通过电解尿素而进行的选择性催化还原的制作方法

专利名称：通过电解尿素而进行的选择性催化还原的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于处理废气的方法和装置。
背景技术：
来自化石燃料燃烧源的排放对环境造成的影响已经引起人们的关注。例如，利用柴油燃料提供动力的车辆废气中包含化学污染物，诸如氮氧化物(“NOx”)和硫氧化物(“SOx”)，以及颗粒物。选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)是用于将氮氧化物(NOx)转变成双原子氮(N2)和水(H2O)的方式。在SCR中，催化剂与气态还原剂组合使用，气态还原剂被添加到烟气流或废气流中且被吸收到催化剂上。在SCNR中，在合适的温度窗口内，将还原剂注入到炉内的烟气中。另外，利用气态还原剂的烟气调质也可以提高静电沉积器去除飞灰的性能。在SCR、SNCR以及飞灰去除系统中，还原剂通常是氨或尿素。当气体通过催化剂室时，发生NOx的还原反应。在进入催化剂室之前，将氨或诸如尿素的其它还原剂注入并与气体混合。用于使用无水氨或氨水进行选择性催化还原过程的化学反应式为:4N0+4NH3+02 — 4N2+6H20 (反应式 I)2N02+4NH3+02 — 3N2+6H20 (反应式 2)N0+N02+2NH3 — 2N2+3H20 (反应式 3)尿素替代氨作为还原剂的反应是:4N0+2 (NH2) 2C0+02 — 4N2+4H20+2C02 (反应式 4)与尿素相比，氨更活泼，更容易均匀地分散到烟气流中，且在更宽的温度范围内是活性的以及更有效的。因此，虽然尿素也是一种有效还原剂，但尿素本身会形成不期望的副产物，诸如一氧化碳(CO)和一氧化二氮(N2O),这两种副产物现在正受到环境管理部门的重点监视。尿素通常热水解以形成用于废气处理应用的氨。尿素水解形成氨可被分解成两个截然不同的反应。第一反应是温和的放热反应，其中当尿素水解形成氨基甲酸铵时，放出热。第二反应是氨基甲酸铵转化成氨和二氧化碳，该反应是极吸热的，该反应总体决定了尿素转化为氨和二氧化碳的热力学，即总反应是吸热的。因此，尿素水解需要大量的热，且当热停止供给后立刻停止。例如，在有或没有催化剂辅助下，氨的释放发生在约110° C且在约150° C至160° C时变快。
H2O + (NH2)2CO ^ (NH2)COfNH/ + NH3 + 热(反应式 5)
(NH2)COfNH/+ 热—2NH3 + C02(反应式 6)过量的水促进水解反应,总反应如下:(x+1) H2O+ (NH2) 2C0+ 热—2NH3+C02+ (x) H2O (反应式 7 )然而，在影响有用的产量的反应条件下，水的质量是重要的。例如，在常规的尿素热水解成SCR系统用的氨中，尿素水溶液通过喷嘴被雾化到加热的蒸发室内。这样，在尿素水解成氨的过程中，过量的水也被蒸发，由此留下任何非挥发性物质，诸如矿物质。矿物质和其它非挥发性物质可粘附到设备表面，诸如喷嘴和蒸发室壁且随着时间累积，这可能导致喷嘴堵塞或至蒸发室的传热效率降低。因此，热水解系统中使用的水需要去矿物质化。此夕卜，尿素的热水解方法对尿素的质量也很敏感。例如，尿素中存在的甲醛会以类似于使用去矿物质化水的方式负面影响SCR系统的性能。鉴于上述内容，即使当与燃烧发动机结合时，尿素的水解也需要外部热源来引发反应，且还对于水解中使用的水的去矿物质化程度以及尿素的质量敏感。因此，需要更有效和/或更安全的方法来产生适于废气处理应用的氨。

发明内容
