專利名稱：一種用于固體尿素定量生成氨氣的裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于機動車尾氣處理過程中的脫硝技術領域，具體涉及一種用于固體尿素定量生成氨氣以減少機動車尾氣中氮氧化物的裝置。
背景技術：
近年來，我國汽車產業高速發展，對國民經濟和社會發展做出了重大貢獻。但與此同時，交通堵塞、空氣污染、能源危機等一系列問題也隨之出現。在大城市中由于大量使用公共汽車和柴油貨車，污染十分嚴重，我國每年NOx排放量超過1100萬噸，并且有增長趨勢。機動車尾氣中的NOx對人類及環境危害嚴重，去除尾氣中的NOx成為尾氣后處理過程中亟需解決的問題。氨選擇性催化還原法(NH3-SCR)是目前應用最廣泛、處理效率最高的脫硝技術，其中氨氣作為SCR反應的還原劑，與NOx發生氧化還原反應。常見的氨氣制備系統所使用的原料為液氨和氨水，是以氨的液態和水合物的形式存在，只要加熱即可通過蒸發或者分解過程獲得氨氣，但是由于氨氣有毒，不易儲存，在運輸過程中一旦泄露就會造成重大的安全事故。近年來，人們逐漸使用液體尿素制備氨氣,通過對尿素水溶液的熱解和水解過程得到氨氣。但是尿素水溶液在低溫的情況下，容易結冰，不易儲存；并且在尿素水溶液熱解過程中，為使尿素中的水蒸發，會消耗大部分能量。而固體尿素選擇催化還原技術(SSCR)比傳統SCR技術更為先進，解決了液態尿素選擇催化還原技術的一些難題。該技術利用固體尿素產生氨氣，進入SCR催化器還原NOx，既繼承了液態SCR技術的諸多優點，又解決了液態SCR系統占據空間大、存儲困難等問題，因此固體尿素選擇催化還原技術(SSCR)具有巨大的開發價值和市場應用前景。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于固體尿素定量導出并生成氨氣的裝置，該裝置一定程度上解決了該領域現有技術的不足，具有能耗低、效率優、實用性強、設備簡單、安全性高等優點。本發明所述的用于固體尿素定量導出生成氨氣的裝置，其結構如圖1、2、3所示，該裝置由固態尿素儲存罐I、固態尿素定量導出器2和尿素反應腔3組成；固態尿素儲存罐I安裝在固態尿素定量導出器2的上方，固態尿素定量導出器2和尿素反應腔3獨立地順次安裝在尾氣支流管31上，尾氣支流管31安裝在汽車尾氣管上，其直徑是尾氣管直徑的1/4 1/3，與尾氣管成30度角設置(如圖4所示)。固態尿素儲存罐I可以是不銹鋼材質(或塑膠類等材質)，其體積視應用的車型而定，一般的中重型柴油車(載重量10 60噸)的尿素儲料罐I的體積為10 15L，其是下部為倒錐(圓錐、棱錐等)臺、上部為柱形(圓柱、棱柱等)腔的結構，以方便和固態尿素定量導出器2連接(見圖I)。在尿素儲料罐I內的相應位置設置有尿素余量傳感器11，尿素余量傳感器11可選用光電傳感器等，當尿素余量傳感器11檢測到尿素儲料罐I內尿素余量小于某一設定值時(如尿素儲料罐I體積的1/20 1/10)，尿素余量傳感器11通過信號傳導線101將信號傳送至ECU，ECU通過信號傳導線100將該信息反應給汽車儀表，汽車儀表 警示燈亮起，從而提醒駕駛員向尿素儲料罐I中添加尿素。尿素儲料罐I內的尿素選擇直徑在I毫米以下且干燥的尿素粉末。固態尿素定量導出器2 (不銹鋼材質)如圖2所示，由可控轉動電機21、具有轉軸25的定量轉輪23、具有尿素進口 26和尿素出口 27的外殼22組成。可控轉動電機21的外殼固定安裝在外殼22上，可控轉動電機21通過轉軸25帶動定量轉輪23在外殼22內無滑動地轉動，定量轉輪23表面與外殼22內表面的間隔在O. Imm O. 2mm間。