CN217206623U - 一种用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置 - Google Patents

一种用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种用于氢‑氨燃料发动机排气的后处理装置，包括排气催化装置和氨气供给装置，所述排气催化装置用于转化排气中的氨气NH3和氮氧化物NOX，所述氨气供给装置用于给排气催化装置内供给氨气NH3；所述排气催化装置包括依次连接的第一SCR催化器、第一排气管、第二SCR催化器、第二排气管和氨逃逸催化器ASC，所述第一SCR催化器的进口与氢‑氨燃料发动机的排气管出口连接，所述氨气供给装置的末端安装在第一排气管上。能使氢‑氨燃料发动机排气中较高浓度的氨NH3和氮氧化物NOX排放降低到近零水平。

Description

一种用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置
技术领域
本实用新型属于汽车发动机技术领域，具体涉及一种用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置。
背景技术
氢气的点火能量低，稀薄燃烧能力强，燃烧范围宽，火焰传播速度快，是理想的发动机燃料。氢气燃烧后的产物只有水，但氢气发动机工作时会产生一定量的氮氧化物NOX(主要与过量空气系数相关)。氢气的分子小，密度低，易燃、易爆，不便于储存和运输。氨NH3(由氢与氮气合成)是无碳燃料，燃烧后的产物主要是水和氮气，无二氧化碳排放。由于氨的最小点火能量高、火焰传播速度慢等物理性质，氨并不适合单独作为燃料在发动机上应用(需要助燃剂)。但氨容易液化，体积能量密度大，不容易发生爆炸，便于储存和运输。这就会出现一种情况，在氢能丰富的甲地(如采用风能、太阳能发电，电解水制氢)，用氢气来生产氨NH3，再将氨NH3运输(或者通过管道)到相距较远的乙地，这样就实现了将“氢能”从甲地运到乙地。在整车上，液态氨或者气态氨存储都较为方便(体积能量密度大)，并且安全性较好。在氨燃料发动机上增加一套氢气喷射装置，就构成氢-氨燃料发动机。
氢-氨燃料发动机工作时，氢气喷射装置喷射少量的氢气(例如10％，体积比)，氨气喷射装置喷射较多的氨气(例如90％，体积比)。火花塞点火时，氢气首先燃烧，然后引燃氨气，发动机输出功率。因为氢和氨都是无碳燃料，氢
-氨燃料发动机排气中的二氧化碳排放为零，碳氢化合物HC和一氧化碳CO的排放接近于零，但会有较高的氨NH3和氮氧化物NOX排放。
如果发动机的氮氧化物NOX排放量较高，就需要催化器进行转换。目前，
降低发动机排气中氮氧化物NOX主要采用三元催化器和选择性还原的SCR催化器(Selective Catalytic Reduction，SCR)，三元催化器主要用于过量空气系数约等于1的发动机(排气中有一定量的一氧化碳CO),SCR催化器主要用于过量空气系数大于1的发动机(排气中的一氧化碳CO很少或者没有，例如柴油机)。在柴油机上使用SCR催化器，需要1个箱体储存尿素
(NH2)2CO水溶液(尿素浓度为32.5％)，然后用泵将尿素水溶液泵出，再用喷射器将尿素水溶液喷射在SCR催化器入口前的排气管路内。尿素受热后变成氨气
NH3和二氧化碳，氨气NH3和发动机排气混合后一起流入SCR催化器。在SCR催化器中，氮氧化物NOX与氨气NH3发生化学反应生成氮气和水，见化学反应式
(1)。
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O(1)
但SCR催化器具有以下有缺点：一、在低温条件下(例如低于－11℃)，尿素容易结晶堵塞管路；二、喷射的尿素水溶液在管路中分布不均匀，会降低SCR催化器的转换效率；三、尿素水溶液需要在较高的温度(例如高于200℃)才能分解成氨气NH3，也就是说在排气温度较低时SCR催化器的转换效率低；四、如果喷射的尿素过多，产生过多的氨气NH3，有一部分氨气没有反应直接从SCR催化器流出，对环境产生污染(氨气是有毒气体)。为避免发生这种情况，通常需要在SCR催化器后加装1个氨逃逸催化器ASC(Ammonia Slip Catalyst，ASC)；五、箱体储存的尿素用完后需要添加。