本发明的前提是实现可以由尿素电解产生氨，以供给废气处理应用，诸如选择性催化还原(SCR)系统、选择性非催化还原(SNCR)系统、和/或烟气调质系统。根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于将NH3供给至废气处理系统的方法。该方法包括:将尿素供给到电解流动池，其包括入口、出口、具有第一导电部件的阴极、具有第二导电部件的阳极、与所述阳极和所述阴极电相通的碱性电解质组合物、以及可操作地与电解池的入口和出口连接的再循环系统；通过将电压差施加到电解流动池实现尿素的电解水解来产生氨，其中横跨所述阴极和所述阳极施加电压差，其中所述电压差足以实现尿素的电解水解来至少产生NH3 ;回收至少一部分NH3 ;将至少一部分NH3转移到废气处理系统；以及再循环碱性电解质组合物的至少一部分。所述碱性电解质组合物具有至少0.0lM的氢氧化物浓度或PH值至少为8，且所述再循环系统包含碱性电解质组合物的至少一部分。根据本发明的另一个实施方式，提供了一种适于燃烧发动机的废气处理系统。废气处理系统包括选择性催化还原系统、选择性非催化还原系统或烟气调质系统的至少一个；以及氨发生器。氨发生器包括流动电解池，其具有入口、至少一个出口、具有第一导电部件的阴极、具有第二导电部件的阳极、与所述阳极和所述阴极电相通的碱性电解质组合物，其中所述碱性电解质组合物具有至少0.0lM的氢氧化物浓度或pH值至少为8，以及可操作地与电解池的入口和至少一个出口连接的再循环系统。源自氨发生器的至少一个出口进一步与选择性催化还原系统、选择性非催化还原系统或烟气调质系统中的至少一个相通。


根据下面的详细描述和附图，将进一步理解本发明，附图中:并入并构成本说明书一部分的附图示出本发明的实施方式，并与上面给出的本发明的一般性描述以及下面给出的详细描述一起用来描述本发明。图1是由尿素生成氨的方法的示意性表示；图2是连接至燃烧废气的简化的电解池的示意图；图3是用于净化来自燃烧发动机废气的方法的示意图；图4是在恒压(1.4伏)下，电化学池的电流密度随时间变化的曲线图；图5是在恒压(1.33伏)下，电化学池的电流密 度随时间变化的曲线图6是根据本发明实施方式的电解氨发电机系统的示意性描述；图7是根据本发明实施方式的电解流动池的分解视图；图8是根据本发明另一个实施方式的电解氨发电机系统的示意性描述；以及图9是根据本发明又一实施方式的电解氨发电机系统的示意性描述。
具体实施例方式电解引起的尿素水解促进了燃烧废气的处理，且本文对此进行了描述。有利地是，可以调节电解池条件以另外产生氢气(其可被注入以提高燃料效率)，以向电解池提供热或向电解池提供电。现在参照图1，可在电解装置中使尿素经受电解引起的水解。电解装置可包括池或多个池，每一个池包括阳极和阴极。电解池可以以分批模式、连续模式、半连续模式且以再循环操作，以使氨按照需要地且受控地注入到诸如燃烧废气的工艺气体流中。在阳极(池的工作电极)处，尿素水解成氨。下面的反应式8中提供了总的水解反应。(NH2) 2C0+H20 — NH3 f +CO2 (反应式 8)更具体地参照图2，代表单批次型布置的简化的电解池I包括罐2，其可由轻型铁、钢、TEFLON 或者不受碱性电解质组合物侵蚀的其它材料制成。包括两个电极，即阳极3和阴极4的电极组件被悬垂在罐2所容纳的碱性电解质组合物6中。任选地，隔板5可被设置在阳极和阴极之间。在这种单批次型布置中，如下文所述，碱性电解质组合物6包括有效量的尿素。阳极3和阴极4被电连接至电压源7，其提供了用于电解碱性电解质组合物6中所包含的尿素的电能。在批次型布置中，碱性电解质组合物可以被搅拌以促进质量传递。本领域的技术人员将易 于理解，上述池可易于改装成连续的流动池结构，半连续的和碱性电解质组合物的再循环，如下面详细论述的那样。