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CN108487974B - 具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构 - Google Patents

具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构 Download PDF

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CN108487974B
CN108487974B CN201810236718.9A CN201810236718A CN108487974B CN 108487974 B CN108487974 B CN 108487974B CN 201810236718 A CN201810236718 A CN 201810236718A CN 108487974 B CN108487974 B CN 108487974B
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Abstract

本发明提供了一种具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，包含储氨罐与烟气通道；储氨罐包含罐体壳体(15)与单元管，一个或多个所述单元管穿设在罐体壳体(15)的内部空间中；烟气通道包含依次连接的烟气入口管道(1)、烟气主管道上游段(2)、烟气支路管(19)、烟气主管道下游段(9)、烟气出口管道(10)；烟气支路管(19)穿设在单元管内，烟气支路管(19)与单元管一一对应；单元管与烟气支路管(19)之间的空间内填充有吸附剂(11)。本发明采用固体吸附剂储存氨气，避免传统尿素溶液储氨产生的喷嘴堵塞、结晶、结冰问题，以烟气余热驱动解吸氨气为主，避免传统储氨罐电加热、循环流体加热的能源消耗问题，提高余能利用率。

Description

具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构
技术领域
本发明涉及汽车尾气处理及吸附技术领域，具体地，涉及一种具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构。
背景技术
氮氧化物是一种对人体有巨大伤害作用的有毒气体，同时，是形成酸雨、光化学污染并破坏臭氧层结构的环境污染物。重型柴油机汽车是氮氧化物主要的排放源，为了人类的可持续发展，应对能源与环境的挑战，解决汽车尾气排放问题刻不容缓。汽车尾气处理系统中，氨气作为氮氧化物的还原剂，其储存、供给问题越来越受到研究者的重视。
目前，氨气作为工业生产过程中的主要原料及保护气体，一共有三种形式的储氨罐结构。第一种，采用高压将氨气转化为液氨，需要在特定的储存环境中安置，不适合作为车载储氨罐投入使用。[参考文献：刘新丽.SCR脱硝中液氨储存与气化的工艺设计比较[J].中国科技博览,2013(19):335-335.]。第二种，采用32.5％的高纯度尿素水溶液，通过雾化释放氨气。[参考文献：周英贵,金保昇.尿素水溶液雾化热分解特性的建模及模拟研究[J].中国电机工程学报,2012,32(26):37-42.]。尿素化学性质活泼，稳定性差，同时，尿素水溶液雾化过程，容易造成喷嘴堵塞，结晶、结冰现象，不满足车载使用的经济性与稳定性要求。第三种，采用以固态铵盐为主的固体吸附介质吸附氨气，形成稳定的络合物，储存在储氨罐中，经过加热，吸附介质解吸氨气，提供尾气处理系统所需的还原剂。[参考文献：撒占才.固态铵SCR系统氨气供给装置设计与开发[D].吉林大学,2016.]。固态铵盐根据解吸温度分为低温盐、中温盐、高温盐，小于尿素储氨罐释放氨气的温度要求，同时，提供相同体积分数的氨气，固态铵盐储氨罐所占用的空间小于尿素储氨罐所占用空间的三分之一，还具有成本低廉、安全可靠等优点，因此固态铵盐代替传统尿素溶液作为储氨载体被广泛应用。
德国FEV公司开发固态SCR技术，通过泵将热流体介质喷洒到固态还原剂表面，固体吸附介质受热分解生产氨气，而完成热量传递的热流体介质流向底部后被重新抽回到相应的储存容器中，形成了一个动态平衡。[参考文献：Lacin F,Kotrba A,Hayworth G,etal.SOLID
Figure BDA0001604163450000021
