CN102720575A

CN102720575A - 单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元

Info

Publication number: CN102720575A
Application number: CN2012102201595A
Authority: CN
Inventors: 张克金; 崔龙; 陈慧明; 王金兴; 荣常如; 姜涛; 安宇鹏
Original assignee: FAW Group Corp
Current assignee: FAW Group Corp
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: CN102720575B

Abstract

本发明涉及一种单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于：电子控制单元信号输出端通过信号线与电磁阀、比例阀连接，压力传感器、耐压罐温度传感器、尾气入口温度传感器、NO_X传感器与电子控制单元信号输入端连接，防冻液输送管位于耐压罐内部部分呈现盘管分布，耐压罐内填充固体储氨材料，耐压罐温度传感器感应端插入固体储氨材料中，压力传感器感应端位于耐压罐内但不与固体储氨材料接触，空气过滤器通过还原气体输送管与还原剂导管连接，还原剂导管喷嘴端探入尾气进入管管内，比例阀位于还原气体输送管管路上，尾气入口温度传感器、NO_X传感器的感应端探入尾气进入管管路内，尾气进入管连接SCR后处理器进气端，SCR后处理器出气端连接尾气排出管；其采用了活性材料、多孔材料以及粘结剂组成的组合物作为储氨和放氨的载体；提高了充放氨的效率，简化系统，提高可靠性，也大幅度的降低成本，消除大规模工业推广应用的障碍。

Description

单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元

技术领域

本发明涉及一种单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，应用于汽车尾气的SCR后处理行业，也适用于燃料电池的FCEV储能系统。

背景技术

当前，全球面临能源和环境的综合挑战。在传统汽车的排放达标的技术手段选择方面，人们仍然面临不少的难题，例如，如何选择后处理的技术方式等方面。

SCR (Selective Catalytic Reduction)催化转化还原技术是传统的后处理技术。这种采用液体尿素的传统的SCR技术的本质是利用尿素在高温下分解出氨，作为还原剂的氨和发动机排气中的NOX在催化剂和温度的综合作用下进行反应，理想工况下生成无毒的N₂和H₂O，从而达到净化的目的。

传统的SCR具有很多优点，例如，可以在排气温度250~550oC的范围内具有50~85%的NOX去除效率，并能有效降低PM的排放水平；传统的SCR能轻松满足欧4和欧5水平，也具有达到欧6水平的潜力；目前达到欧4采用的传统的SCR技术，发动机的燃油耗可降低3~6％；传统的SCR催化剂不含有贵金属，比成本相对较低；传统的SCR对车用燃油的质量，特别是硫含量不敏感。基于以上分析，传统的SCR后处理技术也比较适合中国的车辆状况和车用燃油状况。

如果在中国推广应用传统的车载SCR后处理技术，必须解决好载体、催化剂、尿素还原剂补加供应网络、尿素还原剂的剂量、尿素还原剂的雾化喷射、SCR催化剂转换效率、氨泄露量以及系统匹配等至关重要的技术难点。

机动车的排放标准的每一次升级，都对汽车行业产生这样或那样的冲击效应。中国的国4标准多次推迟实施的时间表，不仅仅是燃油标准不同步的唯一原因，也面临复杂的社会配套体系和液体的尿素还原剂社会化的服务设施建设的问题，例如，国4标准实施后，立即会对传统的SCR系统运转所需的ECU（控制单元）和DCU（计量单元）产生需求，考虑到目前的车载ECU等电控系统都是进口产品，国内企业自主开发的DCU很难与之进行通讯匹配，反之，如果ECU和DCU系统100%的采用进口品，不仅仅价格很高，用户难以接受，而且存在货源非常紧张的问题，还面临复杂的售后服务技术和成本的问题，制约了整个汽车行业的发展和进步。此外，传统的SCR系统所用的液体尿素还原剂面临冬季结冰和保温解冻的问题，这也造成了传统的SCR系统复杂和稳定性差的原因。

因此，如何获得低成本和高性能的后处理系统是推进该领域技术进步的核心内容。无机盐对氨吸附解吸特性可以作为未来的SCR系统的不错的技术选择。

工业级的一些盐类，例如，氯化锶、氯化镁或氯化钙等氯化物以及它们的混合物，同氨配合使用的系统，即上述的氯化物和氨的吸附解吸过程的吸热和放热现象，已经成熟的应用于工业的大型冷库的制冷系统。

