一種採用壓縮天然氣助噴的柴油機氨選擇性催化還原方法

2023-05-12 11:45:21

專利名稱：一種採用壓縮天然氣助噴的柴油機氨選擇性催化還原方法
技術領域：
本發明屬於柴油機尾氣後處理技術領域，具體涉及一種採用壓縮天然氣助噴的柴 油機氨選擇性催化還原(SCR)方法。
背景技術：
柴油機以其良好的經濟性和動力性，廣泛地應用於交通運輸、農業機械和工程機 械等領域。但是柴油機的氮氧化物排放較高，對環境和人體都有很大的危害，除採用先進的 機內措施降低氮氧化物排放量以外，必須對柴油機排出的氮氧化物採取機外後處理措施技 術，才能滿足未來更為嚴格的排放法規。 氨選擇性催化還原技術是柴油機氮氧化物(N0x)排放後處理的一種主要技術路 線，可以有效改善柴油機氮氧化物的排放，並對柴油含硫量不敏感。該技術通過在排氣管中 噴入一定濃度的尿素溶液，與尾氣混合後一同進入SCR選擇性催化還原裝置，在催化劑的 作用下，由尿素經熱解反應和水解反應後產生的氨氣和氮氧化物發生化學反應，將氮氧化 物還原為氮氣和水。其主要化學反應包括有尿素熱解與水解反應、標準SCR反應、快速SCR 反應和慢速SCR反應。
尿素熱解反應 CO (NH2) 2 — NH3+HNCO (1)
尿素水解反應 HNC0+2H20 — NH3+C02 (2)
標準SCR反應 4NH3+4N0+02 — 4N2+6H20 (3)
快速SCR反應4NH3+2N02+2N0 — 4N2+6H20 (4)
慢速SCR反應8NH3+6N02 — 7N2+12H20 (5) 該系統在工作時，尿素罐中的尿素被泵出，加壓過濾後送到計量噴射單元，然後噴入 排氣管中，尿素在排氣管混合區遇到高溫分解成氨氣(NH3)和水，與排氣充分混合後進入催化 轉化器，在催化反應區的高溫環境下，氨氣(NH3)和氮氧化物NO,反應生成氮氣和&0，排入大氣 中。 一般柴油機的排氣溫度在300 500°C範圍內，正好能滿足N0X還原所需的溫度條件。
為了提高SCR裝置中NH3對NOx的還原能力，需要採取一些輔助措施，使尿素水溶 液在噴射進入排氣管時，充分霧化以及與廢氣充分混合。以往的技術往往採用壓縮空氣輔 助噴射系統，在定量噴射閥打開後，尿素在壓縮空氣的引射作用下射出，並且與壓縮空氣混 合後再經過噴嘴噴入排氣管中。

發明內容
本發明目的在於提供一種壓縮天然氣替代壓縮空氣的尿素霧化技術，使用壓縮天然氣實現尿素助噴，實現良好NOx轉換效率的採用壓縮天然氣助噴的柴油機氨選擇性催化 還原方法。 本發明提出的採用壓縮天然氣助噴的柴油機氨選擇催化轉化方法，採用氨選擇性 催化還原裝置，該裝置由壓縮天然氣罐1、SCR選擇性催化還原裝置2、尿素水溶液箱3、尿素 泵4、尿素計量器5、電控單元6、尿素噴嘴8、初級閥10、二級閥11和管道組成，其中壓縮 天然氣罐1通過管道經由初級閥10連接尿素計量器5，經由二級閥11連接尿素噴嘴8，尿 素水溶液箱3通過管道和尿素泵4連接尿素計量器5，柴油機7連接電控單元6，電控單元 6連接尿素計量器5，柴油機7通過排氣管9連接SCR選擇性催化還原裝置2，具體步驟如 下 尿素水溶液箱3中尿素液被泵出，在150kPa 300kPa的壓力下過濾後送到尿 素計量器5，壓縮天然氣罐1內的壓縮天然氣的壓力為150kPa 300kPa，該壓縮天然氣 經由初級閥10進入尿素計量器5，與尿素溶液混合，壓縮天然氣與尿素溶液的體積比為
i : ioo 20 : ioo，並進行初級霧化，得到初級霧化的尿素溶液；該初級霧化的尿素溶液