现有技术中，氢-氨燃料发动机排气的氮氧化物NOX排放可能较高，常到达3000ppm，即使SCR催化器的转换效率达到95％，也有150ppm的氮氧化物NOX未能被转换，会排到大气中，对环境造成污染。并且由于氨气NH3不能完全燃烧，氢-氨燃料发动机排气有较高的氨气NH3排放。
实用新型内容
本实用新型拟提供一种用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，能使氢-氨燃料发动机排气中较高浓度的氨NH3和氮氧化物NOX排放降低到近零水平。
为此，本实用新型所采用的技术方案为：一种用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，包括排气催化装置和氨气供给装置，所述排气催化装置用于转化排气中的氨气NH3和氮氧化物NOX，所述氨气供给装置用于给排气催化装置内供给氨气NH3；所述排气催化装置包括依次连接的第一SCR催化器、第一排气管、第二SCR催化器、第二排气管和氨逃逸催化器ASC，所述第一SCR催化器的进口与氢-氨燃料发动机的排气管出口连接，所述氨气供给装置的末端安装在第一排气管上；
当氢-氨燃料发动机工作时，排气先进入第一SCR催化器内，此时排气中的部分氨和氮氧化物发生化学反应，生产氮气和水，顺着气流方向移动到第一排气管内，通过氨气供给装置补充氨气，补充氨气后的排气进入到第二SCR催化器内，使排气中余下的氮氧化物与氨气发生化学反应，此时排气中的氮氧化物已被充分还原为氮气，反应后的排气通过第二排气管移动到氨逃逸催化器ASC内，氨逃逸催化器ASC将反应余下的氨气转换为氮气后排出。
作为上述方案中的优选，所述氨气供给装置包括依次通过管路连接的氨气瓶、压力调节器、氨气喷嘴和氨气喷管，所述氨气瓶和压力调节器之间通过高压管路连接，所述压力调节器、氨气喷嘴和氨气喷管之间通过低压管路连接，所述氨气喷管安装在第一排气管上，用于氨气与发动机排气的混合。
进一步优选，所述第一排气管上设置有用于检测排气温度的排气温度传感器和用于测量排气中氮氧化物浓度的第一氮氧化物传感器，所述排气温度传感器、第一氮氧化物传感器和氨气喷嘴均与控制器电连接，当排气中氮氧化物浓度高于设定值且排气温度在适当范围内时，控制器控制氨气喷嘴喷射出定量的氨气。
进一步优选，所述氨气喷管采用多孔氨气喷管，且氨气喷管喷出的氨气与第一排气管内排气流动方向垂直，所述氨气喷管的末端封闭，且靠近末端设置有两排对称分布的小孔。
进一步优选，所述压力调节器后通过并联的低压管路与氢-氨燃料发动机的供气端连通。
进一步优选，所述第二排气管上设置有与控制器电连接的第二氮氧化物传感器。
本实用新型的有益效果：
1)采用两级SCR催化器和氨逃逸催化器ASC，能有效将氢-氨燃料发动机排气中较高浓度的氨气NH3和氮氧化物NOX排放降低到近零水平；
2)在第一SCR催化器中，利用氢-氨燃料发动机排气中氨气NH3和氮氧化物NOX互相发生化学反应来同时减少氨气NH3和氮氧化物NOX，不会额外消耗氨气NH3，能减少氨气NH3使用成本，同时也减少氨气NH3的排放风险；
3)在第二SCR催化器中，利用排气余下的氨气NH3和定量喷射的气态氨气NH3来转换氮氧化物NOX，转换效率高(95-98％)，消耗的氨气NH3少；
4)与现有柴油机的SCR催化器相比，不需要配置尿素箱和尿素泵，第二SCR催化器与氢-氨燃料发动机共用氨气瓶内的氨气，不会出现在低温环境下使用时管路被尿素结晶堵塞的情况，并且结构简化，生产成本低，同时也不需要单独充装氨气NH3。
附图说明
图1为本实用新型的示意图(图中箭头指示方向为气体的流向)。
图2为本实用新型中氨气喷管末端的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步说明：
如图1-图2所示，一种用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，包括排气催化装置和氨气供给装置，所述排气催化装置用于转化排气中的氨气NH3和氮氧化物NOX，所述氨气供给装置用于给排气催化装置内供给氨气NH3。
