專利名稱：減少選擇催化還原系統(tǒng)中氮氧化物排放的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減少固定或移動(dòng)用途柴油機(jī)或渦輪機(jī)廢氣中氮氧化物(NOx)排放的方法，更具體地涉及一種適用于選擇催化還原(SCR)系統(tǒng)的方法。
所說SCR系統(tǒng)是一項(xiàng)已知的、分布范圍廣泛的技術(shù)，在重工業(yè)中用于渦輪機(jī)、鍋爐、燃燒器、發(fā)電設(shè)備和其他使用化石燃料的設(shè)備的廢氣中氮氧化物的消除。該系統(tǒng)是基于在廢氣中有NOx化合物的存在下，在催化劑上建立一個(gè)還原氛圍。
還原劑的選擇取決于使用SCR系統(tǒng)的不同地理區(qū)域中的當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)條件。例如價(jià)格、法規(guī)和后勤等條件在還原劑的選擇中起一定作用。通常與柴油機(jī)一起使用的還原劑是純氨或氨水(NH3)、固體尿素(NH2CONH2)或溶于水中的尿素。
然而無(wú)水氨具有極強(qiáng)的危險(xiǎn)性、毒性和揮發(fā)性。暴露在空氣中時(shí)，在足夠高的溫度和壓力下，無(wú)水氨可以和空氣結(jié)合形成一種可以致命的組合物。該性質(zhì)導(dǎo)致在涉及大量氨的貯存、運(yùn)輸和處理時(shí)安全方面的問題。尿素作為氨的一種無(wú)毒性替代物不存在類似強(qiáng)烈的安全問題，而且可以在隨后的步驟中轉(zhuǎn)化為氨。
對(duì)于氨或尿素，在催化劑存在下和250至450℃的通常廢氣溫度下，還原劑與NOx化合物例如氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)反應(yīng)，釋放出游離氮?dú)?N2)和水。所用的催化劑為通常所說的DENOX催化劑。
當(dāng)還原劑是尿素時(shí)，它在大約275℃經(jīng)歷高溫?zé)峤?，按如下反?yīng)生成氨氣和氰尿酸(HNCO)
HNCO隨后與廢氣中的水反應(yīng)如下
CO2不進(jìn)一步參與DENOX反應(yīng)，而氨分子繼續(xù)與氧化氮，NO，在催化劑表面進(jìn)行如下反應(yīng)
在不同設(shè)備中使用的經(jīng)過選擇的催化劑的貯存和加料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)不同，但一般情況下大多數(shù)SCR系統(tǒng)是用于有良好基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的固定設(shè)備。電、熱和屏蔽環(huán)境的利用從而為固定系統(tǒng)的安全貯存和運(yùn)行提供了解決方案。
與上述固定設(shè)備相反的是移動(dòng)應(yīng)用，例如用于公路行駛或越野的重型(HD)卡車和設(shè)備。在汽車工業(yè)中使用的SCR系統(tǒng)中的DENOX催化劑的應(yīng)用需要滿足幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括對(duì)極端氣候條件例如比尿素結(jié)晶點(diǎn)-11℃更低的零下溫度的高抵抗力。
對(duì)高溫的抵抗力也是一個(gè)要求，因?yàn)楦邷貙?dǎo)致還原劑具有高蒸氣壓，從而在車輛加燃料和排風(fēng)中引起問題。此外，行駛中引起的車輛振動(dòng)也需要適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，以便無(wú)故障地運(yùn)行操作。
因此向汽車工業(yè)引進(jìn)所述系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于高耐久性和穩(wěn)定性有著現(xiàn)實(shí)的需求。