电极包括导体或载体，载体可涂覆有一种或多种导电的活性组分。示例性的导体包括但不限于:金属，诸如镍、钼；合金，诸如碳钢或不锈钢；或能够导电的其它材料，诸如碳或石墨。示例性的电极载体材料可选自于许多已知的载体，诸如像箔、网状物、海绵和珠。载体材料可包括但不限于镍箔、钛箔、石墨、碳纤维、碳纸、玻璃碳、碳纳米纤维以及碳纳米管。除了列出的这些具体的载体材料之外，本领域技术人员将意识到其它合适的载体。因此，该阴极可包括对碱性电解质组合物惰性的导体。另外，阴极还可包括载体材料，其对碱性电解质组合物惰性的且涂覆有一种或多种导电的活性组分。例如，阴极的导电组分可包括碳、钴、铜、铱、铁、镍、钮、钼、错、钌、或其混合物或合金。示例性的导电组分包括碳钢和不锈钢。阳极可包括对碱性电解质组合物惰性的导体。此外，阳极还可包括载体材料，其对碱性电解质组合物惰性的且涂覆有一种或多种导电的活性组分。根据本发明的实施方式，在阳极的导电组分处发生尿素的水解反应。因此，阳极处的导体和/或导电组分是对于尿素的电解水解有活性的一种或多种金属。活性金属可包括钴、铜、铱、铁、钼、镍、铑、钌、或其混合物或其合金，且尤其是镍。活性金属可以呈氧化形式，如羟基氧化镍。阳极的结构不限定于任何特定的形状或形式。例如，活性金属可形成为箔、线、网、珠或涂覆到载体上。示例性的工作电极包括电沉积到碳载体(诸如碳纤维、碳纸、玻璃碳、碳纳米纤维或碳纳米管)上的镍、形成为珠的镍或悬浮在镍网中。认为有利于电解引起的尿素水解的一种电极是在不同的4平方厘米的金属基质(镍箔、镍网、钛箔和钛网)上的活性羟基氧化镍改性的镍电极(Ν0ΜΝ)，金属基质被使用瓦特浴电镀有10±0.1毫克的Ni。具体来说，通过浸没在33° C下的含有硫酸镍、醋酸钠和氢氧化钠的溶液中来活化镀镍的电极。不锈钢被用作辅助电极。镀镍的电极可被用作阳极和阴极，通过手动极化，以6.25A/m2在4个I分钟循环以及两个2分钟循环转换。最后，电极在相同的电流下保持作为阳极并保持在那里持续两个小时。与M/Ni相比，活化的电极产生较高的电流密度，其中M表示金属基质。隔板5将阳极和阴极隔开。隔板应该由化学性上耐碱性电解质组合物的材料构建。许多聚合物适于构建隔板，诸如Td1n K和聚丙烯。对于简单的分批型布置不需要隔板，但隔板对于连续流动的电化学池或燃料池来说可能是有利的。隔板可包括如离子交换膜、固体电解质或电解凝胶。隔板对于气体或液体可以是可渗透的、可半渗透的或不可渗透的。根据本发明，所述电解质组合物是碱性的，且具有至少0.0lM的氢氧根离子浓度或至少8的pH。根据一个示例，碱性电解质组合物具有至少0.0lM的氢氧化物浓度以及至少8的pH。因此，碱性电解质组合物可包括足够量的任何合适的氢氧化物盐、碳酸盐或碳酸氢盐以便提供具有至少0.0lM的氢氧根离子浓度和/或pH至少为8的电解质组合物。可以使用碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物的盐，诸如氢氧化锂、氢氧化铷、氢氧化铯、氢氧化钡、氢氧化锶、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化镁、氢氧化钙、及其混合物。具体地，碱性电解质组合物包括氢氧化钾。有利地是，如反应式I中所示的CO2气体的螯合作用可通过CO2与氢氧化物反应以形成碳酸盐来实现，碳酸盐可保留在碱性电解质组合物中。类似地，碱金属碳酸盐或碳酸氢盐或碱土金属碳酸盐或碳酸氢盐也是合适的电解质。氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐的浓度可以根据本发明的实施方式发生变化。