一种提高柴油机scr系统尿素热解水解效率的方法
【专利摘要】本发明涉及一种提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法。具体为：尿素溶液箱中尿素溶液被泵出，Na2CO3溶液箱中Na2CO3溶液被泵出，过滤后分别送到尿素溶液计量器，电控单元根据柴油机工况，控制尿素溶液计量器计量出一定量的尿素和Na2CO3的混合溶液，控制Na2CO3添加的浓度为10~30ppm，该混合溶液通过尿素喷嘴进入排气管。尿素在排气管混合区遇到高温，在Na2CO3的辅助作用下，释放出尿素中80%以上的NH3，与柴油机排出的NOx充分混合后进入SCR选择性催化还原装置内部，NH3和NOx反应生成N2和H2O，排入大气中。本发明在尿素溶液中添加少量Na2CO3，大幅提高了尿素热解中间产物HNCO生成NH3的水解率，有利于尿素快速高效地释放其中的NH3，使NOx净化效率曲线显著往低温方向扩展，NOx净化效率得以明显提高，显著改善了柴油机尾气NOx排放的净化效果。
【专利说明】一种提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于柴油机尾气后处理【技术领域】，具体涉及一种采用碳酸钠(Na2CO3)辅助提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法。
【背景技术】
[0002]柴油机以其良好的经济性和动力性，广泛地应用于交通运输、农业机械和工程机械等领域。但是柴油机的氮氧化物(NOx)排放较高，对环境和人体都有很大的危害，除采用先进的机内措施降低NOx排放量以外，必须对柴油机排出的NOx采取机外后处理净化措施技术，才能满足未来更为严格的排放法规。
[0003]氨气(NH3)选择性催化还原技术SCR(Selective Catalytic Reduct1n)(简称NH3-SCR技术)是柴油机NOx排放后处理的一种主要技术路线，可以有效改善柴油机NOx的排放，并对柴油含硫量不敏感。该技术通过在排气管中喷入一定浓度的尿素(CO(NH2)2)溶液，与尾气混合后一同进入SCR装置，在催化剂的作用下，由尿素经热解反应和水解反应后产生的NH3和NOx发生化学反应，将NOx还原为氮气N2和水H20。该过程的主要化学反应包括有尿素热解反应、尿素水解反应、标准SCR反应、快速SCR反应、慢速SCR反应。
[0004]尿素热解反应:
CO ( NH2) 2 — NH3 + HNCO(I)
尿素水解反应:
HNCO + 2H20 — NH3 + CO2(2)
标准SCR反应:
4NH3 + 4N0 + O2 — 4N2 + 6H20(3)
快速SCR反应:
4NH3 + 2N02 +2N0 — 4N2 + 6H20(4)
慢速SCR反应:
8NH3 + 6N02 — 7N2 + 12H20(5)
该系统在工作时，尿素罐中的尿素溶液被泵出，加压过滤后送到计量喷射单元，然后喷入排气管中，尿素在排气管遇到高温。理想情况下:(I)首先，发生尿素热解反应分解成NH3和异氰酸(HNC0)，尿素中50%的NH3被释放出来；(2)然后，HNCO再经过水解反应生成NH3和H2O,从而将尿素中100%的NH3全部释放出来；(3)最后，在SCR催化器内部的反应区内，NH3和NOx反应生成N2和H2O,排入大气中。一般柴油机的排气温度在300~500°C范围内，正好能满足NOx还原所需的温度条件。
[0005]在目前已有的SCR技术中，尿素热解的中间产物HNC0，只有在进入SCR催化器内部的反应区后，在SCR催化剂的作用下，才能水解成NH3。然后，这部分由HNCO释放出的NH3,才能与NOx进行还原反应，从而导致这部分NH3和NOx可以用于化学反应的时间变短，从而不利于NOx的净化。
【发明内容】
[0006]本发明目的是提供一种在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、提高提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法。为了提高SCR装置中NH3对NOx的还原能力，采取该辅助措施，使喷入排气管的尿素溶液喷雾在进入SCR催化器前，大幅提高尿素热解中间产物HNCO生成NH3的水解率，从而充分释放其中的NH3,有利于NOx的净化。
