CN102733913A

CN102733913A - 双级余热方式储氨供氨的后处理控制单元

Info

Publication number: CN102733913A
Application number: CN2012102241677A
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: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: CN102733913B

Abstract

本发明涉及一种双级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于：采用发动机的回流冷却液的余热，加热活性的储氨化合物，释放出氨，根据发动机排气工况水平，依靠控制单元把氨导入SCR后处理器的前端，实现无液体尿素输送喷射和雾化分解的SCR系统；所不同的是该系统有两个活性材料储罐，启动车辆时首先激活副储氨罐，快速响应，减少冷启动时的污染物排放；该系统具备灵活的特点，不仅能满足车辆低温冷启动时排放控制目标，价廉，可靠性高，使用方便；用于SCR国4以上系统，也可以应用于FCEV系统，满足未来汽车工业的应用需求，具有实用价值。

Description

双级余热方式储氨供氨的后处理控制单元

技术领域

本发明涉及一种双级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，主要应用于汽车尾气的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双级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其通过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；简化系统，提高可靠性，大幅度的降低成本。

本发明的技术方案是这样实现的：双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、主储氨罐、副储氨罐、空气过滤器、加料口、压力传感器、储氨罐温度传感器、备用管阀、还原气体输送管、比例阀、电子控制单元、进气管温度传感器、NOX传感器、还原剂导管、尾气进气管、尾气排出管、SCR后处理器、固体储氨材料、导管、电子控制单元组成；其特征在于：发动机上连接的防冻液输送管穿过主储氨罐、副储氨罐，位于主储氨罐、副储氨罐内部的防冻液输送管呈螺旋管盘式结构，防冻液输送管管路上有电磁阀，主储氨罐、副储氨罐内部填充固体储氨材料，填充量为罐体体积的40%，主储氨罐、副储氨罐顶端开有加料口，连接有压力传感器、储氨罐温度传感器，压力传感器感应端探入罐体内部但不接触固体储氨材料，储氨罐温度传感器感应端插入固体储氨材料中，主储氨罐上有备用管阀，导管两端通过空气过滤器与主储氨罐、副储氨罐连接，导管管路上有一个比例阀，两条还原气体输送管分别连接主储氨罐、副储氨罐，连接点有空气过滤器，还原气体输送管另一端并联成还原剂导管，还原剂导管喷嘴位于尾气进气管管内，尾气进气管与SCR后处理器进气端连接，尾气进气管管路上连接进气管温度传感器、NOX传感器，进气管温度传感器、NOX传感器的感应端位于管路内部，SCR后处理器出气端与尾气排出管连接，压力传感器、储氨罐温度传感器、进气管温度传感器、NOX传感器通过信号线与电子控制单元信号接收端连接，电子控制单元通过电源信号线连接比例阀、电磁阀。

所述的固体储氨材料的制备与填充方法如下：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，上述材料采用机械的和面机搀和均匀成为湿态的粉料，混合时间5~15min，通过加料口填充到主储氨罐、副储氨罐中，采用机械震荡的方法震荡主储氨罐、副储氨罐罐体5~10min，去除其中的空气间隙，加料量应该致罐体体积容量的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℃，加热干燥时加料口敞开，排出水蒸汽和酒精蒸汽；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-10Kpa，保温保压30min。

所述的无水氯化钙也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，可以是氯化锶或氯化镁等能和NH₃形成络合物的氯化物。

本发明的积极效果是系统一次充氨后，可以保证车辆行驶的里程为20000~40000km，具有充分的实用性、经济性和先进性；该技术在车载SCR上应用具有现实的意义。

附图说明

图1为本发明的系统布置图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：如图1所示，双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、主储氨罐4、副储氨罐5、空气过滤器6、加料口7、压力传感器8、储氨罐温度传感器9、备用管阀10、还原气体输送管11、比例阀12、电子控制单元13、进气管温度传感器14、NOX传感器15、还原剂导管16、尾气进气管17、尾气排出管18、SCR后处理器19、固体储氨材料20、导管21、电子控制单元22组成；其特征在于：发动机1上连接的防冻液输送管2穿过主储氨罐4、副储氨罐5，位于主储氨罐4、副储氨罐5内部的防冻液输送管2呈螺旋管盘式结构，防冻液输送管2管路上有电磁阀3，主储氨罐4、副储氨罐5内部填充固体储氨材料20，填充量为罐体体积的40%，主储氨罐4、副储氨罐5顶端开有加料口7，连接有压力传感器8、储氨罐温度传感器9，压力传感器8感应端探入罐体内部但不接触固体储氨材料20，储氨罐温度传感器9感应端插入固体储氨材料20中，主储氨罐4上有备用管阀10，导管21两端通过空气过滤器6与主储氨罐4、副储氨罐5连接，导管21管路上有一个比例阀12，两条还原气体输送管11分别连接主储氨罐4、副储氨罐5，连接点有空气过滤器6，还原气体输送管11另一端并联成还原剂导管16，还原剂导管16喷嘴位于尾气进气管17管内，尾气进气管17与SCR后处理器19进气端连接，尾气进气管17管路上连接进气管温度传感器14、NOX传感器15，进气管温度传感器14、NOX传感器15的感应端位于管路内部，SCR后处理器19出气端与尾气排出管18连接，压力传感器8、储氨罐温度传感器9、进气管温度传感器14、NOX传感器15通过信号线与电子控制单元22信号接收端连接，电子控制单元22通过电源信号线连接比例阀12、电磁阀3.