例如，根据一个实施方式，氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐的浓度可以是约0.0lM至约8M。在另一个示例中，约2M至约8M以及约4M至约8M的氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、氢氧化钠、碳酸钠或碳酸氢钠的浓度是特 别有效的。碱性电解质组合物可包括凝胶，诸如固体聚合物电解质。合适的凝胶包括但不限于，含有聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺和类似的聚合物和共聚物的那些凝胶。可以使用任何合适的方法来制备电解凝胶。一种方法包括形成聚合物，然后将氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐电解质注入到聚合物中以形成聚合物的混合物。在另一种方法中，可以在氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐电解质存在下来聚合单体。根据一个实施方式，电极可通过包含有效浓度的氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢根离子的电解质凝胶隔开。阳极与作为原料的尿素溶液接触。然后使得阴极与合适的水溶液(诸如像水或氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐溶液)接触。可选择地，凝胶电解质是不固定的而是可以流经电解池。根据另一实施方式，尿素可以被容纳在该凝胶内或包含尿素的水溶液可在凝胶电解质内流动。在图2中所示的池中，电解质组合物6包含尿素，尿素可从微量变化到高达约饱和溶液，该饱和溶液在标准温度和压力下为约12M。有利地是,对尿素的具体来源和纯度没有特别的限制。此外，对于形成尿素水溶液来说，制备水溶液时使用的水的具体来源和纯度并不特别限制或并不是关键的。这种优势的一个原因在于根据本发明的实施方式，含有尿素的整个水溶液并不挥发，从而留下微量的矿物质和其它非挥发性材料。相反，大部分的水以液体形式保留，这基本上使微量矿物质保留在溶液中。另外，在电解池内的至少一部分尿素电解水解之后，可以再循环从电化学池排放的水溶液或碱性电解质组合物。电源7可以是任何可用的源，诸如电池、燃料电池、来自电网的电，和可再生能源，诸如太阳能电池或风力涡轮机发电机。当电解池与机动车上的SCR系统耦合时，电源可来自交流发电机。为了达到所需的效率，需要足以引发尿素的电解水解的电压。但优选地是电压不会高到大量电解水。通常，电解尿素或电解水解尿素所需的最小电压为约0.85伏。在标准条件下由钼电极电解水所需的电 压大于1.7伏，但电解和/或电解引起的水解的速率取决于其它因素，诸如温度和离子强度/电导率。基于上述情况，施加到电解池以便电解水解尿素的电压范围可从约0.85伏至小于约1.7伏。电压范围可从是约1.2伏到约1.6伏。通常，电解池将在以这些范围内的恒电压进行操作。此外，可以通过改变电解池不同区域内的电压来控制从尿素产生氨和/或氢的速率。例如，在填充床型电解池中，可沿着催化剂床调节填充床内阳极催化剂材料的电压以便控制氨产生速率和/或氨注入到SCR或SNCR设备内的速率。因此，催化剂床中的不同区域可具有不同的电势以控制氨产生速率。例如，填充床柱构型可包括多个阳极，其中每一个阳极与另一个阳极电绝缘且其上能够具有单独受控的电压，诸如在图6中所示的那样。对于给定的氨最大产量来说，可以极化全部阳极。然而，当期望较低量的氨时，则并不极化所有阳极。电流强度或电流密度也可能会影响电解池的性能。