一種提高柴油機scr系統(tǒng)尿素熱解水解效率的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高柴油機SCR系統(tǒng)尿素熱解水解效率的方法。具體為：尿素溶液箱中尿素溶液被泵出，Na2CO3溶液箱中Na2CO3溶液被泵出，過濾后分別送到尿素溶液計量器，電控單元根據柴油機工況，控制尿素溶液計量器計量出一定量的尿素和Na2CO3的混合溶液，控制Na2CO3添加的濃度為10~30ppm，該混合溶液通過尿素噴嘴進入排氣管。尿素在排氣管混合區(qū)遇到高溫，在Na2CO3的輔助作用下，釋放出尿素中80%以上的NH3，與柴油機排出的NOx充分混合后進入SCR選擇性催化還原裝置內部，NH3和NOx反應生成N2和H2O，排入大氣中。本發(fā)明在尿素溶液中添加少量Na2CO3，大幅提高了尿素熱解中間產物HNCO生成NH3的水解率，有利于尿素快速高效地釋放其中的NH3，使NOx凈化效率曲線顯著往低溫方向擴展，NOx凈化效率得以明顯提高，顯著改善了柴油機尾氣NOx排放的凈化效果。
【專利說明】一種提高柴油機SCR系統(tǒng)尿素熱解水解效率的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于柴油機尾氣后處理【技術領域】，具體涉及一種采用碳酸鈉(Na2CO3)輔助提高柴油機SCR系統(tǒng)尿素熱解水解效率的方法。

【背景技術】
[0002]柴油機以其良好的經濟性和動力性，廣泛地應用于交通運輸、農業(yè)機械和工程機械等領域。但是柴油機的氮氧化物(NOx)排放較高，對環(huán)境和人體都有很大的危害，除采用先進的機內措施降低NOx排放量以外，必須對柴油機排出的NOx采取機外后處理凈化措施技術，才能滿足未來更為嚴格的排放法規(guī)。
[0003]氨氣(NH3)選擇性催化還原技術SCR(Selective Catalytic Reduct1n)(簡稱NH3-SCR技術)是柴油機NOx排放后處理的一種主要技術路線，可以有效改善柴油機NOx的排放，并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(CO(NH2)2)溶液，與尾氣混合后一同進入SCR裝置，在催化劑的作用下，由尿素經熱解反應和水解反應后產生的NH3和NOx發(fā)生化學反應，將NOx還原為氮氣N2和水H20。該過程的主要化學反應包括有尿素熱解反應、尿素水解反應、標準SCR反應、快速SCR反應、慢速SCR反應。
[0004]尿素熱解反應:
CO ( NH2) 2 — NH3 + HNCO(I)
尿素水解反應:
HNCO + 2H20 — NH3 + CO2(2)
標準SCR反應:
4NH3 + 4N0 + O2 — 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(tǒng)在工作時，尿素罐中的尿素溶液被泵出，加壓過濾后送到計量噴射單元，然后噴入排氣管中，尿素在排氣管遇到高溫。理想情況下:(I)首先，發(fā)生尿素熱解反應分解成NH3和異氰酸(HNC0)，尿素中50%的NH3被釋放出來；(2)然后，HNCO再經過水解反應生成NH3和H2O,從而將尿素中100%的NH3全部釋放出來；(3)最后，在SCR催化器內部的反應區(qū)內，NH3和NOx反應生成N2和H2O,排入大氣中。一般柴油機的排氣溫度在300~500°C范圍內，正好能滿足NOx還原所需的溫度條件。
[0005]在目前已有的SCR技術中，尿素熱解的中間產物HNC0，只有在進入SCR催化器內部的反應區(qū)后，在SCR催化劑的作用下，才能水解成NH3。然后，這部分由HNCO釋放出的NH3,才能與NOx進行還原反應，從而導致這部分NH3和NOx可以用于化學反應的時間變短，從而不利于NOx的凈化。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明目的是提供一種在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、提高提高柴油機SCR系統(tǒng)尿素熱解水解效率的方法。為了提高SCR裝置中NH3對NOx的還原能力，采取該輔助措施，使噴入排氣管的尿素溶液噴霧在進入SCR催化器前，大幅提高尿素熱解中間產物HNCO生成NH3的水解率，從而充分釋放其中的NH3,有利于NOx的凈化。
