專利名稱：一種采用壓縮天然氣助噴的柴油機(jī)氨選擇性催化還原方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用壓縮天然氣助噴的柴 油機(jī)氨選擇性催化還原(SCR)方法。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)以其良好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī) 械等領(lǐng)域。但是柴油機(jī)的氮氧化物排放較高，對(duì)環(huán)境和人體都有很大的危害，除采用先進(jìn)的 機(jī)內(nèi)措施降低氮氧化物排放量以外，必須對(duì)柴油機(jī)排出的氮氧化物采取機(jī)外后處理措施技 術(shù)，才能滿足未來(lái)更為嚴(yán)格的排放法規(guī)。 氨選擇性催化還原技術(shù)是柴油機(jī)氮氧化物(N0x)排放后處理的一種主要技術(shù)路 線，可以有效改善柴油機(jī)氮氧化物的排放，并對(duì)柴油含硫量不敏感。該技術(shù)通過(guò)在排氣管中 噴入一定濃度的尿素溶液，與尾氣混合后一同進(jìn)入SCR選擇性催化還原裝置，在催化劑的 作用下，由尿素經(jīng)熱解反應(yīng)和水解反應(yīng)后產(chǎn)生的氨氣和氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將氮氧化 物還原為氮?dú)夂退Ｆ渲饕瘜W(xué)反應(yīng)包括有尿素?zé)峤馀c水解反應(yīng)、標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)、快速SCR 反應(yīng)和慢速SCR反應(yīng)。
尿素?zé)峤夥磻?yīng) CO (NH2) 2 — NH3+HNCO (1)
尿素水解反應(yīng) HNC0+2H20 — NH3+C02 (2)
標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng) 4NH3+4N0+02 — 4N2+6H20 (3)
快速SCR反應(yīng)4NH3+2N02+2N0 — 4N2+6H20 (4)
慢速SCR反應(yīng)8NH3+6N02 — 7N2+12H20 (5) 該系統(tǒng)在工作時(shí)，尿素罐中的尿素被泵出，加壓過(guò)濾后送到計(jì)量噴射單元，然后噴入 排氣管中，尿素在排氣管混合區(qū)遇到高溫分解成氨氣(NH3)和水，與排氣充分混合后進(jìn)入催化 轉(zhuǎn)化器，在催化反應(yīng)區(qū)的高溫環(huán)境下，氨氣(NH3)和氮氧化物NO,反應(yīng)生成氮?dú)夂?amp;0，排入大氣 中。 一般柴油機(jī)的排氣溫度在300 500°C范圍內(nèi)，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(duì)NOx的還原能力，需要采取一些輔助措施，使尿素水溶 液在噴射進(jìn)入排氣管時(shí)，充分霧化以及與廢氣充分混合。以往的技術(shù)往往采用壓縮空氣輔 助噴射系統(tǒng)，在定量噴射閥打開(kāi)后，尿素在壓縮空氣的引射作用下射出，并且與壓縮空氣混 合后再經(jīng)過(guò)噴嘴噴入排氣管中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種壓縮天然氣替代壓縮空氣的尿素霧化技術(shù)，使用壓縮天然氣實(shí)現(xiàn)尿素助噴，實(shí)現(xiàn)良好NOx轉(zhuǎn)換效率的采用壓縮天然氣助噴的柴油機(jī)氨選擇性催化 還原方法。 本發(fā)明提出的采用壓縮天然氣助噴的柴油機(jī)氨選擇催化轉(zhuǎn)化方法，采用氨選擇性 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(jì)量器5、電控單元6、尿素噴嘴8、初級(jí)閥10、二級(jí)閥11和管道組成，其中壓縮 天然氣罐1通過(guò)管道經(jīng)由初級(jí)閥10連接尿素計(jì)量器5，經(jīng)由二級(jí)閥11連接尿素噴嘴8，尿 素水溶液箱3通過(guò)管道和尿素泵4連接尿素計(jì)量器5，柴油機(jī)7連接電控單元6，電控單元 6連接尿素計(jì)量器5，柴油機(jī)7通過(guò)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(guò)濾后送到尿 素計(jì)量器5，壓縮天然氣罐1內(nèi)的壓縮天然氣的壓力為150kPa 300kPa，該壓縮天然氣 經(jīng)由初級(jí)閥10進(jìn)入尿素計(jì)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，并進(jìn)行初級(jí)霧化，得到初級(jí)霧化的尿素溶液；該初級(jí)霧化的尿素溶液