纯水具有差的导电性，并且正因为如此，纯水中的电解很慢且基本上是由于水的自电离才发生。一般来说，通过添加电解质(诸如盐、酸或碱)来增加电解速率。因此，在碱性电解质组合物中存在增加的氢氧根离子、碳酸根离子或碳酸氢根离子及其各自的抗衡离子增强电流的导通性。本文所述电解池的电流密度范围在约I毫安/平方厘米至大约500毫安/平方厘米的范围内。在一些实施方式中，电流密度范围可以是约50毫安/平方厘米至约400毫安/平方厘米。电流密度范围可以是约200毫安/平方厘米至约300毫安/平方厘米。总之，只需要提供产生活性形式的包含阳极的活性金属的足够量的电流，以导致尿素水解。通常情况下，电解池将在这些范围内的恒电流或恒电流密度下进行操作。也可以使用电流控制由尿素的电解水解产生氨，因此可以控制将氨注入到废气处理系统内的速率。例如，可能需要给定的电流以在阳极的所有区域内产生活性金属的活性形式以使氨的产生最大。当氨的需求量降低时，可降低所施加的电流。电解池可在变化的压力和温度范围内操作。操作压力可约为大气压或环境压力，除了反应容器中的物理限值以外没有压力上限值。如果需要的话，可以改变电解池的操作压力以便控制将氨被注入到废气中的速率。操作温度范围可以是大约0° C至约100° C。可接受的操作温度范围可以是约40° C至约80° C。更具体地，约60° C至约70° C的操作温度范围是特别有用的。可用任何可利用的源来控制电解池内的温度。例如，电解池还可包括可操作地连接至电解池的加热器装置，和/或可操作地连接至电解池的再循环系统，其中再循环系统包含碱性电解质组合物的至少一部分。示例性的加热装置包括环绕电解池的加热套，可通过外部源(诸如蒸汽、热水、或其它受热流体)从加热套供热。其它可能的加热源可包括但不限于电加热器或燃烧气体。可选择地或另外，再循环系统还可包括用于在电解池外部的位置处升高碱性电解质组合物的温度的加热装置。所需的加热源会依赖于系统的可用性和/或与兼容性。例如，电加热可能是提供热量以获得在机动车的SCR系统中使用电解池所需的操作温度的最方便的方式，特别是在冷启动期间和在极端气候条件期间。因此，电解池可具有独立于发动机温度的温度控制。本领域技术人员将易于理解，上述电解池可易于改装成连续的流动池结构、半连续和碱性电解质组合物的再循环。例如，图6中示出一个示例性系统，其基于连续方式用于连续产生足够量的氨，以充分满足燃煤电厂的需求。从尿素存储容器10，尿素颗粒经由旋转进料阀12供应到混合罐14，在混合罐14中，尿素颗粒与来自水供给16的水混合以便形成尿素溶液。混合罐14包括排放管线18，其将尿素溶液供给到尿素溶液供给泵20，以便通过尿素电解质罐入口 22将尿素溶液转移到尿素电解质罐24。尿素溶液再循环管线26允许连续操作尿素溶液供给泵20。根据本实施方式，尿素电解质组合物通过将来自混合罐14中的尿素溶液与包括碱金属或碱土金属的氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐或其组合的碱性电解质组合物相混合来形成。尿素电解质罐24包括排放管线28，其将尿素电解质溶液供给到尿素电解质溶液供给泵30以便通过电解池入口 32将尿素电解质溶液转移到电解池34。尿素电解质溶液再循环管线36允许连续操作尿素电解质溶液供给泵30，并还可参与控制电解池34内的尿素电解质溶液的体积或高度。电解池34包括加热套38，其具有入口管线40和出口管线42，用于使得加热流体通过其再循环。—种典型的流动池设计是填充床型的电解流动池，其使得沿着催化剂床改变填充床内阳极催化剂材料的电压和/或电流来，以便控制氨转化率。图6中示出填充床型的流动池，其中V1-V6代表电解池34的可变电压容量，其中未示出填充的阳极催化剂床的电绝缘区域之间的绝缘材料。