所述的固体储氨材料20的制备与填充方法如下：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，上述材料采用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填充到主储氨罐4、副储氨罐5中，采用机械震荡的方法震荡主储氨罐4、副储氨罐5罐体5~10min，去除其中的空气间隙，加料量应该致罐体体积容量的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℃，加热干燥时加料口7敞开，排出水蒸汽和酒精蒸汽；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-10Kpa，保温保压30min；

所述的无水氯化钙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、氯化铜或氯化镁等能和NH3形成络合物的氯化物。

实施例

为了保证系统在较高压力下安全性，主储氨罐4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，以便与冬天的保温；主储氨罐4和副储氨罐5的制备顺序是先焊接成筒状的罐体，罐内热喷涂尼龙保温层，保温涂层对于北方的车辆用户很有意义，南方的车辆用户可以不加保温涂层；当然，也可以采用外保温涂层的办法，例如，在罐体的外部喷涂保温涂料，或者是直接用保温被保温；筒体的上部采用法兰盘连接，相应的部件事先装配在法兰盖上；桶的内壁热喷涂尼龙粉一次；取一片小于罐体内径2mm的50ppi的镍基泡沫金属饼，钻好温度传感器插孔和加料管插孔，固定在罐体内部；焊接罐的底板，焊接罐的上盖板；此外，本发明的罐体是采用不锈钢材料，也可以采用类似PP和PE的管材替代；

本发明的余热方式是指采用发动机冷却液的余热来加热活性物以便其在合适的情况下释放出氨；考虑到发动机冷却液的温度最高可以达到120℃，而本体系所需的余热仅需要65~80℃的热源，因此，本发明的系统中的防冻液输送管2是和发动机冷却液循环的管路并联方式为主，也可以使用串联方式；防冻液输送管2的加热盘管是不锈钢钢管，在主储氨罐4、副储氨罐5罐体制备的期间和罐体焊接在一起；

防冻液输送管2流经主储氨罐4和副储氨罐5的防冻液的量由储氨罐温度传感器9反馈到电子控制单元22的信号来控制，车辆启动时，冷却液首先把容量较小的副储氨罐5加热到起活温度，释放出氨气，满足冷启动的要求；当温度超过80℃时，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22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；此外，停车时，SCR后处理器19停止工作，不再需要氨，此时也是通过电子控制单元22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，当罐体内的压力超过压力传感器的限压0.8Mpa时，也是通过电子控制单元22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；

罐体上部的氨出口方向都安装了过滤器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；罐体在加入活性材料后拧紧加料口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10，储氨罐温度传感器9以及还原气体输送管11；

活性气体的通入和吸附的完成是通过备用管阀10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，事先把主储氨罐4和副储氨罐5分别放入，或一起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主储氨罐4和副储氨罐5，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；

本发明的主储氨罐4和副储氨罐5的不锈钢耐压罐完成充氨后，作为该系统的最主要的特征部件，推荐它在车上的安装位置是和SCR后处理器在车辆的一侧，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；

本发明的系统工作中是由预先设定的程序的电子控制单元22来控制，当发动机1的排温或NOX水平达到某一水平是，电子控制单元22控制比例阀12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。

Claims

1.双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、主储氨罐、副储氨罐、空气过滤器、加料口、压力传感器、储氨罐温度传感器、备用管阀、还原气体输送管、比例阀、电子控制单元、进气管温度传感器、NOX传感器、还原剂导管、尾气进气管、尾气排出管、SCR后处理器、固体储氨材料、导管、电子控制单元组成；其特征在于：发动机上连接的防冻液输送管穿过主储氨罐、副储氨罐，位于主储氨罐、副储氨罐内部的防冻液输送管呈螺旋管盘式结构，防冻液输送管管路上有电磁阀，主储氨罐、副储氨罐内部填充固体储氨材料，填充量为罐体体积的40%，主储氨罐、副储氨罐顶端开有加料口，连接有压力传感器、储氨罐温度传感器，压力传感器感应端探入罐体内部但不接触固体储氨材料，储氨罐温度传感器感应端插入固体储氨材料中，主储氨罐上有备用管阀，导管两端通过空气过滤器与主储氨罐、副储氨罐连接，导管管路上有一个比例阀，两条还原气体输送管分别连接主储氨罐、副储氨罐，连接点有空气过滤器，还原气体输送管另一端并联成还原剂导管，还原剂导管喷嘴位于尾气进气管管内，尾气进气管与SCR后处理器进气端连接，尾气进气管管路上连接进气管温度传感器、NOX传感器，进气管温度传感器、NOX传感器的感应端位于管路内部，SCR后处理器出气端与尾气排出管连接，压力传感器、储氨罐温度传感器、进气管温度传感器、NOX传感器通过信号线与电子控制单元信号接收端连接，电子控制单元通过电源信号线连接比例阀、电磁阀。

2.根据权利要求1所述的双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的制备与填充方法如下：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，上述材料采用机械的和面机搀和均匀成为湿态的粉料，混合时间5~15min，通过加料口填充到主储氨罐、副储氨罐中，采用机械震荡的方法震荡主储氨罐、副储氨罐罐体5~10min，去除其中的空气间隙，加料量应该致罐体体积容量的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℃，加热干燥时加料口敞开，排出水蒸汽和酒精蒸汽；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-10Kpa，保温保压30min。

3.根据权利要求2所述的双级余热方式储氨供氨的后处理控制单元，其特征在于所述的无水氯化钙也可以采用其它能形成络合物的无机盐替代，为氯化锶或氯化镁等能和NH₃形成络合物的氯化物。