[0007]本发明提出的提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法，是在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、提高尿素热解水解效率的柴油机NH3-SCR方法，采用NH3-SCR技术装置实现，所述装置由尿素溶液箱1、尿素泵2、尿素溶液计量器3、电控单元4、柴油机5、排气管
6、尿素喷嘴7、SCR选择性催化还原装置8、Na2C03溶液箱9和溶液泵10组成，其中:尿素溶液箱I通过管道和尿素泵2连接尿素溶液计量器3，柴油机5连接电控单元4的输入端，电控单元4的输出端连接尿素溶液计量器3，柴油机5通过排气管6连接SCR选择性催化还原装置8，Na2CO3溶液箱9通过管道和溶液泵10连接尿素溶液计量器3，尿素溶液计量器3通过管道和尿素喷嘴7连接排气管6 ;具体步骤如下:
尿素溶液箱I中尿素溶液被泵出，在150kPa?300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器3，同时，Na2CO3溶液箱9中Na2CO3溶液被泵出，在150kPa?300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器3，电控单元4根据柴油机5工况，控制尿素溶液计量器3对尿素和Na2CO3组成的混合溶液进行计量，控制Na2CO3添加的浓度为l(T30ppm，所述混合溶液通过尿素喷嘴7进入排气管6，尿素在排气管6混合区遇到高温，在Na2CO3的辅助作用下，释放出尿素中80%以上的NH3,与柴油机5排出的NOx充分混合后进入SCR选择性催化还原装置8，在SCR选择性催化还原装置8内，NH3和NOx反应生成N2和H2O,排入大气中；尿素溶液中通过添加Na2CO3,大幅提高了尿素热解中间产物HNCO生成NH3的水解率，有利于尿素快速高效地释放其中的NH3。
[0008]本发明中，所述SCR选择性催化还原装置8的催化还原反应温度为200-600°C。
[0009]本发明的有益效果在于:
本发明通过碳酸钠Na2CO3与尿素溶液的混合，降低了尿素热解中间产物HNCO水解反应所需的温度，有利于HNCO生成NH3，高比例释放出尿素中的NH3,实现了良好的尿素热解水解效率，进而提高了 SCR技术对柴油机尾气NOx排放的净化效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的柴油机NH3-SCR技术装置结构图示。
[0011]图2为本发明用于评价NOx净化效率的柴油机台架试验系统示意图。
[0012]图3为本发明在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、无Na2CO3溶液辅助的NOx净化效率结果对比。
[0013]图中标号:1为尿素溶液箱，2为尿素泵,3为尿素溶液计量器,4为电控单元,5为柴油机，6为排气管，7为尿素喷嘴，8为SCR选择性催化还原装置，9为Na2CO3溶液箱，10为溶液泵。
【具体实施方式】
[0014]下面通过实施举例进一步阐述本发明。
[0015]实施例1:尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、实现尿素热解水解效率的提升
将下列各部件按图1所示方式连接。如图1所示该装置由尿素溶液箱1、尿素泵2、尿素溶液计量器3、电控单兀4、柴油机5、排气管6、尿素喷嘴7、SCR选择性催化还原装置8、Na2CO3溶液箱9、溶液泵10和相关管路组成。
[0016]该NH3-SCR技术装置在工作时，尿素溶液箱I中尿素溶液被泵出，在150kPa^300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器3，Na2CO3溶液箱9中Na2CO3溶液被泵出，在150kPa~300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器3，电控单元4根据柴油机5工况，控制尿素溶液计量器3计量出一定量的尿素和Na2CO3的混合溶液，控制Na2CO3添加的浓度为l(T30ppm，然后通过尿素喷嘴7进入排气管6。尿素在排气管6混合区遇到高温分解成NH3和H2O,与柴油机排出的NOx充分混合后进入SCR选择性催化还原装置8，在SCR选择性催化还原装置8内，NH3和NOx反应生成N2和H2O,排入大气中。在该过程中，尿素溶液与少量Na2CO3 —同进入排气管6，大幅提高尿素热解中间产物HNCO生成NH3的水解率，使NOx净化效率曲线显著往低温方向扩展，NOx净化效率得以明显提高。尿素溶液中添加Na2CO3,有利于尿素溶液快速高效释放其中的NH3。这是因为Na2CO3可以有效地提高HNCO生成NH3的水解率，主要是由于添加Na2CO3时，可以降低HNCO水解反应所需的温度。