在此作為參考引入的美國(guó)專利第6,063,350號(hào)公開了一種利用尿素水溶液減少貧油混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中SCR NOx排放的方法。在該系統(tǒng)中，通過利用安裝在尿素貯存容器內(nèi)部的由不同傳感器組成的微型組件裝置監(jiān)控貯存容器中尿素溶液的質(zhì)量、溫度和高度，避免了溫度的起伏和固體沉積物的形成。在傳感得到的參數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)比參考值產(chǎn)生傳感器信號(hào)，然后相應(yīng)于該信號(hào)控制尿素溶液流?？梢岳眉訜崞骶S持尿素溶液的溫度。
該方法還陳述了通過在貯存容器和向廢氣中噴射尿素的噴射器之間的管線再循環(huán)尿素，避免固體沉淀。該再循環(huán)進(jìn)行的速率應(yīng)有助于在足夠低的水平上維持尿素溶液的溫度，以不使尿素在高溫下有足夠的時(shí)間進(jìn)行可以導(dǎo)致固體沉積程度的水解。
在此作為參考引入的美國(guó)專利第6,209,315號(hào)公開了一種在用于減少?gòu)U氣中NOx的SCR過程中有控制地加注還原劑的方法和裝置。還原劑被從貯存容器泵入到一個(gè)插在該貯存容器和通向SCR催化劑的測(cè)量閥門之間的蓄壓器中。測(cè)得的還原劑的量可以由位于與一壓力傳感器相連的該蓄壓器中的支在彈簧上的(彈簧承載)隔板的位移算出。
在所有儲(chǔ)罐系統(tǒng)中，可以利用不同類型的裝置避免尿素溶液的凝固。32.5重量/重量％的尿素水溶液的凝固點(diǎn)為-11℃。在先有技術(shù)中提及了絕熱和由電池或其他能量源供能的不同加熱器。這些類型的保護(hù)設(shè)備只在可以獲得恒定動(dòng)力源的條件下有效。寒冷天氣下電池動(dòng)力的損失將導(dǎo)致尿素在足夠低的溫度下凝固和結(jié)晶。在普通儲(chǔ)罐系統(tǒng)中可見凝固過程中膨脹導(dǎo)致的損壞。儲(chǔ)罐和儲(chǔ)罐的內(nèi)容物，例如傳感器、泵和其他內(nèi)部安裝的設(shè)備將可能永久損壞。
與目前用于還原NOx的SCR系統(tǒng)相關(guān)的一些問題是系統(tǒng)中不同組件的腐蝕、導(dǎo)致管線中沉積物的尿素結(jié)晶、維持恒定的閥門設(shè)置和不能接受的蒸發(fā)排放。零下溫度也導(dǎo)致凝固和隨后儲(chǔ)罐襯管泵的破壞。目前沒有已知的系統(tǒng)能夠在所有不同操作模式下均被安全地運(yùn)行。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是消除與還原劑例如尿素的凝固有關(guān)的導(dǎo)致設(shè)備損壞的結(jié)晶問題。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供用于SCR系統(tǒng)中的簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)組件膜設(shè)備。
本發(fā)明的再一個(gè)特別目的是提供一種可以使用任何類型液體還原劑的SCR系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個(gè)特別目的是提供一種作為還原劑傳遞的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的氣體。
本發(fā)明的再一個(gè)特別目的是提供一種作為還原劑傳遞的液壓驅(qū)動(dòng)力的液體。
本發(fā)明為減少SCR NOx提供一種改進(jìn)方法和簡(jiǎn)單的微型組件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)上述目的。
在此描述的本發(fā)明涉及一種方法，它通過提供液體還原劑貯藏源和液壓或氣動(dòng)置換流體以及向廢氣中供給貯存的還原劑，在SCR系統(tǒng)中減少用于固定或移動(dòng)用途/車輛的柴油機(jī)或渦輪機(jī)的廢氣中的氮氧化物(NOx)含量，該方法包括從外部貯存罐向一個(gè)或多個(gè)膜貯存罐傳輸液體還原劑，每個(gè)膜貯存罐均裝配有由不滲透柔性膜構(gòu)成的內(nèi)囊(inner bellow)，以及位于該內(nèi)囊之外的液壓或氣動(dòng)置換流體；用液體還原劑充滿柔性的內(nèi)囊并同時(shí)向膜貯存罐中的置換流體施壓，直至達(dá)到供料壓力；通過向柔性的內(nèi)囊外的容積中傳遞更多的液體，增加膜貯存罐中的置換流體的壓力，從而迫使液體還原劑離開柔性的內(nèi)囊；通過一個(gè)定量給料閥門和混合設(shè)備，從柔性的內(nèi)囊向廢氣中傳遞液體還原劑。