排气催化装置的具体结构包括依次连接的第一SCR催化器1、第一排气管2、第二SCR催化器3、第二排气管4和氨逃逸催化器ASC5，第一SCR催化器1的进口与氢-氨燃料发动机的排气管出口连接，且氨气供给装置的末端安装在第一排气管2上。第一SCR催化器1和第二SCR催化器3用于转换排气中的氨气NH3和氮氧化物NOX，第一排气管2和第二排气管4用于输送排气，氨逃逸催化器ASC5用于转换排气中的氨气NH3。
氨气供给装置的具体结构包括依次通过管路连接的氨气瓶6、压力调节器7、氨气喷嘴8和氨气喷管9，氨气瓶6和压力调节器7之间通过高压管路连接，压力调节器7、氨气喷嘴8和氨气喷管9之间通过低压管路连接，且压力调节器7后通过并联的低压管路与氢-氨燃料发动机的供气端连通，用作发动机的燃料，使得第二SCR催化器3与氢-氨燃料发动机共用氨气瓶内的氨气，从而简化结构，降低成本。氨气瓶6用于储存高压氨气(低于1MPa，气态)，压力调节器7用于将高压氨气减压到需要的低压(如0.2MPa)，氨气喷嘴8用于控制氨气的流量，氨气喷管9安装在第一排气管2上，用于氨气与发动机排气的混合。
在第一排气管2上设置有用于检测排气温度的排气温度传感器11和用于测量排气中氮氧化物浓度的氮氧化物传感器12，且排气温度传感器11、氮氧化物传感器12和氨气喷嘴8均与控制器10电连接，控制器10用于接收排气温度传感器11和氮氧化物传感器12传递的信号并控制氨气喷嘴8的喷射，当排气中氮氧化物浓度高于设定值且排气温度在适当范围内时，控制器10控制氨气喷嘴8喷射出定量的氨气。
氨气喷管9采用多孔氨气喷管，即氨气喷管9的末端封闭，侧面设置有两排对称分布的小孔，如图2所示，从小孔喷出的氨气流向与第一排气管2内排气流动方向垂直，方便与排气混合均匀。
在第二排气管4上设置有与控制器10电连接的第二氮氧化物传感器13。当位于第二排气管4中氮氧化物NOX的浓度超过设定值(如20ppm)时，控制器10控制氨气喷嘴8增加氨气的喷射量，当位于第二排气管4中氮氧化物NOX的浓度较低时(如小于10ppm)，控制器10控制氨气喷嘴8减少氨气的喷射量。此能进一步减少氢-氨燃料发动机排气中氨气NH3和氮氧化物NOX的排放量。
氢-氨燃料发动机工作时，会产生较高的氮氧化物NOX和氨气NH3排放，因此需要催化器来进行转换。发动机排气先进入第一SCR催化器1内，在第一SCR催化器1内，排气中的部分氨气NH3和氮氧化物NOX发生化学反应，生成氮气和水，使排气中氨气NH3和氮氧化物NOX的浓度得到一定的下降，同时还不会额外消耗氨气NH3。
从第一SCR催化器1流出的排气，在流过第一排气管2时，被安装在第一排气管2上的排气温度传感器11测量排气温度和第一氮氧化物传感器12测量氮氧化物NOX的浓度。当排气中的浓度超过设定值(如30ppm)并且排气温度在适当的范围内(如250℃-450℃)时，控制器10控制氨气喷嘴8喷射出定量的氨气NH3。氨气NH3从氨气瓶6流出，经压力调节器7调压后进入氨气喷嘴8内，在控制器10的控制下氨气喷嘴8喷射出定量的氨气NH3进入到氨气喷管9内，再从氨气喷管9两侧的小孔内喷到第一排气管2内与排气混合，混合后进入到第二SCR催化器3内。在第二SCR催化器3中，氨气NH3(包括在第一SCR催化器1中未反应的氨气NH3)和氮氧化物NOX发生化学反应生成氮气和水。
从第二SCR催化器3反应后的排气进入到第二排气管4中，被安装在第二排气管4上的第二氮氧化物传感器13检测氮氧化物NOX的浓度，当位于第二排气管4中氮氧化物NOX的浓度超过设定值(如20ppm)时，控制器10控制氨气喷嘴8增加氨气的喷射量，当位于第二排气管4中氮氧化物NOX的浓度较低时(如小于10ppm)，控制器10控制氨气喷嘴8减少氨气的喷射量。排气通过第二排气管4后进入到氨逃逸催化器ASC5中，在氨逃逸催化器ASC5中，氨气NH3被转换为氮气，见化学反应式(2)：
4NH3+3O2→2N2+6H2O(2)
如果在排气中氨气NH3的浓度为2500ppm，氮氧化物NOX的浓度为3000ppm，当第一SCR催化器1对氨气NH3的转换效率为95％时，则有2375ppm的氨气NH3被转换为氮气，即在第一SCR催化器1出口处的排气中氨气NH3的浓度为125ppm。根据化学反应式(1),1个NH3分子与1个NO分子发生化学反应，即排气中有的2375ppm的氮氧化物NOX(是氮氧化物的总称，包括NO和NO2，其中约90％为NO)被转换为氮气，则在第一SCR催化器1出口处的排气中氮氧化物NOX的浓度为625ppm。