[0017]实施例2:尿素溶液添加少量Na2CO3溶液后、NOx净化效率的评测
使用一台电控高压共轨直喷柴油机为样机，对该机采用Na2CO3辅助的NH3-SCR方法来评定NOx的净化效率，采用无Na2CO3辅助的NH3-SCR方法作为对比。将该柴油机安装在台架上进行稳态工况运转，以提供可再现和稳定的NOx排放。控制该发动机的转速为2000r/min，负荷比分别为25%、 50%、75%、100%，以提供一系列的SCR选择性催化还原装置8入口温度(温度分别为 255°C、318 '372 '451 °G)和NOx浓度(浓度分别为 226ppm、498ppm、856ppm、989ppm)。使用专门的AVL废气分析仪测定柴油机的NOx排放量。
[0018]使用图2所示的实验配置，对采用Na2CO3辅助和无Na2CO3辅助的效果进行对比测试。实验设备包括专门测量柴油机NOx排放量的AVL废气分析仪以及两个专用采样管道，分别布置在SCR选择性催化还原装置8的前后。
[0019]图3即为采用采用Na2CO3辅助和无Na2CO3辅助的测试结果对比。横坐标为发动机负荷比，纵坐标为NOx净化效率。由图3可以看出，采用Na2CO3辅助后，SCR选择性催化还原装置8对NOx的净化效率有明显提高，平均提高比例为20.8%。
[0020]因此，本发明的SCR选择性催化还原装置8，通过在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液，大幅提高了尿素释放NH3的热解水解效率，显著改善了柴油机NOx排放的净化效果。
【权利要求】
1.一种提高柴油机SCR系统尿素热解水解效率的方法，其特征在于是在尿素溶液添加少量Na2CO3溶液、提高尿素热解水解效率的柴油机NH3-SCR方法，采用NH3-SCR技术装置实现，所述装置由尿素溶液箱(1)、尿素泵(2)、尿素溶液计量器(3)、电控单元(4)、柴油机(5)、排气管(6)、尿素喷嘴(7)、SCR选择性催化还原装置⑶、Na2CO3溶液箱(9)和溶液泵(10)组成，其中:尿素溶液箱(1)通过管道和尿素泵(2)连接尿素溶液计量器(3)，柴油机(5)连接电控单元(4)的输入端，电控单元(4)的输出端连接尿素溶液计量器(3)，柴油机(5)通过排气管(6)连接SCR选择性催化还原装置(8) ,Na2CO3溶液箱(9)通过管道和溶液泵(10)连接尿素溶液计量器(3)，尿素溶液计量器(3)通过管道和尿素喷嘴(7)连接排气管(6);具体步骤如下: 尿素溶液箱(1)中尿素溶液被泵出，在150kPa~300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器(3)，同时，Na2CO3溶液箱(9)中Na2CO3溶液被泵出，在150kPa~300kPa的压力下过滤后送到尿素溶液计量器(3)，电控单元(4)根据柴油机(5)工况，控制尿素溶液计量器(3)对尿素和Na2CO3组成的混合溶液进行计量，控制Na2CO3添加的浓度为l(T30ppm，所述混合溶液通过尿素喷嘴(7)进入排气管(6)，尿素在排气管(6)混合区遇到高温，在Na2CO3的辅助作用下，释放出尿素中80%以上的NH3，与柴油机(5)排出的NOx充分混合后进入SCR选择性催化还原装置⑶，在SCR选择性催化还原装置⑶内，NH3和NOx反应生成N2和H2O,排入大气中；尿素溶液中通过添加Na2CO3，大幅提高了尿素热解中间产物HNCO生成NH3的水解率，有利于尿素快速高效地释放其 中的nh3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述SCR选择性催化还原装置(8)的催化还原反应温度为200-600°C。
【文档编号】F01N3/20GK104074577SQ201410285899
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】谭丕强, 胡志远, 楼狄明 申请人:同济大学