上述无水的氯化物和氨进行化学吸附是通用的化学原理，理论上一个分子的氯化物可以吸附6~8个分子的氨，形成稳定的络合物，加热时氨脱出，随着研究的深入，人们发现，这些氯化物和氨的吸附解吸模型和化学原理完全可以应用于机动车尾气净化的SCR系统。

在国家专利信息网，以储氨为主题词检索，专利号为CN201120099229.7的‘一种气相法乌洛托品尾气氨回收装置’、专利号为CN201020677361.7的‘用于冷库机房的配氨连接机构’和专利号为CN201020269811.9的‘复合功能型储氨器’不涉及到本发明中的特征成分。专利号为CN200520057558.X的‘一种蒸氨装置’的专利是一种对氨氮工业废水进行氨氮排脱处理的环保治理装置，也不涉及到本发明中的特征成分。同本发明不相关。

专利申请号为CN201010244091.5的‘用于对SCR催化剂的工作进行检验的方法和系统’和专利号为CN200880104697.X的‘SCR排气后处理系统的运行方法及诊断方法’的2个发明提供了一种用于选择性催化还原（SCR）催化转化器和传统液体尿素分解的氨配给模块和控制系统，没有涉及到本发明的特征成分。

专利申请号为CN200910197860.8的‘一种高效低温储氨材料的制备方法’的发明应用于SCR后处理系统，特征是采用氨基硼烷氨络合物氨BH3(NH3)n(n＝1~3)；室温最大储氨量可达62.4wt%，但是，考虑到氨基硼烷的价格昂贵，具有较高的爆炸和燃烧等级，不适合普通工业领域的大批量推广应用。

专利申请号为CN200580026626.9的‘存储和输送氨的固体材料’的发明涉及存储和输送氨的固体材料。该存储氨的固体材料包括M_a(NH3)_nX_z的离子性盐，把盐固体料通过模具直接高压成型，例如，制成圆柱状体，然后把很多这种圆柱状体排列在一起。该专利的最大缺点是圆柱状体过于密实，每次的氨解吸完成后再进行氨的饱和吸附需要很长时间，例如4~6小时，效率很低，这对于汽车上应用的SCR储氨系统来讲非常的不方便，成为限制其应用的原因。

专利申请号为CN200580009219.7的‘储氨装置在能量生产中的用途’，该发明涉及一种发电单元，包含通式为M_a(NH3)_nXz的氨吸收与释放盐，该专利主要主要适用于燃料电池系统。在该专利的权利要求4中提到了特征物质为该类盐或位于多孔载体材料上，并没有声明是何种多孔材料，本专业技术人员无法实施。

专利申请号为CN200710156866.1的‘一种氨基络合物及其制备方法和用途’的发明公开了一种氨基络合物及其制备方法和用途。该氨基络合物的成分为MX_m(NH3)_n，该发明对合成氨工艺所用循环气中氨的分离。权利要求仅仅涉及到该氨基金属络合物的制备工艺过程。

专利申请号为CN200680005886.2的‘氨的高密度存储’的专利包含氨吸收/解吸固体材料的固体氨存储和输送材料，所述已被压实到密度大于理论骨架密度的50％的存储和输送材料提供固体氨存储材料，该专利所述的金属盐固体料也是直接模压成型，声明采用了粘结剂，仅仅声明了可能是采用了二氧化硅纤维粘结剂，也并没有加量比例，没有明确说明其它所采用的成分的细项，本专业的技术人员几乎无法实施。

上述专利的检索和分析表明，以活性储氨化合物来吸附和解析氨，形成了在车辆上应用的后处理系统还没见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其采用了活性材料、多孔材料以及粘结剂组成的组合物作为储氨和放氨的载体；发动机冷却液的余热进行加热，依靠控制单元和一组电磁阀或比例阀，实现氨的剂量输送并方便的导入SCR后处理系统，实现对NOX的去除；提高了充放氨的效率，简化系统，提高可靠性，也大幅度的降低成本，消除大规模工业推广应用的障碍。