Demonstrating an improved approach to NOxreduction via a solidreductant[J].Sae Technical Papers,2011.]。韩国机械材料研究所与韩南大学合作开发固态SCR系统，其氨气发生装置的加热方式为电加热，固态还原剂受热分解产生氨气，电加热部分安装在储存容器外部，通过改变加热量实现氨气生成量的控制[参考文献：Kim H,Lee H,Yoon C S,et al.AFeasibility Study on the Solid Ammonium SCR System forControl of Diesel NOx Emissions[J].Korea Autonomous Engineer AutumnConference&Exhibition,2014,1.]。专利文献CN206338100U提供了一种储氨罐电加热装置，通过电加热装置直接接触吸附剂方式进行加热，加热装置易被腐蚀。同时，该装置使用“固体颗粒物”代表储氨物质，没有涉及对车辆运行工况适应性的分析。因此，传统储氨罐存在加热方式单一、传热传质效果差、氨气释放速度慢等众多问题，没有分析采用多个氨气传质通道以及低中高温盐复合储氨对氨气释放、流通、汇集的影响，如何提高储氨罐性能是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构。
根据本发明提供的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，包含储氨罐与烟气通道；所述储氨罐包含罐体壳体与单元管，一个或多个所述单元管穿设在罐体壳体的内部空间中；
烟气通道包含依次连接的烟气入口管道、烟气主管道上游段、烟气支路管、烟气主管道下游段、烟气出口管道；
烟气支路管穿设在单元管内，烟气支路管与单元管一一对应；单元管与烟气支路管之间的空间内填充有吸附剂，所述吸附剂能够吸附与解吸氨气。
优选地，所述储氨罐还包含第二端盖与第一端盖，烟气通道在烟气流动方向上依次贯穿第二端盖、第一端盖；
第一端盖上紧固连接有一法兰，所述法兰上设置有氨气出口管道；
优选地，沿单元管轴向方向上：
单元管与第二端盖接触，单元管与第一端盖之间存在间隙；
烟气支路管依次穿过第二端盖、罐体壳体、第一端盖、法兰。
优选地，所述罐体壳体横截面形状为圆形或矩形；
多个单元管采用顺排或插排的方式排列在罐体壳体的内部空间中；
所述烟气支路管包含以下任一种或任多种结构：直管；波浪管；螺旋管；翅片管。
优选地，所述单元管包含单元管管壁与传质结构，沿横截面投影上，多个所述传质结构沿单元管周向方向布置在单元管管壁的内壁面上；
传质结构中设置有传质通道，传质结构与单元管管壁之间的空间形成氨气释放通道，所述吸附剂解吸出的氨气穿过传质通道后到达氨气释放通道。
优选地，所述单元管管壁由不锈钢材料制成，所述传质结构由金属材料或纳米材料制成；
所述吸附剂包含以膨胀石墨为基质的碱性金属卤化物或以硫化膨胀石墨为基质的碱性金属卤化物。
优选地，还包含烟气安全管道，烟气安全管道沿长度方向的两端分别与烟气入口管道、烟气出口管道连通；
以下任一个或任多个位置上设置有阀门：
--烟气支路管上；
--烟气主管道下游段上；
--烟气安全管道上。
所述烟气入口管道上设置有温度传感器与流量传感器；储氨罐内部设置有压力传感器与温度传感器。
优选地，还包含加热装置，所述加热装置包含首尾闭合连接的电源、继电器以及加热带；
所述加热带安装在多个单元管中的任一个或任多个单元管上。
优选地，还包含电子控制单元；所述阀门、温度传感器、流量传感器、压力传感器以及继电器均与电子控制单元连接；
所述电子控制单元包含以下模块：
信号获取模块：获取来自温度传感器、流量传感器以及压力传感器的检测信号：
动作指令生成模块：根据检测信号生成动作控制指令，所述动作控制指令能够控制阀门与继电器进行动作。
优选地，多个单元管中至少存在填充不同吸附剂的三个单元管。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用固体吸附剂储存氨气，避免传统尿素溶液储氨产生的喷嘴堵塞、结晶、结冰问题。
2、本发明以烟气余热驱动解吸氨气为主，避免传统储氨罐电加热、循环流体加热的能源消耗问题，提高余能利用率。
3、本发明采用电加热装置辅助驱动解吸氨气，快速满足车辆冷启动时储氨罐释放氨气所需的温度、压力条件。
4、本发明采用多单元管结构，通过烟气分流加热，避免单管道加热导致吸附质受热不均的问题，提高传热效率。