如果需要在第二SCR催化器3内将氮氧化物NOX全部转换，则从氨气喷嘴8喷射的氨气NH3量进入第一排气管2后产生的浓度至少要有500ppm(根据氧化物NOX的浓度为625ppm)，可设定为600ppm。加上排气中原有氨气NH3的浓度125ppm，混合后氨气NH3的浓度达到725ppm，即进入到第二SCR催化器3的排气中氨气NH3的浓度达到725ppm，氮氧化物NOX的浓度为625ppm。假设第二SCR催化器3对氮氧化物NOX的转换效率为96％，则氮氧化物NOX和氨气NH3均各有600ppm被转换为氮气，此时在第二SCR催化器3出口处氮氧化物NOX和氨气NH3的浓度分别为25ppm和125ppm。即进入到氨逃逸催化器ASC5的排气中氮氧化物NOX和氨气NH3的浓度分别为25ppm和125ppm，假设氨逃逸催化器ASC5的转换效率为95％，则有118.75ppm的氨气NH3被转换为氮气，此时氨逃逸催化器ASC5出口处氨气NH3的浓度为6.25ppm。
经过两级SCR催化器和氨逃逸催化器ASC后，将氢-氨燃料发动机排气中氨气NH3的浓度从2500ppm降低到6.25ppm，氮氧化物NOX的浓度由3000ppm降低到25ppm(额外消耗的氨气对应排气中的浓度为600ppm)。由于第二氮氧化物传感器13检测到的氮氧化物NOX的浓度超过设定值，因此控制器10需氨气喷嘴8增加氨气的喷射量。

Claims (6)

1.一种用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，其特征在于：包括排气催化装置和氨气供给装置，所述排气催化装置用于转化排气中的氨气和氮氧化物，所述氨气供给装置用于给排气催化装置内供给氨气；所述排气催化装置包括依次连接的第一SCR催化器(1)、第一排气管(2)、第二SCR催化器(3)、第二排气管(4)和氨逃逸催化器ASC(5)，所述第一SCR催化器(1)的进口与氢-氨燃料发动机的排气管出口连接，所述氨气供给装置的末端安装在第一排气管(2)上。
2.根据权利要求1中所述的用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，其特征在于：所述氨气供给装置包括依次通过管路连接的氨气瓶(6)、压力调节器(7)、氨气喷嘴(8)和氨气喷管(9)，所述氨气瓶(6)和压力调节器(7)之间通过高压管路连接，所述压力调节器(7)、氨气喷嘴(8)和氨气喷管(9)之间通过低压管路连接，所述氨气喷管(9)安装在第一排气管(2)上，用于氨气与发动机排气的混合。
3.根据权利要求2中所述的用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，其特征在于：所述第一排气管(2)上设置有用于检测排气温度的排气温度传感器(11)和用于测量排气中氮氧化物浓度的第一氮氧化物传感器(12)，所述排气温度传感器(11)、第一氮氧化物传感器(12)和氨气喷嘴(8)均与控制器(10)电连接，当排气中氮氧化物浓度高于设定值且排气温度在适当范围内时，控制器(10)控制氨气喷嘴(8)喷射出定量的氨气。
4.根据权利要求2中所述的用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，其特征在于：所述氨气喷管(9)采用多孔氨气喷管，且氨气喷管(9)喷出的氨气与第一排气管(2)内排气流动方向垂直，所述氨气喷管(9)的末端封闭，且靠近末端设置有两排对称分布的小孔。
5.根据权利要求2中所述的用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，其特征在于：所述压力调节器(7)后通过并联的低压管路与氢-氨燃料发动机的供气端连通。
6.根据权利要求3中所述的用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，其特征在于：所述第二排气管(4)上设置有与控制器(10)电连接的第二氮氧化物传感器(13)。
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