为以旋转搅拌的方式进行混合。
本实用新型提供的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，能够通过排气管3中和柴油发动机排气歧管的氮氧化物浓度，调整尿素喷射嘴4的尿素喷射量。优选地，传感器的信号通过CAN总线传递给控制器，再通过控制器对尿素喷射嘴4的控制，实现尿素喷射量的调整。
本实用新型提供的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，能够同时实现较高的氮氧化物转化率（95%以上）和较低的氨气逃逸率（峰值30ppm,均值10ppm）。
本实用新型提供的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其工作流程为：柴油机尾气（废气）——> 尿素喷射——>尿素混合器5——>斜置催化剂罐2内转化——>排气管3排出。具体如下：废气进入尿素混合管1，该SCR装置的控制器根据当前的运行状态（柴油发动机的氮氧化物排量、尾部排气管3中的氮氧化物浓度）喷射液态的尿素，液态尿素在尿素混合器5的辅助下在尿素混合管1中均匀分布，并在废气的高温下转化为气态氨气，尿素混合管1排出的混合气体在催化剂7载体前形成涡流，未转化的尿素(或中间产物三聚氰胺)进一步形成气体的氨气。气态氨气进入斜置催化剂罐2并被其内的催化剂7吸附，吸附的氨气与废气中的氮氧化物反应生成氮气和水。
本实用新型提供的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，将催化剂罐斜置造成混合气在催化剂7载体前端形成一定涡流，所形成的涡流能促进混合度并适当延缓气体通过催化剂7载体，从而提高尿素到氨气的转化效率，并最终提高氮氧化物转化率并减少氨气逃逸量。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其特征在于，该装置包含依次连接的尿素混合管（1）、斜置催化剂罐（2）以及排气管（3）；
所述的尿素混合管（1）和排气管（3）水平设置，排气管（3）的位置高于尿素混合管（1）；
所述的斜置催化剂罐（2）与水平的尿素混合管（1）所成的倾斜角度为20°~30°。
2.如权利要求1所述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其特征在于，所述的排气管（3）与斜置催化剂罐（2）通过弯管或软管连接。
3.如权利要求2所述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其特征在于，所述的排气管（3）下方设有氮氧化物传感器（6）。
4.如权利要求1所述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其特征在于，所述的斜置催化剂罐（2）内设有选择性催化还原的催化剂（7）。
5.如权利要求1所述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其特征在于，所述的尿素混合管（1）的一端设有尿素喷射嘴（4），另一端与斜置催化剂罐（2）通过弯管或软管连接。
6.如权利要求5所述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其特征在于，所述的尿素混合管（1），在尿素喷射嘴（4）和连接斜置催化剂罐（2）的弯管或软管之间的位置设有尿素混合器（5）。
7.如权利要求6所述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其特征在于，所述的尿素喷射嘴（4）倾斜地设置在尿素混合管（1）的上部，其能够将液态尿素由上向下倾斜射入尿素混合管（1）内部。
8.如权利要求7所述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其特征在于，所述的尿素混合管（1），其设有尿素喷射嘴（4）一端的管口为进气端，能够接收柴油发动机尾气。
9.如权利要求8所述的柴油发动机选择性催化还原后处理装置，其特征在于，所述的尿素混合管（1），其所设的尿素混合器（5）能够将射入尿素混合管（1）内部的尿素与由进气端进入的柴油发动机尾气混合均匀。
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