定量轉輪23表面設置有均勻分布的N個直徑D和(D遠大于尿素粉末的尺寸，具體大小可視不同的車型而定)深度L均相同的孔洞24。尿素儲存罐I中的尿素通過尿素進口 26進入到孔洞24內，在定量轉輪23的轉動和重力作用下，每次可以有π D2L/4體積(即孔洞24體積)的尿素粉末通過尿素出口 27自然下落到尾氣支流導管31中。車載ECU控制可控轉動電機21和定量轉輪23的角速度為ω，則一秒內下落到尾氣支流導管31中尿素的導出量ν=Ν(ω/2 π )^D2LM0因為孔洞24的大小相同，所以尿素的導出量完全由定量轉輪23的轉速控制。尿素反應腔3由圓柱形腔體37、安裝在腔體37內的尿素催化劑載體34、熱電阻33、溫度傳感器35和氨氣導出管36組成；熱電阻33環繞設置在圓柱形腔體37的內側，溫度傳感器35設置在圓柱形腔體37內氨氣導出管36出氣口的下方；尿素催化劑載體34為金屬蜂窩載體，其表面涂有HNCO水解催化劑SiO2-Al2O3 (可采用公開號為CN102635427A專利所述的方法在金屬蜂窩載體34上涂覆水解催化劑SiO2-Al2O3X熱電阻33通過信號傳導線301與車載E⑶連接，溫度傳感器35通過信號傳導線300與車載E⑶連接。溫度傳感器35檢測到腔內溫度低于300度就會通過信號傳導線300把信號傳遞給ECU，ECU通過信號傳導線301來控制熱電阻33的啟動；當溫度高于催化劑的溫度上限時(考慮能耗可設置為400度)，傳感器同樣通過傳遞信號給ECU來停止熱電阻的加熱。在熱電阻33和溫度傳感器35的協同作用使催化劑載體的溫度保持在300度 400度。尿素儲存罐I中的尿素粉末通過固態尿素定量導出器2精確的定量導出，在重力作用下進入尾氣支流管31，進入尾氣支流管31的尿素在尾氣的噴氣作用下噴到尿素反應腔3中的尿素催化劑載體34上。灑落在催化劑載體34表面的尿素在催化劑的作用下迅速反應生成氨氣。反應方程式為=H2N-CO-NH2 (s) ==NH3 (g) +HNCO (g)；HNC0+H20==NH3(g)+C02(g)，生成的氨氣在尾氣氣流作用下由氨氣導出管36導出至尾氣管，并與尾氣中的NOx —同進入安裝在尾氣管上的SCR反應器(4)中，從而進行SCR反應。尾氣中NOx濃度可由尾氣管體積與尾氣中氮氧化物濃度確定，尾氣管體積為常量設定在ECU中，ECU通過傳感器采集尾氣中氮氧化物濃度(由信號傳導線200傳到ECU)來控制可控轉動電機21的轉數，從而控制輸出的尿素量。控制生成與排入尾氣管中的NH3量與尾氣管中NOx的摩爾比為I. 5 :1時催化效果最佳(“NH3選擇性非催化還原NO的實驗研究”，熱能動力工程，2010，Vol. 25No. IP. 87-90，曹慶喜、吳少華、劉輝、安強)。ECU與本發明裝置中的各個子裝置相互連接，通過指令傳導線傳送相應信號或指令，協調各部分工作，以完成本發明裝置的整個工作進程。本發明的有益效果為
I、本發明提供的固態尿素定量生成氨氣裝置有效解決了傳統使用溶液或者直接使用氨氣帶來的不便利問題。2、本發明可以應用在溫度低的地區。3、本發明有效利用了尾氣的沖力、不耗費額外的能量、節能環保。4、本發明尿素定量精確、控制性強、設備簡單、安全系數高。5、本發明運用ECU控制，可通過對發動機轉數或者尾氣的排放量的信號。采集來確定轉動電機的轉數，從而使產生的氨氣與尾氣中氮氧化物匹配。
圖I :固體尿素定量導出并生成氨氣裝置的剖面結構示意圖；圖2 :固態尿素定量導出器的剖面結構示意圖；圖3 :尿素反應腔的剖面結構示意圖；圖4 :本發明裝置應用于汽車尾氣管道上的結構示意圖。