本發(fā)明還涉及一種設(shè)備，它通過提供液體還原劑貯藏源以及根據(jù)權(quán)利要求1的方法向廢氣中供給貯存的還原劑，在SCR系統(tǒng)中減少固定或移動(dòng)用途/車輛的柴油機(jī)或渦輪機(jī)廢氣中氮氧化物(NOx)含量，該設(shè)備包括貯存液體還原劑的外部貯存罐；一個(gè)或多個(gè)膜貯存罐，每個(gè)膜貯存罐均裝配有由不滲透柔性膜構(gòu)成的內(nèi)囊，其適于借助于位于該內(nèi)囊之外的液壓或氣動(dòng)置換流體進(jìn)行膨脹和收縮；壓縮設(shè)備，用于調(diào)節(jié)進(jìn)出膜貯存罐的置換流體的流動(dòng)；計(jì)量給料設(shè)備，用于調(diào)節(jié)送入混合設(shè)備的還原劑流；混合設(shè)備，用于將還原劑和空氣混合。
本發(fā)明的方法利用帶有標(biāo)準(zhǔn)組件膜單元的儲(chǔ)罐系統(tǒng)，相對(duì)于不帶有該單元的儲(chǔ)罐系統(tǒng)更為有利。利用氣體例如空氣作氣動(dòng)力或液體作液壓力消除了再充滿過程中蒸發(fā)引起的還原劑損失。無(wú)膜系統(tǒng)在還原劑上方的空氣中有平衡決定的飽和蒸氣。
如果使用尿素，干燥蒸氣時(shí)尿素蒸氣導(dǎo)致尿素晶體。在系統(tǒng)的閥門、入口和出口的固體尿素晶體沉積導(dǎo)致設(shè)備失靈。使用膜儲(chǔ)罐系統(tǒng)時(shí)，還原劑與存在的空氣的分離確保沒有還原劑蒸氣存在于系統(tǒng)的空氣部分中。因此，觀察不到空氣中與蒸氣相關(guān)的問題。
如果使用尿素或氨作還原劑，不能使用由便宜黃銅組件制成的罐、閥門和管道等，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶@些化合物存在下會(huì)腐蝕。受到增壓的區(qū)域中必須使用更昂貴的鋼種。然而鑒于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和操作，本發(fā)明的方法中使用的貯存系統(tǒng)不必要采用鋼組件。
本發(fā)明的方法中使用的系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)是，所述膜儲(chǔ)罐系統(tǒng)如果被意外冷卻到低于尿素溶液的凝固點(diǎn)的話不會(huì)被損壞。其原因在于含有還原劑溶液的柔性膜總有能力抗衡還原劑的膨脹。該能力的獲得是通過采用可以膨脹和收縮的柔性材料。適合的材料是不同類型的橡膠，例如EPDM橡膠(三元乙丙橡膠)。也可使用其他種類，假如其本性為柔性的話。
貯存罐殼內(nèi)側(cè)可用泡沫橡膠涂覆。幾毫米厚度的合適涂層已顯示足以吸收尿素凝固或結(jié)晶引起的柔性膜的小幅膨脹。因此不會(huì)誘發(fā)儲(chǔ)罐系統(tǒng)的永久性損壞，當(dāng)溫度超越還原劑凝固點(diǎn)時(shí)，引起還原劑熔化，所用設(shè)備的運(yùn)行隨之正?；?。為避免凝固，可以采用類似于用于無(wú)膜系統(tǒng)的預(yù)防措施，例如加熱。
圖2圖示處于運(yùn)行模式的使用壓縮空氣或氣體的

圖1系統(tǒng)。
圖3圖示處于填充模式的使用壓縮液體的SCR系統(tǒng)的操作。
圖4圖示處于運(yùn)行模式的使用壓縮液體的圖3系統(tǒng)。
圖5圖示具有增大罐容的系統(tǒng)。
此外存在有一個(gè)用于還原劑出入膜貯存罐的三路閥門V1、另一個(gè)使置換流體出入膜貯存罐的三路閥門V2以及幾個(gè)壓力表和減壓閥門。還存在有一個(gè)向混合設(shè)備F傳遞還原劑的計(jì)量給料閥門G。最后還原劑進(jìn)入尾氣流E。