此构型还适于基于覆盖催化剂床的尿素电解质溶液的高度或容积来控制水解的尿素量。换言之，改变与尿素溶液接触的阳极催化剂床的总面积的面积百分比将改变氨的产生速率。因此，增加覆盖可利用的催化剂床的尿素电解质溶液的量将增加氨的产生速率。 在操作过程中，尿素电解质溶液流过电解池34，从而接触电极。因此，由尿素电解水解而生成的氨通过氨排放管线44被供给到废气处理系统。根据电解池的操作条件，也可以产生氢且通过氢气排放管线46供给到辅助系统。在消耗至少一部分尿素后，尿素电解质溶液通过尿素电解质返回管线48而返回到尿素电解质罐24。根据本实施方式的一方面，在被返回到尿素电解质罐24之前，碱性电解质组合物被浓缩到期望的水平。在一个示例中，尿素电解质返回管线48将电解池34的排放液传送到蒸发器50，其中过量的水经由水排出管线52去除，以获得所期望的浓度。有利的是，任何非水解的尿素主要保留在溶液中，因此也在溶液中被浓缩。然后浓缩的电解质溶液通过浓缩的电解质排放管线54被传送到尿素电解质罐24。通过改变各种参数(诸如温度和压力)可以控制过量水的去除速率。因此，取决于蒸发器的相对操作压力，蒸发器50的操作温度范围可从约120° C至约90° C。例如，蒸发器50可在约110° C和接近大气压或低于大气压力下操作。适于蒸发器50的热源对于任何来源没有特别的限制。其它流动池设计也适于本实施方式。如图7中所示,流动池60可包括带套的容纳容器62，其具有管状阴极64、管状阳极66和容器盖68。带套的容纳容器62可由任何合适的方法进行热控制。带套的容器62还包括入口 70。当存在时，管状隔板72将管状阴极64和管状阳极66隔开，这允许分离来自管状阴极64和管状阳极66的流出物。因此，每一个电极室可具有其自己的排放口，从而容器盖68构建成容纳阴极连接器管件74和阳极连接器管件76。例如，阴极连接器管件74可以是中空的且包括导体，以便提供从管状阴极64附近的排放流路和电连接。类似地，阳极连接器管件76可以是中空的且包括导体，以便提供从管状阳极66附近的排放流路和电连接。根据图8中所示的另一实施方式，作为供应尿素颗粒的一种替代，其需要在电解引起的尿素水解之前被溶解，尿素可作为预先溶解的浓缩水溶液供给到电解流动池90。许多传统的SCR系统使用柴油机排放流体(DEF)处理柴油机废气，例如该柴油机排放流体可以是溶解于去离子水中的约32%(重量百分比)的尿素。根据本发明原理的废气处理系统可包括氨发生器80，其还包括DEF罐82。泵20经由入口管线84和排放管线85将来自DEF罐82的DEF传送到三通进料阀86，其将DEF与所需部分的碱性电解质组合物混合来在其中获得目标尿素浓度。如果DEF罐82保持在例如约20psig的压力下，系统将不需要泵20。这可能允许更紧凑的系统以用于运输应用。有利的是，经由碱性电解质组合物再循环供给管线87来供给碱性电解质组合物。尿素电解质溶液通过电解池入口 88被转移到电解池90。因此，由尿素的电解水解而生成的氨通过氨排放管线92通过阀93被供给到废气处理系统。根据电解池的操作条件，也可以产生氢且通过氢气排放管线94通过阀95被供给到辅助系统。此外，在至少部分尿素的电解引发的水解之后，电解池的排放液通过泵20引导到蒸发器96，其中通过水排放线路98除去水而将所述碱性电解质组合物浓缩。碱性电解质组合物可浓缩到接近于对于给定的一种或多种碱性电解质的饱和点，其使得溶液的凝固点升高。