本发明的技术方案是这样实现的：一种单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，由发动机、防冻液输送管、电磁阀、耐压罐、固体储氨材料、空气过滤器、加料口、压力传感器、备用管阀、耐压罐温度传感器、还原气体输送管、电子控制单元、比例阀、尾气入口温度传感器、 NOX传感器、还原剂导管、尾气进入管、尾气排出管、 SCR后处理器组成，其特征在于：电子控制单元信号输出端通过信号线与电磁阀、比例阀连接，压力传感器、耐压罐温度传感器、尾气入口温度传感器、 NOX传感器通过信号线与电子控制单元信号输入端连接，防冻液输送管与发动机的防冻液系统上串联或并联, 防冻液输送管从耐压罐穿过，防冻液输送管位于耐压罐内部部分呈现盘管分布，电磁阀位于防冻液输送管管路上，耐压罐内填充固体储氨材料罐体体积容量的40%，耐压罐顶端有空气过滤器、加料口、压力传感器、备用管阀、耐压罐温度传感器，其中耐压罐温度传感器感应端插入固体储氨材料中，压力传感器感应端位于耐压罐内但不与固体储氨材料接触，空气过滤器通过还原气体输送管与还原剂导管连接，还原剂导管喷嘴端探入尾气进入管管内，比例阀位于还原气体输送管管路上，尾气入口温度传感器、 NOX传感器连接在尾气进入管上，尾气入口温度传感器、 NOX传感器的感应端探入尾气进入管管路内，尾气进入管连接SCR后处理器进气端，SCR后处理器出气端连接尾气排出管。

所述的固体储氨材料制备与填充方法如下：按重量份数采用工业的无水氯化镁58份，膨胀石墨2份，去离子水15份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，通过机械的和面机搅拌均匀成湿态的粉料，混合时间5~15min，通过加料口填充到耐压罐中，采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min，去除其中的空气间隙，固体储氨材料填充致罐体体积容量的40%即可；整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热时敞开加料口排出水蒸汽和酒精蒸汽，70℃保持30min，然后在70℃下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min。

所述的无水氯化镁也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，可以是氯化锶、氯化镍、氯化铜或氯化钙能和NH3形成络合物的氯化物。

所述的耐压罐是不锈钢材质的耐压罐体，罐体的厚度为4~5mm，圆柱形，罐体内部热喷涂一层尼龙保温层。

本发明的积极效果是完成一次充氨后，可以保证车辆行驶的里程为20000~40000km，提高了充放氨的效率，简化系统，提高可靠性，也大幅度的降低成本，具有很高的实用性、经济性和先进性。

附图说明

图1是本发明的附图。

具体实施方式

下面通过附图与实施例对本发明作进一步说明：如图1所示，一种单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，由发动机1、防冻液输送管2、电磁阀3、耐压罐4、固体储氨材料5、空气过滤器6、加料口7、压力传感器8、备用管阀9、耐压罐温度传感器10、还原气体输送管11、电子控制单元12、比例阀13、尾气入口温度传感器14、 NOX传感器15、还原剂导管16、尾气进入管17、尾气排出管18、 SCR后处理器19组成，其特征在于：电子控制单元12信号输出端通过信号线与电磁阀3、比例阀13连接，压力传感器8、耐压罐温度传感器10、尾气入口温度传感器14、 NOX传感器15通过信号线与电子控制单元12信号输入端连接，防冻液输送管2与发动机1的防冻液系统上串联或并联, 防冻液输送管2从耐压罐4穿过，防冻液输送管2位于耐压罐4内部部分呈现盘管分布，电磁阀3位于防冻液输送管2管路上，耐压罐4内填充固体储氨材料5罐体体积容量的40%，耐压罐4顶端有空气过滤器6、加料口7、压力传感器8、备用管阀9、耐压罐温度传感器10，其中耐压罐温度传感器10感应端插入固体储氨材料5中，压力传感器8感应端位于耐压罐4内但不与固体储氨材料5接触，空气过滤器6通过还原气体输送管11与还原剂导管16连接，还原剂导管16喷嘴端探入尾气进入管17管内，比例阀13位于还原气体输送管11管路上，尾气入口温度传感器14、 NOX传感器15连接在尾气进入管17上，尾气入口温度传感器14、 NOX传感器15的感应端探入尾气进入管17管路内，尾气进入管17连接SCR后处理器19进气端，SCR后处理器19出气端连接尾气排出管18。