在通過(guò)尿素噴嘴8進(jìn)入排氣管之前，來(lái)自壓縮天然罐1內(nèi)的壓縮天然氣經(jīng)由二級(jí)閥11再次 與前述初級(jí)霧化的尿素溶液混合，壓縮天然氣與前述初級(jí)霧化的尿素溶液地體積混合比為
i : ioo 20 : ioo，進(jìn)一步提高混合均勻度和霧化程度，尿素在排氣管混合區(qū)遇到高溫分
解成NH3和水，與排氣充分混合后進(jìn)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(nèi)，朋3和NOx反應(yīng)生成氮?dú)夂停?20，天然氣CH4和NOx反應(yīng)生成氮?dú)狻?)2和1120，排入 大氣中。 本發(fā)明中，所述催化還原反應(yīng)溫度為200-600°C。 天然氣在物理特性上替代空氣，實(shí)現(xiàn)助噴有利于尿素霧化。其在化學(xué)特性上由于 主要成分為甲烷CH4，該成分作為一種還原劑對(duì)N0x也有較好的還原降低效果。在該排氣系 統(tǒng)中，CH4輔助還原NOx的主要反應(yīng)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(fā)明中，通過(guò)壓縮天然氣兩次與尿素溶液混合助噴，實(shí)現(xiàn)良好的尿素溶液霧化。
本發(fā)明的SCR裝置除通過(guò)傳統(tǒng)的朋3來(lái)降低NOx，還可同時(shí)通過(guò)天然氣CH4來(lái)輔助 還原降低NOx排放，在實(shí)現(xiàn)尿素高效霧化的同時(shí)，提高了對(duì)柴油機(jī)尾氣NOx排放的凈化效果。


圖1為本發(fā)明的氨選擇性催化還原裝置結(jié)構(gòu)圖示。 圖2為本發(fā)明用于評(píng)價(jià)NOx轉(zhuǎn)換凈化效率的柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。
圖3為本發(fā)明采用壓縮天然氣助噴和傳統(tǒng)采用壓縮空氣助噴的測(cè)試結(jié)果對(duì)比。
圖中標(biāo)號(hào)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(jì)量器，6為電控單元，7為柴油機(jī)，8為尿素噴嘴，9為排氣管，10為初級(jí) 閥，ll為二級(jí)閥。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施舉例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
實(shí)施例1 :壓縮天然氣兩次與尿素溶液混合實(shí)現(xiàn)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(shù)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(jì)量器5、電控單元6、尿素噴嘴 8、初級(jí)閥10、二級(jí)閥11以及管道組成。 該技術(shù)裝置在工作時(shí)，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(guò)濾后送到尿素計(jì)量器5。壓縮天然氣罐1內(nèi)的壓縮天然氣壓力 范圍為150kPa 300kPa，其中壓縮天然氣經(jīng)由初級(jí)閥10控制進(jìn)入尿素計(jì)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%范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)尿素的初級(jí)霧 化。初級(jí)霧化的尿素溶液經(jīng)由尿素噴嘴8進(jìn)入排氣管之前，壓縮天然氣經(jīng)由二級(jí)閥11再次 與其混合，該體積混合之比范圍為1% 20%。這樣壓縮天然氣經(jīng)過(guò)兩次與尿素溶液的混 合，提高了尿素溶液的霧化程度，并保持150kPa 300kPa的噴射壓力，有利于霧化后的尿 素溶液噴入排氣管。 實(shí)施例2 :壓縮天然氣助噴降低NOx排放效果的評(píng)測(cè) 使用一臺(tái)電控高壓共軌直噴柴油機(jī)為樣機(jī)，對(duì)該機(jī)采用壓縮天然氣助噴的氨選擇 性催化還原方法來(lái)評(píng)定NOx的轉(zhuǎn)化效率，采用壓縮空氣助噴作為對(duì)比。將該柴油機(jī)安裝 在臺(tái)架上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)轉(zhuǎn)，以提供可再現(xiàn)和穩(wěn)定的NOx排放?？刂圃摪l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 2000r/min，負(fù)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(cè)定柴油機(jī)的NOx排放量。 