具體實施例方式實施例I :圖4給出了本發明的一種實施方案。在這個方案中，本發明所述的固態尿素生成氨氣裝置安裝在位于廢氣管道中的SCR處理器4的前面。本實施方案以應用于解放商用車為例(載重量5噸)，尿素儲料罐I的體積為10L，如果尿素儲存罐中的尿素少于O. 5L時，尿素余量傳感器11 (紅外劑量傳感器，可以選用類似日本SHARP生產的GP2Y0A41SK0F紅外線測距傳感器)將信號經由101傳遞給ECU (可選用型號為EDC7-6DL2的車用E⑶，一汽錫柴B0SCH、DENS0系統中均有使用)，E⑶會把余量不足的信息通過信號傳導線100傳遞給汽車控制面板，以提醒駕駛員添加尿素。當發動起啟動時，位于尾氣管中的尾氣傳感器(可選用電化學氣體傳感器，精度為Ippm,屬于電信號傳感器,型號可選用A-21氣體傳感器,生產廠家為上海森創電子科技發展有限公司)采集尾氣NOx濃度信號，并將尾氣NOx濃度信號通過信號傳導線200傳送給ECU，ECU計算NOx的摩爾量并通過信號傳導線201向可控轉動電機21發出指令，這樣定量轉輪23的轉動角速度就取決于尾氣NOx摩爾量的大小。定量轉輪23表面設置四個直徑是4mm、深度為3mm的孔洞24，如果某一秒內尾氣NOx信號在ECU計算后要求轉動電機角速度為2 π rad/s,則此一秒內流出尿素粉末的體積為V=4 ± π D2L/4=0. 15mL。尿素的密度為
I.335g/cm3,尿素流出質量為O. 2g/s,生成的氨氣為O. 0066mol/s。通過定量轉輪23導出的尿素在尾氣支流管31 (位于尾氣管的位置a處)中氣流作用下被吹撒在尿素反應腔3中的尿素催化劑載體34上，在高溫作用下尿素發生分解反應:H2N-CO-NH2 (s) =NH3 (g) +HNCO (g);生成的HNCO (g)在尿素催化劑載體34上(金屬蜂窩載體選用的金屬載體為北京北冶功能材料有限公司出售的耐高溫(700 900°C )的Ni-Cr-Fe合金材料，其中Ni質量含量35 %，Cr質量含量20 %，Fe質量含量45 %，金屬蜂窩載體孔徑密度為300目。金屬蜂窩載體的形狀尺寸與反應腔相匹配，反應腔長200mm，直徑100mm)涂覆的異氰酸水解催化劑SiO2-Al2O3的作用下發生水解反應HNC0+H20=NH3 (g) +CO2 (g)，生成氨氣。此時若反應腔內溫度低于300度，溫度傳感器35 (可選用常用的熱電阻溫度傳感器，精度為O. 001 Mn DS18B20溫度傳感器)將采集的信號通過信號傳導線300傳至E⑶，ECU根據接收的信號來控制加熱電阻33 (可選用鐵鉻鋁合金熱電阻絲)的工作。以保證反應腔內溫度最適于尿素的分解，同理也根據溫度傳感器來控制反應腔內的溫度不超過400度。被噴撒在催化劑載體34上的尿素粉末迅速分解成氨氣，生成的氨氣在尾氣支流管31中氣流作用下由氨氣導管36導入(位于尾氣管的位置b處)尾氣管道進行SCR反應。當汽車發動機停止時，尾氣傳感器將信號傳至E⑶，由E⑶控制各個單元停止工作。
權利要求