所述的固体储氨材料5制备与填充方法如下：按重量份数采用工业的无水氯化镁58份，膨胀石墨2份，去离子水15份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，通过机械的和面机搀和均匀成为湿态的粉料，混合时间5~15min，通过加料口7填充到耐压罐4中，采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min，去除其中的空气间隙，固体储氨材料5填充致罐体体积容量的40%即可；整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热时敞开加料口7排出水蒸汽和酒精蒸汽，70℃保持30min，然后在70℃下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min；

所述的无水氯化镁也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，例如氯化锶、氯化镍、氯化铜或氯化钙等能和NH3形成络合物的氯化物。

实施例1

选择厚度为4mm的SUS304板首先焊接成内径为300mm，高度为330mm的不锈钢桶，顺序完成冷却液循环管路以及盘管的焊接，完成底部的焊接，桶的内壁热喷涂尼龙粉一次，注意加热盘管不喷涂尼龙；完成上部封盖的焊接，并在上部封盖上完成加料口7、压力传感器8、备用管阀9、耐压罐温度传感器10、还原气体输送管11和过滤器6，完成了耐压罐4相关部分的连接；打压试漏，确保密封和焊接质量满足要求；

按重量份数采用工业的无水氯化镁58份，膨胀石墨2份，去离子水15份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，制备混合物10kg；采用机械的和面机搀和均匀成为湿态的粉料，混合时间10min，通过加料口7逐步填充到耐压罐4中，期间采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min；把整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热干燥时加料口7是敞开的；此温度下保持30min，然后在此温度下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min；完成固体储氨材料5的制作和装填。

完成固体储氨材料5加装的耐压罐4，通过备用管阀9采用高纯工业氨瓶，进行充氨；在自然通风的环境下进行，事先把耐压罐4放入一个水量足够大的冷却水的水槽中，连接氨钢瓶，通过减压阀和干燥系统，在0.1Mpa的出口压力范围内缓缓的进行充氨，充氨时间为3h；在进行充氨前后称重耐压罐4，确认充入的氨的净质量大于8kg；完成充氨后，整个系统的阀门关闭，确保不泄露；

然后连接相关的电子控制单元12、比例阀13、NOX传感器15、还原剂导管16、尾气入口17、尾气排出口18、SCR后处理器19；并与一台8.6L的国4发动机试验台架相连接，冷却液管并联到冷却系统，启动上述系统，发动机运转5min后，系统压力显示为0.15Mpa，启动系统，设定氨气的供给量为理论需求量的90%，开始测试，在6个工况下测试发动机的NOX转化率，在氨泄漏量小于10ppm的情况下，NOX转化率维持在61~87%范围内。

防冻液输送管2是和发动机1冷却液循环的管路并联方式为主，对于轻型车也可以使用的串联方式；防冻液输送管2的加热盘管是不锈钢钢管，在耐压罐4罐体制备的期间和罐体焊接在一起；防冻液输送管2流经耐压罐4的防冻液的量由耐压罐温度传感器10反馈到电子控制单元12的信号来控制，当温度超过90℃关闭，氨的解析速度达到最大值，在罐中产生过量的氨无法消耗掉，此时通过电子控制单元12的信号来关闭电磁阀3，停止发动机冷却液的流动，防止热量的继续输入；停车时，SCR后处理器19停止工作，不再需要氨，此时通过电子控制单元12的信号来关闭电磁阀3，停止发动机冷却液的流动，防止热量的继续输入；另外，当耐压罐4罐体内的压力超过压力传感器8的限压0.8Mpa时，也是通过电子控制单元12的信号来关闭电磁阀3，停止发动机冷却液的流动，防止热量的继续输入；

耐压罐4罐体上部的氨出口方向安装了空气过滤器6，确保罐体内的无机粉料不会进入管路系统而堵塞精密器件；罐体在加入固体储氨材料5后拧紧加料口7；压力传感器8也是一个自动的限压阀，确保过压系统的自动泄压；