5、本发明采用波浪型管路作为内部烟气管路，增加烟气与吸附介质间的接触面积，使得吸附介质受热均匀，提高单元管的换热效果；
6、本发明采用多个氨气传质通道，氨气释放通道，相对传统储氨罐唯一的氨气出口管道，加快氨气的流通、汇集，提高传质效率。
7、本发明安装压力传感器、温度传感器、流量计、阀门，实时监测系统工作状态，调整氨气解吸量。
8、本发明采用低、中、高温盐复合储氨结构，根据车辆运行工况调节工作状态，提高氨气释放速率，余能利用率，合理增加储氨量。
9、本发明结构简单，体积小巧、成本低廉，工作温度范围大、环境适应性强，能够广泛应用到汽车尾气处理领域中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为储氨罐罐体壳体采用横截面为圆形筒体结构示意图；
图2为储氨罐罐体壳体采用横截面为矩形筒体结构示意图；
图3为本发明整体结构示意图；
图4为单元管横截面结构示意图。
图中示出：
Figure BDA0001604163450000041
Figure BDA0001604163450000051
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图3所示，本发明提供的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，包含储氨罐与烟气通道。所述储氨罐包含罐体壳体15与单元管，一个或多个所述单元管穿设在罐体壳体15的内部空间中，如图1、图2所示，储氨罐的罐体壳体15可采用横截面为圆形或方形筒体结构，内部单元管数量可根据需要调节，并采用顺排或插排的排列方式，实施例中采用了顺排2×2的结构，当然在优选例中，单元管的数量与排列方式可以根据需要进行任意组合，甚至所述单元管之间还可以是无序布置的。
烟气通道包含依次连接的烟气入口管道1、烟气主管道上游段2、烟气支路管19、烟气主管道下游段9、烟气出口管道10，烟气支路管19穿设在单元管内，烟气支路管19与单元管一一对应。单元管与烟气支路管19之间的空间内填充有吸附剂11，所述吸附剂11能够吸附与解吸氨气，如图4所示，吸附剂11中间形成的走管通道20即烟气支路管19所处空间。由汽车尾气出口通道排出的烟气，经过烟气入口通道，分流进入烟气支路管19，加热吸附剂11，最后经由烟气出口管路排出，进入尾气还原装置；热交换过程中，吸附介质解吸释放氨气，通过氨气出口管道8排出，也进入到尾气还原装置中，与烟气发生反应。优选地，所述罐体壳体15横截面形状也可以是例如椭圆、花瓣形等其他形状。优选地，储氨罐上还可以包裹填充泡沫等保温材料，以减少热量的损失。优选地，所述烟气支路管19包含以下任一种或任多种结构：直管；波浪管；螺旋管；翅片管。
所述储氨罐还包含第二端盖16与第一端盖6，烟气通道在烟气流动方向上依次贯穿第二端盖16、第一端盖6，第一端盖6上紧固连接有一法兰7，所述法兰7上设置有氨气出口管道8。优选地，沿单元管轴向方向上，存在如下结构上的布置：单元管与第二端盖16接触，单元管与第一端盖6之间存在间隙；烟气支路管19依次穿过第二端盖16、罐体壳体15、第一端盖6、法兰7。
如图4所示，所述单元管包含单元管管壁14与传质结构12，沿横截面投影上，多个所述传质结构12沿单元管周向方向布置在单元管管壁14的内壁面上，传质结构12中设置有传质通道，传质结构12与单元管管壁14之间的空间形成氨气释放通道13，所述吸附剂11解吸出的氨气穿过传质通道后到达氨气释放通道13。优选地，沿横截面投影上，所述传质结构12为弧形。优选地，所述单元管管壁14由不锈钢材料制成，所述传质结构12由金属材料或纳米材料制成；所述吸附剂11包含以膨胀石墨为基质的碱性金属卤化物或以硫化膨胀石墨为基质的碱性金属卤化物。优选地，多个单元管中至少存在填充不同吸附剂11的三个单元管。例如：在第一根单元管填充低温盐吸附剂11，如：NaBr复合硫化膨胀石墨等；在第二根单元管中填充中温盐吸附剂11，如：CaCl2复合硫化膨胀石墨等；在第三根单元管中填充高温盐吸附剂11，如：MnCl2复合硫化膨胀石墨等。