使用圖2所示的實(shí)驗(yàn)配置，對(duì)采用壓縮天然氣助噴和壓縮空氣助噴的效果進(jìn)行對(duì) 比測(cè)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括專門測(cè)量柴油機(jī)NOx排放量的AVL廢氣分析儀以及兩個(gè)專用采樣管 道，分別布置在SCR選擇性催化還原裝置的前后。 圖3即為采用壓縮天然氣助噴和壓縮空氣助噴的測(cè)試結(jié)果對(duì)比。橫坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī) 負(fù)荷比，縱坐標(biāo)為NOx轉(zhuǎn)換凈化效率。由圖2可以看出，采用壓縮天然氣助噴后，SCR裝置 對(duì)NOx的轉(zhuǎn)換凈化效率有明顯提高，平均提高比例為22. 8%。 因此，本發(fā)明的SCR裝置在實(shí)現(xiàn)尿素高效霧化的同時(shí)，通過(guò)天然氣C4來(lái)輔助還原 降低NOx排放量，提高了對(duì)柴油機(jī)尾氣NOx排放的凈化效果。
權(quán)利要求
一種采用壓縮天然氣助噴的柴油機(jī)氨選擇催化轉(zhuǎn)化方法，其特征在于采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(jì)量器(5)、電控單元(6)、尿素噴嘴(8)、初級(jí)閥(10)、二級(jí)閥(11)和管道組成，其中壓縮天然氣罐(1)通過(guò)管道經(jīng)由初級(jí)閥(10)連接尿素計(jì)量器(5)，經(jīng)由二級(jí)閥(11)連接尿素噴嘴(8)，尿素水溶液箱(3)通過(guò)管道和尿素泵(4)連接尿素計(jì)量器(5)，柴油機(jī)(7)連接電控單元(6)，電控單元(6)連接尿素計(jì)量器(5)，柴油機(jī)(7)通過(guò)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(guò)濾后送到尿素計(jì)量器(5)，壓縮天然氣罐(1)內(nèi)的壓縮天然氣的壓力為150kPa～300kPa，該壓縮天然氣經(jīng)由初級(jí)閥(10)進(jìn)入尿素計(jì)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，并進(jìn)行初級(jí)霧化，得到初級(jí)霧化的尿素溶液；該初級(jí)霧化的尿素溶液在通過(guò)尿素噴嘴(8)進(jìn)入排氣管之前，來(lái)自壓縮天然罐(1)內(nèi)的壓縮天然氣經(jīng)由二級(jí)閥(11)再次與前述初級(jí)霧化的尿素溶液混合，壓縮天然氣與前述初級(jí)霧化的尿素溶液地體積混合比為1∶100～20∶100，進(jìn)一步提高混合均勻度和霧化程度，尿素在排氣管混合區(qū)遇到高溫分解成NH3和水，與排氣充分混合后進(jìn)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(nèi)，NH3和NOx反應(yīng)生成氮?dú)夂虷2O，天然氣CH4和NOx反應(yīng)生成氮?dú)?、CO2和H2O，排入大氣中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用壓縮天然氣助噴的柴油機(jī)氨選擇催化轉(zhuǎn)化方法，其特征 在于所述催化反應(yīng)溫度為200-600°C。
全文摘要
本發(fā)明屬于柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用壓縮天然氣助噴的柴油機(jī)氨選擇性催化還原方法。尿素水溶液箱中尿素液被泵出，過(guò)濾后送到尿素計(jì)量器，壓縮天然氣罐內(nèi)的壓縮天然氣經(jīng)由初級(jí)閥進(jìn)入尿素計(jì)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，并進(jìn)行初級(jí)霧化；初級(jí)霧化的尿素溶液在通過(guò)尿素噴嘴進(jìn)入排氣管之前，壓縮天然氣經(jīng)由二級(jí)閥再次與前述初級(jí)霧化的尿素溶液混合，壓縮天然氣與前述初級(jí)霧化的尿素溶液地體積混合比為1∶100～20∶100，進(jìn)一步提高混合均勻度和霧化程度，尿素在排氣管混合區(qū)遇到高溫分解成NH3和水，與排氣充分混合后進(jìn)入SCR選擇性催化還原裝置，在SCR選擇性催化還原裝置內(nèi)，NH3和NOx反應(yīng)生成氮?dú)夂虷2O，排入大氣中。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)尿素高效霧化的同時(shí)，通過(guò)天然氣CH4來(lái)輔助還原降低NOx排放量，提高了對(duì)柴油機(jī)尾氣NOx排放的凈化效果。
文檔編號(hào)B01D53/94GK101749087SQ20101002250
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者樓狄明, 胡志遠(yuǎn), 譚丕強(qiáng) 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)