[0007]本發(fā)明提出的提高柴油機SCR系統(tǒng)尿素熱解水解效率的方法，是在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、提高尿素熱解水解效率的柴油機NH3-SCR方法，采用NH3-SCR技術裝置實現(xiàn)，所述裝置由尿素溶液箱1、尿素泵2、尿素溶液計量器3、電控單元4、柴油機5、排氣管
6、尿素噴嘴7、SCR選擇性催化還原裝置8、Na2C03溶液箱9和溶液泵10組成，其中:尿素溶液箱I通過管道和尿素泵2連接尿素溶液計量器3，柴油機5連接電控單元4的輸入端，電控單元4的輸出端連接尿素溶液計量器3，柴油機5通過排氣管6連接SCR選擇性催化還原裝置8，Na2CO3溶液箱9通過管道和溶液泵10連接尿素溶液計量器3，尿素溶液計量器3通過管道和尿素噴嘴7連接排氣管6 ;具體步驟如下:
尿素溶液箱I中尿素溶液被泵出，在150kPa?300kPa的壓力下過濾后送到尿素溶液計量器3，同時，Na2CO3溶液箱9中Na2CO3溶液被泵出，在150kPa?300kPa的壓力下過濾后送到尿素溶液計量器3，電控單元4根據柴油機5工況，控制尿素溶液計量器3對尿素和Na2CO3組成的混合溶液進行計量，控制Na2CO3添加的濃度為l(T30ppm，所述混合溶液通過尿素噴嘴7進入排氣管6，尿素在排氣管6混合區(qū)遇到高溫，在Na2CO3的輔助作用下，釋放出尿素中80%以上的NH3,與柴油機5排出的NOx充分混合后進入SCR選擇性催化還原裝置8，在SCR選擇性催化還原裝置8內，NH3和NOx反應生成N2和H2O,排入大氣中；尿素溶液中通過添加Na2CO3,大幅提高了尿素熱解中間產物HNCO生成NH3的水解率，有利于尿素快速高效地釋放其中的NH3。
[0008]本發(fā)明中，所述SCR選擇性催化還原裝置8的催化還原反應溫度為200-600°C。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明通過碳酸鈉Na2CO3與尿素溶液的混合，降低了尿素熱解中間產物HNCO水解反應所需的溫度，有利于HNCO生成NH3，高比例釋放出尿素中的NH3,實現(xiàn)了良好的尿素熱解水解效率，進而提高了 SCR技術對柴油機尾氣NOx排放的凈化效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的柴油機NH3-SCR技術裝置結構圖示。
[0011]圖2為本發(fā)明用于評價NOx凈化效率的柴油機臺架試驗系統(tǒng)示意圖。
[0012]圖3為本發(fā)明在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、無Na2CO3溶液輔助的NOx凈化效率結果對比。
[0013]圖中標號:1為尿素溶液箱，2為尿素泵,3為尿素溶液計量器,4為電控單元,5為柴油機，6為排氣管，7為尿素噴嘴，8為SCR選擇性催化還原裝置，9為Na2CO3溶液箱，10為溶液泵。

【具體實施方式】
[0014]下面通過實施舉例進一步闡述本發(fā)明。
[0015]實施例1:尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、實現(xiàn)尿素熱解水解效率的提升
將下列各部件按圖1所示方式連接。如圖1所示該裝置由尿素溶液箱1、尿素泵2、尿素溶液計量器3、電控單兀4、柴油機5、排氣管6、尿素噴嘴7、SCR選擇性催化還原裝置8、Na2CO3溶液箱9、溶液泵10和相關管路組成。
[0016]該NH3-SCR技術裝置在工作時，尿素溶液箱I中尿素溶液被泵出，在150kPa^300kPa的壓力下過濾后送到尿素溶液計量器3，Na2CO3溶液箱9中Na2CO3溶液被泵出，在150kPa~300kPa的壓力下過濾后送到尿素溶液計量器3，電控單元4根據柴油機5工況，控制尿素溶液計量器3計量出一定量的尿素和Na2CO3的混合溶液，控制Na2CO3添加的濃度為l(T30ppm，然后通過尿素噴嘴7進入排氣管6。尿素在排氣管6混合區(qū)遇到高溫分解成NH3和H2O,與柴油機排出的NOx充分混合后進入SCR選擇性催化還原裝置8，在SCR選擇性催化還原裝置8內，NH3和NOx反應生成N2和H2O,排入大氣中。在該過程中，尿素溶液與少量Na2CO3 —同進入排氣管6，大幅提高尿素熱解中間產物HNCO生成NH3的水解率，使NOx凈化效率曲線顯著往低溫方向擴展，NOx凈化效率得以明顯提高。尿素溶液中添加Na2CO3,有利于尿素溶液快速高效釋放其中的NH3。這是因為Na2CO3可以有效地提高HNCO生成NH3的水解率，主要是由于添加Na2CO3時，可以降低HNCO水解反應所需的溫度。