如图9中所示，在又一实施方式中，氨发生器110可包括电解池130，其具有在尿素盒(cartridge) 120内的固体尿素供应。在经由入口 128被添加到电解池130之前，尿素可经由供应管线122从筒120被传送且在旋转的混合阀12内与水混合。在该实施方式中，在没有物理损失的情况下，随着时间的推移水只需要从供水罐124经由水供给管线126被引入到系统中以补偿尿素水解(见反应式8)期间所消耗掉的水。例如，水可以定期的时间间隔和/或基于一个或多个操作参数来引入。水可以定期的时间间隔直接添加到电解池130内，以降低其与电解质混合物的冰点。可分别经由排放管线132、136和阀133、137输送的氨和/或氢可如上所述用于处理燃烧废气。根据另一方面，尿素盒120可包含于电解池130内。根据另一方面，所述电解质可包含于电解池内，并且可以凝胶形式来保存。虽然未示出，但是电解质可以在电解池130内再循环，以便于改进与尿素盒120的混合。鉴于下面的示例，将进一步理解本发明。示例 I组装两个封闭的池(1000毫升)。每个池填充有200毫升的7M的KOH和0.33M的尿素溶液，并在120rpm下搅拌。向池B(由Arbin Industries MSTAT供应)施加电压(1.4V),该池B使用Rh-Ni阳极(10平方厘米的Ni箔上有0.15毫克/平方厘米的Rh)和作为阴极的钼箔(10平方厘米)。通过液体取样口取出样品且通过提取10毫升，并用蒸馏水稀释1:100来定期地分析氨浓度。向烧瓶中添加50毫升试样量的这种分析物，边搅拌边添加I毫升的PH调节溶液，并使用离子选择电极分析溶液。两个小时的恒电压操作后，池A和池B分别容纳浓度为3600ppm和4700ppm的氨水(表I)。操作3小时后,池A增加至3800ppm,而池B增加至6450ppm，这使得具有外加电势的池具有高41%的尿素至氨的转化率。在前两小时期间，池B平均约为25毫安/平方厘米，在第三小时这降低至接近8毫安/平方厘米(图4)。这些结果表明在尿素转化成氨时，较低的电流密度更有效。表1.经由电解样品的尿素水解
权利要求
1.一种用于将NH3供给到废气处理系统的方法，所述方法包括: 将尿素供给到电解流动池，所述电解流动池包括: 入口 ； 出口 ； 阴极，该阴极具有第一导电部件； 阳极，该阳极具有第二导电部件；以及 碱性电解质组合物，该碱性电解质组合物与所述阳极和所述阴极电相通，其中所述碱性电解质组合物具有至少0.0lM的氢氧化物浓度或pH值至少为8 ； 通过将电压差施加到所述电解流动池实现尿素的电解水解来产生氨，其中横跨所述阴极和所述阳极施加电压差，其中所述电压差足以实现尿素的所述电解水解以至少产生NH3;回收至少一部分NH3 ； 将所述至少一部分 NH3转移到所述废气处理系统；以及 再循环所述碱性电解质组合物的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一导电部件包括碳、钴、铜、铱、铁、镍、钯、钼、错、钌或其混合物或合金。
3.根据权利要求1所述的方法其中所述第二导电部件包括钴、铜、铱、铁、钼、镍、铑、钌或其混合物或合金。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二导电部件包括钴、铜、铱、铁、钼、镍、铑、钌或其混合物或合金的氧化形式。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括: 改变下述中的至少一个: 所述电解流动池的温度； 所述电解流动池的压力； 施加到所述电解流动池的电流；或 施加到所述电解流动池的电压； 改变施加到所述阳极的一部分上的电压，其中所述阳极包括阳极催化剂床；或 改变所述阳极催化剂床的接触尿素溶液的总面积的面积百分数。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述碱性电解质组合物包括碱金属或碱土金属的氢氧化物盐、碳酸盐、碳酸氢盐或其组合。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括加热所述电解流动池。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述尿素作为盒中的固体来提供。