在通過尿素噴嘴8進入排氣管之前，來自壓縮天然罐1內的壓縮天然氣經由二級閥11再次 與前述初級霧化的尿素溶液混合，壓縮天然氣與前述初級霧化的尿素溶液地體積混合比為
i : ioo 20 : ioo，進一步提高混合均勻度和霧化程度，尿素在排氣管混合區遇到高溫分
解成NH3和水，與排氣充分混合後進入SCR選擇性催化還原裝置2，在SCR選擇性催化還原 裝置2內，朋3和NOx反應生成氮氣和！120，天然氣CH4和NOx反應生成氮氣、0)2和1120，排入 大氣中。 本發明中，所述催化還原反應溫度為200-600°C。 天然氣在物理特性上替代空氣，實現助噴有利於尿素霧化。其在化學特性上由於 主要成分為甲烷CH4，該成分作為一種還原劑對N0x也有較好的還原降低效果。在該排氣系 統中，CH4輔助還原NOx的主要反應式為 2N0+02 —2N02 (6) CH4+N02 —[幻+H20 (7) [幻+N0 — N2+C02+H20 (8) [幻+N02 — N2+C02+H20 (9) 本發明中，通過壓縮天然氣兩次與尿素溶液混合助噴，實現良好的尿素溶液霧化。
本發明的SCR裝置除通過傳統的朋3來降低NOx，還可同時通過天然氣CH4來輔助 還原降低NOx排放，在實現尿素高效霧化的同時，提高了對柴油機尾氣NOx排放的淨化效果。


圖1為本發明的氨選擇性催化還原裝置結構圖示。 圖2為本發明用於評價NOx轉換淨化效率的柴油機臺架試驗系統示意圖。
圖3為本發明採用壓縮天然氣助噴和傳統採用壓縮空氣助噴的測試結果對比。
圖中標號1為壓縮天然氣罐，2為SCR選擇性催化還原裝置，3為尿素水溶液箱，4 為尿素泵，5為尿素計量器，6為電控單元，7為柴油機，8為尿素噴嘴，9為排氣管，10為初級 閥，ll為二級閥。
具體實施例方式
下面通過實施舉例進一步闡述本發明。
實施例1 :壓縮天然氣兩次與尿素溶液混合實現霧化助噴 將下列各部件按圖1所示方式連接。如圖1所示，本技術裝置由壓縮天然氣罐1、 SCR選擇性催化還原裝置2、尿素水溶液箱3、尿素泵4、尿素計量器5、電控單元6、尿素噴嘴 8、初級閥10、二級閥11以及管道組成。 該技術裝置在工作時，尿素水溶液箱3中尿素液(尿素濃度32. 5% )被泵出，加壓 至150kPa 300kPa之間，過濾後送到尿素計量器5。壓縮天然氣罐1內的壓縮天然氣壓力 範圍為150kPa 300kPa，其中壓縮天然氣經由初級閥10控制進入尿素計量器5，與尿素溶 液混合；控制天然氣與尿素溶液的體積混合之比在1% 20%範圍內，實現尿素的初級霧 化。初級霧化的尿素溶液經由尿素噴嘴8進入排氣管之前，壓縮天然氣經由二級閥11再次 與其混合，該體積混合之比範圍為1% 20%。這樣壓縮天然氣經過兩次與尿素溶液的混 合，提高了尿素溶液的霧化程度，並保持150kPa 300kPa的噴射壓力，有利於霧化後的尿 素溶液噴入排氣管。 實施例2 :壓縮天然氣助噴降低NOx排放效果的評測 使用一臺電控高壓共軌直噴柴油機為樣機，對該機採用壓縮天然氣助噴的氨選擇 性催化還原方法來評定NOx的轉化效率，採用壓縮空氣助噴作為對比。將該柴油機安裝 在臺架上進行穩態工況運轉，以提供可再現和穩定的NOx排放。控制該發動機的轉速為 2000r/min，負荷比分別為25% 、50% 、75% 、 100% ，以提供一系列的SCR裝置入口溫度(溫 度分別為243。C、306。C、354。C、422。C )和NOx濃度(濃度分別為210卯m、480卯m、830ppm、 970卯m)。使用專門的AVL廢氣分析儀測定柴油機的NOx排放量。 使用圖2所示的實驗配置，對採用壓縮天然氣助噴和壓縮空氣助噴的效果進行對 比測試。