適合的混合設(shè)備可以是結(jié)合具有消音和混合效果的類型，例如在歐洲專利申請(qǐng)960,650號(hào)中描述的設(shè)備，在此作為參考引入。
對(duì)附圖的解釋采用尿素作為還原劑實(shí)例?？梢允褂萌魏纹渌€原劑代替尿素。
圖1圖示處于填充模式的使用壓縮空氣或任何其他氣體的SCR系統(tǒng)。該簡(jiǎn)化流程圖中的箭頭指示通過該系統(tǒng)的實(shí)際流向。外部貯存罐C包含液體尿素和尿素蒸氣。借助于外部泵C1，液體尿素從可以是儲(chǔ)罐站的C被傳送入當(dāng)?shù)氐目梢允擒囕d的儲(chǔ)罐系統(tǒng)B。傳送壓力顯示在壓力表P3上。處于“關(guān)”位的三路閥門V1使尿素能夠流向膜A1的內(nèi)部。在填充過程中，包圍該膜的空氣被壓縮通過也是處于“關(guān)”位的閥門V2，并通過通風(fēng)口D導(dǎo)向環(huán)境大氣。當(dāng)壓力增加到與壓力表P3指示的、來(lái)自泵C1的原料壓力相同的程度時(shí)，可見最終的充滿。
圖1還闡明了在膜貯存罐B內(nèi)壁的泡沫橡膠的布置。如同前面已經(jīng)提到的，該材料的存在防止可能由凝固或加熱引起的還原劑的潛在破壞性膨脹。
圖2圖示處于運(yùn)行模式的使用壓縮空氣的圖1系統(tǒng)。該流程圖中的箭頭指示實(shí)際流向。轉(zhuǎn)動(dòng)所示的兩個(gè)閥門V1和V2至“開”位，從而逆轉(zhuǎn)尿素流向。在這一情況下，空氣或任何其他氣體在壓縮機(jī)C2中被壓縮，該壓縮空氣流過所示的兩個(gè)減壓閥R1和R2。該壓縮空氣從R1通過閥門V2流入膜貯存罐B。將減壓閥R1的壓力設(shè)定為例如2巴(2×105Pa)，顯示于壓力表P1中。此刻迫使內(nèi)囊A中的尿素進(jìn)入并通過閥門V1流向所示計(jì)量給料閥門G。G為電動(dòng)操作，由該閥門的條件確定選擇的尿素質(zhì)量流。然后將尿素送入混合器F。在此，將尿素與從減壓閥R2釋放的空氣混合。
上述方法導(dǎo)致均勻控制的混合物被釋放入廢氣E中。將壓力調(diào)節(jié)至例如1巴(1×105Pa)，如壓力表P2顯示。此刻最終的尿素/空氣混合物已經(jīng)準(zhǔn)備好被釋放入廢氣E中。
圖3圖示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，該系統(tǒng)在填充模式下運(yùn)行，使用壓縮液體作液壓置換流體，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛的現(xiàn)存系統(tǒng)中獲得。所示罐T可以包含發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑例如水或液壓油、柴油或任何其他液壓置換流體。在填充模式將液體由膜罐B返還回罐T。其他操作參數(shù)等同于對(duì)圖1所作的描述。
圖4圖示處于運(yùn)行模式的圖3系統(tǒng)。由泵C3將從罐T來(lái)的液體抽入壓力調(diào)節(jié)器R1中，調(diào)整所期望的壓力。由壓力表P1可見實(shí)際壓力。液體通過閥門V2進(jìn)入膜貯存罐B，致使還原劑離開內(nèi)囊A去往計(jì)量給料閥門G。
其他操作參數(shù)等同于對(duì)圖2所作的描述。
圖5圖示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，如圖所示通過向該系統(tǒng)添加串聯(lián)附加罐可以產(chǎn)生兩倍或三倍的尿素容量或體積。
參照上面所述，可知一旦將還原劑排出罐C，空氣即被從該系統(tǒng)中消除，從而增強(qiáng)該設(shè)備的安全因素。
另外，顯而易見的是，可以使用任何氣體或液體作氣動(dòng)或液壓置換介質(zhì)，用于將還原劑送入和移出所述內(nèi)囊A。
在本發(fā)明中使用的置換介質(zhì)包括在使用設(shè)備的實(shí)際地點(diǎn)可以獲得的流體。該流體包括氣體例如空氣、二氧化碳和氮?dú)?，以及液體例如柴油、冷卻液和液壓液體。也可以使用任何其他氣體和液體。
在下述實(shí)施例中試驗(yàn)了裝配有由柔性EPDM橡膠膜A1制成的內(nèi)囊A的罐B。