9.根据权利要求1所述的方法，其中将所述尿素供给至所述电解流动池包括: 用所述碱性电解质组合物的至少一部分稀释浓缩的尿素原液；或 用水或所述碱性电解质组合物的至少一部分溶解的固体尿素的至少一部分。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括通过将水从所述碱性电解质组合物中蒸发出去而浓缩所述碱性电解质组合物。
11.一种用于燃烧发动机的废气处理系统，所述废气处理系统包括: 选择性催化还原系统、选择性非催化还原系统或烟气调质系统的至少一个；以及 氨发生器，所述氨发生器包括电解流动池，该电解流动池具有:入口 ； 至少一个出口； 阴极，该阴极具有第一导电部件； 阳极，该阳极具有第二导电部件； 碱性电解质组合物，该碱性电解质组合物与所述阳极和所述阴极电相通，其中所述碱性电解质组合物具有至少0.0lM的氢氧化物浓度或pH值至少为8 ；以及 再循环系统，该再循环系统可操作地连接至所述电解池的入口和至少一个出口 ； 其中，源自所述氨发生器的至少一个出口还与所述选择性催化还原系统、所述选择性非催化还原系统或所述烟气调质系统中的至少一个相通。
12.根据权利要求11所述的废气处理系统，其中所述第一导电部件包括碳、钴、铜、铱、铁、镍、钮、钼、错、钌或其混合物或合金。
13.根据权利要求11所述的废气处理系统，其中所述第二导电部件包括钴、铜、铱、铁、钼、镍、错、钌或其混合物或合金。
14.根据权利要求11所述的废气处理系统，其中所述第二导电部件包括钴、铜、铱、铁、钼、镍、铑、钌或其混合物或合金的氧化形式。
15.根据权利要求11所述的废气处理系统，其中所述碱性电解质组合物包括碱金属或碱土金属的氢氧化物盐、碳酸盐、碳酸氢盐或其组合。
16.根据权利要求11所述的废气处理系统，其中所述电解池还包括:` 加热器装置，该加热器装置可操作地连接至所述电解池。
17.根据权利要求11所述的废气处理系统，其中所述电解池还包括包含固体尿素的盒。
18.根据权利要求11所述的废气处理系统，其中所述再循环系统还包括蒸发器。
19.一种氨发生器，所述氨发生器包括电解流动池，该电解流动池具有； 入口 ； 至少一个出口 ； 阴极，该阴极具有第一导电部件； 阳极，该阳极具有第二导电部件； 碱性电解质组合物，该碱性电解质组合物与所述阳极和所述阴极电相通，其中所述碱性电解质组合物具有至少0.0lM的氢氧化物浓度或pH值至少为8 ；以及 再循环系统，该再循环系统可操作地连接至所述电解池入口和至少一个出口。
20.根据权利要求19所述的氨发生器，其中所述再循环系统还包括蒸发器。
全文摘要
提供了一种用于制备适于用作燃烧废气处理系统中的还原剂的氨的方法，所述方法包括在温和条件下尿素的电解水解。氨发生器可操作地连接至所述废气处理系统以便提供一种用于降低废气中氮氧化物(NOx)和/或颗粒物的设备，所述氨发生器电解装置包括电解流动池、碱性电解质组合物以及再循环系统；该电解流动池(1)包括阳极(3)、阴极(4)以及尿素的碱性电解质组合物(6)。
文档编号B01D53/94GK103201411SQ201180048738
公开日2013年7月10日 申请日期2011年8月23日 优先权日2010年8月23日
发明者杰拉尔丁·G·包特 申请人:俄亥俄州立大学