1.一種用于固體尿素定量導出生成氨氣的裝置，其特征在于該裝置由固態尿素儲存罐(I)、固態尿素計量導出器(2)和尿素反應腔(3)組成；固態尿素儲存罐(I)安裝在固態尿素計量導出器(2)的上方，固態尿素定量導出器2和尿素反應腔3獨立地順次安裝在尾氣支流管31上，尾氣支流管(31)安裝在尾氣管上，其直徑為尾氣管直徑的1/4 1/3，其與尾氣管成30度角設置；固態尿素定量導出器(2)由可控轉動電機(21)、具有轉軸(25)的定量轉輪(23)、具有尿素進口(26)和尿素出口(27)的外殼(22)組成；可控轉動電機(21)的外殼固定安裝在外殼(22)上，可控轉動電機(21)通過轉軸(25)帶動定量轉輪(23)在外殼(22)內無滑動地轉動，定量轉輪(23)表面與外殼(22)內表面的間隔在O. Imm O. 2mm間；定量轉輪(23)表面設置有均勻分布的N個直徑D和深度L均相同的孔洞24;尿素儲存罐(I)中的尿素通過尿素進口(26)進入到孔洞(24)內，在定量轉輪(23)的轉動和重力作用下，每次可以有jiD2L/4體積的尿素粉末通過尿素出口(27)自然下落到尾氣支流導管(31)中；通過車載ECU控制可控轉動電機(21)和定量轉輪(23)的角速度為ω，則一秒內下落到尾氣支流導管31中尿素的導出量 ν=Ν(ω/2 π ) π D2L/4 ；尿素反應腔(3)由圓柱形腔體(37)、安裝在腔體(37)內的尿素催化劑載體(34)、熱電阻(33)、溫度傳感器(35)和氨氣導出管(36)組成；熱電阻(33)環繞設置在圓柱形腔體(37)的內側,溫度傳感器(35)設置在圓柱形腔體(37)內氨氣導出管(36)出氣口的下方；尿素催化劑載體(34)為金屬蜂窩載體，其表面涂有HNCO水解催化劑SiO2-Al2O3 ；下落到尾氣支流管(31)中的尿素在尾氣支流的氣流作用下被噴灑到尿素催化劑載體(34)表面，在催化劑的作用下迅速反應生成氨氣，生成的氨氣通過氨氣導出管(36)進入到尾氣管，并與尾氣中的NOx —同進入安裝在尾氣管上的SCR反應器(4)中，從而進行SCR反應。
2.如權利要求I所述的一種用于固體尿素定量導出生成氨氣的裝置，其特征在于固態尿素儲存罐(I)為不銹鋼或塑膠類材質，是下部為倒錐臺、上部為柱形腔的結構。
3.如權利要求I所述的一種用于固體尿素定量導出生成氨氣的裝置，其特征在于在尿素儲料罐(I)內的相應位置設置有尿素余量傳感器(11)。
4.如權利要求I所述的一種用于固體尿素定量導出生成氨氣的裝置，其特征在于尿素儲料罐(I)內的尿素選擇直徑在I毫米以下且干燥的尿素粉末。
5.如權利要求I所述的一種用于固體尿素定量導出生成氨氣的裝置，其特征在于熱電阻(33)和溫度傳感器(35)的協同作用使尿素催化劑載體(34)的溫度保持在300度 400 度。
6.如權利要求I所述的一種用于固體尿素定量導出生成氨氣的裝置，其特征在于進入尾氣管中的NH3與尾氣管中NOx的摩爾比為I. 5 :1。
全文摘要
本發明屬于機動車尾氣處理過程中的脫硝技術領域，涉及一種用于固體尿素定量生成氨氣以減少機動車尾氣中氮氧化物的裝置。由固態尿素儲存罐、固態尿素定量導出器和尿素反應腔組成；尿素儲存罐中的尿素粉末通過固態尿素定量導出器精確的定量導出，在重力作用下進入尾氣支流管，在尾氣的噴氣作用下噴到尿素反應腔中的尿素催化劑載體上。灑落在催化劑載體表面的尿素在催化劑的作用下迅速反應生成氨氣，生成的氨氣在尾氣氣流作用下由氨氣導出管導出至尾氣管，并與尾氣中的NOx一同進入安裝在尾氣管上的SCR反應器中，從而進行SCR反應。該裝置一定程度上解決了該領域現有技術的不足，具有能耗低、效率優、實用性強、設備簡單、安全性高等優點。
文檔編號F01N3/20GK102943703SQ20121052450
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者韓煒, 李駿, 王磊, 張賀, 付成偉, 周亮, 張克金, 張苡銘, 林泰哲, 王拓 申請人:吉林大學