在下述實(shí)施例中使用的還原劑包括任何給定濃度的尿素或氨在水中的混合物。然而，可以使用水中任何給定濃度的任何其他還原劑、或任何彼此混合的或純凈的前面提及的液體。通常使用的是水中32.5重量/重量％的尿素或水中25重量/重量％的氨。
權(quán)利要求
1.一種通過提供液體還原劑貯存源并將貯存的還原劑供入廢氣中用于在SCR系統(tǒng)中減少固定或移動(dòng)用途/車輛的柴油機(jī)或渦輪機(jī)廢氣中氮氧化物(NOx)含量的方法，該方法包括從外部貯存罐向一個(gè)或多個(gè)膜貯存罐傳輸液體還原劑，每個(gè)膜貯存罐均裝配有由不滲透柔性膜構(gòu)成的內(nèi)囊，以及位于該內(nèi)囊之外的液壓或氣動(dòng)置換流體；用液體還原劑充滿柔性內(nèi)囊并同時(shí)向膜貯存罐中的置換流體施壓，直至達(dá)到進(jìn)料壓力；通過向柔性內(nèi)囊之外的容積中傳遞更多的液體，增加膜貯存罐中的置換流體的壓力，從而迫使液體還原劑離開柔性內(nèi)囊從柔性內(nèi)囊向廢氣中傳遞液體還原劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說的用于柔性內(nèi)部罐中液體還原劑的氣動(dòng)或液壓置換的流體分別為氣體或液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說的用于柔性內(nèi)部罐中液體還原劑的氣動(dòng)置換的流體為壓縮空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說的用于柔性內(nèi)部罐中液體還原劑的液壓置換的流體為冷卻劑液體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說的用于柔性內(nèi)部罐中液體還原劑的液壓置換的流體為柴油。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中至少兩個(gè)膜貯存罐串聯(lián)可用于液體還原劑的貯存。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的方法，其中所說液體還原劑是尿素水溶液或氨水。
8.一種在權(quán)利要求1的方法中通過提供液體還原劑貯存源并將貯存的還原劑供入廢氣中用于在SCR系統(tǒng)中減少固定或移動(dòng)用途/車輛的柴油機(jī)或渦輪機(jī)廢氣中氮氧化物(NOx)含量的設(shè)備，該設(shè)備包括貯存液體還原劑的外部貯存罐；一個(gè)或多個(gè)膜貯存罐，每個(gè)膜貯存罐均裝配有由不滲透柔性膜構(gòu)成的內(nèi)囊，其適于借助位于該內(nèi)囊之外的液壓或氣動(dòng)置換流體進(jìn)行膨脹和收縮；壓縮設(shè)備，用于調(diào)節(jié)進(jìn)出膜貯存罐的置換流體的流動(dòng)；計(jì)量給料設(shè)備，用于調(diào)節(jié)還原劑流的流動(dòng)；混合設(shè)備，用于將還原劑和空氣混合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中膜貯存罐建于發(fā)動(dòng)機(jī)柴油箱內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中膜貯存罐建于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法和設(shè)備,其通過提供一個(gè)液體還原劑貯存源并將貯存的還原劑供入廢氣中用于在SCR系統(tǒng)中減少固定或移動(dòng)用途/車輛的柴油機(jī)或渦輪機(jī)廢氣中氮氧化物(NO
文檔編號(hào)F04B43/10GK1382517SQ02106418
公開日2002年12月4日 申請(qǐng)日期2002年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月2日
發(fā)明者S·－E·米克爾森, P·L·T·加布里爾松 申請(qǐng)人:赫多特普索化工設(shè)備公司