在罐体上完成安装备用管阀9，活性气体的通入和吸附的完成是通过备用管阀9进行的；可以采用高纯工业氨瓶，在自然通风的环境下，考虑到氨的吸附是放热过程，把系统的热量及时的移出是保证氨快速吸附的关键，因此，事先把耐压罐4放入一个水量足够大的水槽中，连接氨钢瓶，通过减压阀和干燥系统，在0.02~0.2Mpa的出口压力范围内缓缓的进行充氨，充氨时间为2~3h；在进行充氨前后称重耐压罐4，确认充入的氨的净质量在预定范围内；完成充氨后，整个系统的阀门关闭，确保不泄露；

耐压罐4完成充氨后，安装位置是和SCR后处理器19在车辆的一侧，以便减少管路的长度，减少系统响应的时间，增加系统响应灵敏度；

当发动机的排温或NOX水平达到某一水平时，电子控制单元12控制比例阀13的开度，实现氨到SCR后处理器19的输送变化，满足车辆不同工况下对NOX脱除的需求。

同样，把上述系统装配到一台重型卡车上，根据车辆正常运行和该机型的NOX排放的MAP图，设定氨气的供给量为理论需求量的80%，冷却液管并联到冷却系统，在17000km时，该系统仍有氨供应，实车测量满载时NOX转化率结果在38~53%范围内，满足设计要求。

Claims

1.一种单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，由发动机、防冻液输送管、电磁阀、耐压罐、固体储氨材料、空气过滤器、加料口、压力传感器、备用管阀、耐压罐温度传感器、还原气体输送管、电子控制单元、比例阀、尾气入口温度传感器、 NOX传感器、还原剂导管、尾气进入管、尾气排出管、 SCR后处理器组成，其特征在于：电子控制单元信号输出端通过信号线与电磁阀、比例阀连接，压力传感器、耐压罐温度传感器、尾气入口温度传感器、 NOX传感器通过信号线与电子控制单元信号输入端连接，防冻液输送管与发动机的防冻液系统上串联或并联, 防冻液输送管从耐压罐穿过，防冻液输送管位于耐压罐内部部分呈现盘管分布，电磁阀位于防冻液输送管管路上，耐压罐内填充固体储氨材料罐体体积容量的40%，耐压罐顶端有空气过滤器、加料口、压力传感器、备用管阀、耐压罐温度传感器，其中耐压罐温度传感器感应端插入固体储氨材料中，压力传感器感应端位于耐压罐内但不与固体储氨材料接触，空气过滤器通过还原气体输送管与还原剂导管连接，还原剂导管喷嘴端探入尾气进入管管内，比例阀位于还原气体输送管管路上，尾气入口温度传感器、 NOX传感器连接在尾气进入管上，尾气入口温度传感器、 NOX传感器的感应端探入尾气进入管管路内，尾气进入管连接SCR后处理器进气端，SCR后处理器出气端连接尾气排出管。

2.根据权利要求1中所述的一种单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于所述的固体储氨材料制备与填充方法如下：按重量份数采用工业的无水氯化镁58份，膨胀石墨2份，去离子水15份，工业乙醇10份和工业球粘土15份，通过机械的和面机搅拌均匀成为湿态的粉料，混合时间5~15min，通过加料口填充到耐压罐中，采用机械震荡的方法震荡该耐压罐体5~10min，去除其中的空气间隙，固体储氨材料填充致罐体体积容量的40%即可；整个罐体放入真空烘箱中，常压下从室温25℃开始加热，平均5℃/10min，升温到70℃，加热时敞开加料口排出水蒸汽和酒精蒸汽，70℃保持30min，然后在70℃下启动真空泵，逐步抽真空，分三次使真空度达到550mabr，保温保压30min。

3.根据权利要求2中所述的固体储氨材料，其特征在于所述的无水氯化镁也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，氯化锶、氯化镍、氯化铜或氯化钙能和NH3形成络合物的氯化物。

4.根据权利要求1中所述的一种单级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于所述的耐压罐是不锈钢材质的耐压罐体，罐体的厚度为4~5mm，圆柱形，罐体内部热喷涂一层尼龙保温层。