實驗設備包括專門測量柴油機NOx排放量的AVL廢氣分析儀以及兩個專用採樣管 道，分別布置在SCR選擇性催化還原裝置的前後。 圖3即為採用壓縮天然氣助噴和壓縮空氣助噴的測試結果對比。橫坐標為發動機 負荷比，縱坐標為NOx轉換淨化效率。由圖2可以看出，採用壓縮天然氣助噴後，SCR裝置 對NOx的轉換淨化效率有明顯提高，平均提高比例為22. 8%。 因此，本發明的SCR裝置在實現尿素高效霧化的同時，通過天然氣C4來輔助還原 降低NOx排放量，提高了對柴油機尾氣NOx排放的淨化效果。
權利要求
一種採用壓縮天然氣助噴的柴油機氨選擇催化轉化方法，其特徵在於採用氨選擇性催化還原裝置，該裝置由壓縮天然氣罐(1)、SCR選擇性催化還原裝置(2)、尿素水溶液箱(3)、尿素泵(4)、尿素計量器(5)、電控單元(6)、尿素噴嘴(8)、初級閥(10)、二級閥(11)和管道組成，其中壓縮天然氣罐(1)通過管道經由初級閥(10)連接尿素計量器(5)，經由二級閥(11)連接尿素噴嘴(8)，尿素水溶液箱(3)通過管道和尿素泵(4)連接尿素計量器(5)，柴油機(7)連接電控單元(6)，電控單元(6)連接尿素計量器(5)，柴油機(7)通過排氣管(9)連接SCR選擇性催化還原裝置(2)，具體步驟如下尿素水溶液箱(3)中尿素液被泵出，在150kPa～300kPa的壓力下過濾後送到尿素計量器(5)，壓縮天然氣罐(1)內的壓縮天然氣的壓力為150kPa～300kPa，該壓縮天然氣經由初級閥(10)進入尿素計量器(5)，與尿素溶液混合，壓縮天然氣與尿素溶液的體積比為1∶100～20∶100，並進行初級霧化，得到初級霧化的尿素溶液；該初級霧化的尿素溶液在通過尿素噴嘴(8)進入排氣管之前，來自壓縮天然罐(1)內的壓縮天然氣經由二級閥(11)再次與前述初級霧化的尿素溶液混合，壓縮天然氣與前述初級霧化的尿素溶液地體積混合比為1∶100～20∶100，進一步提高混合均勻度和霧化程度，尿素在排氣管混合區遇到高溫分解成NH3和水，與排氣充分混合後進入SCR選擇性催化還原裝置(2)，在SCR選擇性催化還原裝置(2)內，NH3和NOx反應生成氮氣和H2O，天然氣CH4和NOx反應生成氮氣、CO2和H2O，排入大氣中。
2. 根據權利要求1所述的採用壓縮天然氣助噴的柴油機氨選擇催化轉化方法，其特徵 在於所述催化反應溫度為200-600°C。
全文摘要
本發明屬於柴油機尾氣後處理技術領域，具體涉及一種採用壓縮天然氣助噴的柴油機氨選擇性催化還原方法。尿素水溶液箱中尿素液被泵出，過濾後送到尿素計量器，壓縮天然氣罐內的壓縮天然氣經由初級閥進入尿素計量器，與尿素溶液混合，壓縮天然氣與尿素溶液的體積比為1∶100～20∶100，並進行初級霧化；初級霧化的尿素溶液在通過尿素噴嘴進入排氣管之前，壓縮天然氣經由二級閥再次與前述初級霧化的尿素溶液混合，壓縮天然氣與前述初級霧化的尿素溶液地體積混合比為1∶100～20∶100，進一步提高混合均勻度和霧化程度，尿素在排氣管混合區遇到高溫分解成NH3和水，與排氣充分混合後進入SCR選擇性催化還原裝置，在SCR選擇性催化還原裝置內，NH3和NOx反應生成氮氣和H2O，排入大氣中。本發明在實現尿素高效霧化的同時，通過天然氣CH4來輔助還原降低NOx排放量，提高了對柴油機尾氣NOx排放的淨化效果。
文檔編號B01D53/94GK101749087SQ20101002250
公開日2010年6月23日 申請日期2010年1月7日 優先權日2010年1月7日
發明者樓狄明, 胡志遠, 譚丕強 申請人:同濟大學