[0017]實施例2:尿素溶液添加少量Na2CO3溶液后、NOx凈化效率的評測
使用一臺電控高壓共軌直噴柴油機為樣機，對該機采用Na2CO3輔助的NH3-SCR方法來評定NOx的凈化效率，采用無Na2CO3輔助的NH3-SCR方法作為對比。將該柴油機安裝在臺架上進行穩(wěn)態(tài)工況運轉，以提供可再現(xiàn)和穩(wěn)定的NOx排放?？刂圃摪l(fā)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選擇性催化還原裝置8入口溫度(溫度分別為 255°C、318 '372 '451 °G)和NOx濃度(濃度分別為 226ppm、498ppm、856ppm、989ppm)。使用專門的AVL廢氣分析儀測定柴油機的NOx排放量。
[0018]使用圖2所示的實驗配置，對采用Na2CO3輔助和無Na2CO3輔助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采樣管道，分別布置在SCR選擇性催化還原裝置8的前后。
[0019]圖3即為采用采用Na2CO3輔助和無Na2CO3輔助的測試結果對比。橫坐標為發(fā)動機負荷比，縱坐標為NOx凈化效率。由圖3可以看出，采用Na2CO3輔助后，SCR選擇性催化還原裝置8對NOx的凈化效率有明顯提高，平均提高比例為20.8%。
[0020]因此，本發(fā)明的SCR選擇性催化還原裝置8，通過在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液，大幅提高了尿素釋放NH3的熱解水解效率，顯著改善了柴油機NOx排放的凈化效果。
【權利要求】
1.一種提高柴油機SCR系統(tǒng)尿素熱解水解效率的方法，其特征在于是在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、提高尿素熱解水解效率的柴油機NH3-SCR方法，采用NH3-SCR技術裝置實現(xiàn)，所述裝置由尿素溶液箱(1)、尿素泵(2)、尿素溶液計量器(3)、電控單元(4)、柴油機(5)、排氣管(6)、尿素噴嘴(7)、SCR選擇性催化還原裝置⑶、Na2CO3溶液箱(9)和溶液泵(10)組成，其中:尿素溶液箱(1)通過管道和尿素泵(2)連接尿素溶液計量器(3)，柴油機(5)連接電控單元(4)的輸入端，電控單元(4)的輸出端連接尿素溶液計量器(3)，柴油機(5)通過排氣管(6)連接SCR選擇性催化還原裝置(8) ,Na2CO3溶液箱(9)通過管道和溶液泵(10)連接尿素溶液計量器(3)，尿素溶液計量器(3)通過管道和尿素噴嘴(7)連接排氣管(6);具體步驟如下: 尿素溶液箱(1)中尿素溶液被泵出，在150kPa~300kPa的壓力下過濾后送到尿素溶液計量器(3)，同時，Na2CO3溶液箱(9)中Na2CO3溶液被泵出，在150kPa~300kPa的壓力下過濾后送到尿素溶液計量器(3)，電控單元(4)根據柴油機(5)工況，控制尿素溶液計量器(3)對尿素和Na2CO3組成的混合溶液進行計量，控制Na2CO3添加的濃度為l(T30ppm，所述混合溶液通過尿素噴嘴(7)進入排氣管(6)，尿素在排氣管(6)混合區(qū)遇到高溫，在Na2CO3的輔助作用下，釋放出尿素中80%以上的NH3，與柴油機(5)排出的NOx充分混合后進入SCR選擇性催化還原裝置⑶，在SCR選擇性催化還原裝置⑶內，NH3和NOx反應生成N2和H2O,排入大氣中；尿素溶液中通過添加Na2CO3，大幅提高了尿素熱解中間產物HNCO生成NH3的水解率，有利于尿素快速高效地釋放其 中的nh3。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述SCR選擇性催化還原裝置(8)的催化還原反應溫度為200-600°C。
【文檔編號】F01N3/20GK104074577SQ201410285899
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權日:2014年6月25日
【發(fā)明者】譚丕強, 胡志遠, 樓狄明 申請人:同濟大學