如图3所示，实施例中，本发明中还设置有烟气安全管道17，烟气安全管道17沿长度方向的两端分别与烟气入口管道1、烟气出口管道10连通。以下任一个或任多个位置上设置有阀门：烟气支路管19沿长度方向两端中靠近烟气入口管道1的一端；烟气主管道下游段9上；烟气安全管道17沿长度方向两端中靠近烟气入口管道1的一端；烟气安全管道17沿长度方向两端中靠近烟气出口管道10的一端。所述烟气入口管道1上设置有温度传感器与流量传感器21；储氨罐内部设置有压力传感器与温度传感器。还设置有加热装置，所述加热装置包含首尾闭合连接的电源3、继电器4以及加热带18，所述加热带18安装在多个单元管中的任一个或任多个单元管上。另外，还设置有电子控制单元5；所述阀门、温度传感器、流量传感器21、压力传感器以及继电器4均与电子控制单元5连接，所述电子控制单元5包含以下模块：信号获取模块：获取来自温度传感器、流量传感器21以及压力传感器的检测信号：动作指令生成模块：根据检测信号生成动作控制指令，所述动作控制指令能够控制阀门与继电器4进行动作。优选地，储氨罐内部还可以连接报警装置，当储氨罐压力达到临界值，启动报警装置，以保证及时更换储氨罐，车辆尾气处理系统正常运行。
优选实施方式：
如图3所示，多个单元管中包含有第一单元管101、第二单元管102、第三单元管103以及第四单元管104。第一单元管101、第二单元管102、第三单元管103、第四单元管104中分别对应设置有第一烟气支路管、第二烟气支路管、第三烟气支路管、第四烟气支路管；第一烟气支路管、第二烟气支路管、第三烟气支路管、第四烟气支路管上分别设置有阀门V2、阀门V3、阀门V4、阀门V5；烟气安全管道17沿长度方向两端中靠近烟气入口管道1的一端、靠近烟气出口管道10的一端上分别设置有阀门V1、阀门V7；烟气主管道下游段9上设置有阀门V6。所述加热带18安装在第一单元管101上。所述烟气入口管道1上设置有温度传感器T1与流量传感器21；储氨罐内部设置有压力传感器P与温度传感器T2。
储氨罐稳定释放氨气的压力范围为0.15～0.7MPa，第一单元管101、第二单元管102填充低温盐NaBr复合硫化膨胀石墨,解吸温度不低于40℃，第三单元管103填充中温盐CaCl2复合硫化膨胀石墨，解吸温度不低于70℃，第四单元管104填充高温盐MnCl2复合硫化膨胀石墨，解吸温度不低于120℃。当然在优选例中，可以根据车辆型号、工况调节填充低、中、高温盐对应单元管的数量。
当车辆启动时或储氨罐压力过小时，通过电子控制元件输出电信号，开启继电器4开关及阀门V2、阀门V6。以电加热装置为主驱动第一单元管101内低温盐NaBr解吸释放氨气，同时，由汽车尾气出口通道排出的烟气，经过烟气入口管道1、烟气主管道上游段2，进入第一烟气支路管，驱动第一单元管101内低温盐NaBr解吸释放氨气，烟气经由烟气主管道下游段9、烟气出口管道10排出，进入尾气还原装置。解吸释放的氨气，通过传质通道，流入氨气释放通道13，经由氨气出口管道8排出，进入到尾气还原装置中。当储氨罐内压力达到并稳定在0.15～0.7MPa范围内，通过电控信号关闭阀门V2、阀门V6、继电器4。
当烟气温度不超过200℃时，通常车辆发动机以低转速或低负荷运行，通过电子控制元件输出电信号，开启阀门V3、阀门V6。由汽车尾气出口通道排出的烟气，经过烟气入口管道1、烟气主管道上游段2，进入第二烟气支路管，烟气余热驱动第二单元管102内低温盐NaBr解吸释放氨气，烟气经由烟气主管道下游段9、烟气出口管道10排出，进入尾气还原装置。解吸释放的氨气，通过传质通道，流入氨气释放通道13，经由氨气出口管道8排出，进入到尾气还原装置中。当烟气温度超过200℃时，通过电控信号关闭阀门V3、阀门V6。
当烟气温度超过200℃且不超过350℃时，通常车辆发动机以中转速或中负荷运行运行，通过电子控制元件输出电信号，开启阀门V4、阀门V6。由汽车尾气出口通道排出的烟气，经过烟气入口管道1、烟气主管道上游段2，进入第三烟气支路管，驱动第三单元管103内中温盐CaCl2解吸释放氨气，烟气经由烟气主管道下游段9、烟气出口管道10排出，进入尾气还原装置中。解吸释放的氨气，通过传质通道，流入氨气释放通道13，经由氨气出口管道8排出，进入尾气还原装置中。当烟气温度低于200℃或者超过350℃时，通过电控信号关闭阀门V4、阀门V6。
当烟气温度超过350℃时，通常车辆发动机以高转速或高负荷运行，通过电子控制元件输出电信号，开启阀门V5、阀门V6。由汽车尾气出口通道排出的烟气，经过烟气入口管道1、烟气主管道上游段2，进入第四烟气支路管，烟气余热驱动高温盐MnCl2解吸释放氨气，烟气经由烟气主管道下游段9、烟气出口管道10排出，进入尾气还原装置中。解吸释放的氨气，通过传质通道，流入氨气释放通道13，经由氨气出口管道8排出，进入尾气还原装置中。当烟气温度不超过350℃时，通过电控信号关闭阀门V5、阀门V6。
当储氨罐内压力超过0.7MPa，通过电子控制元件输出电信号，开启阀门V1、阀门V7，多余的烟气经过烟气入口管道1，烟气安全管道17，经由烟气出口管道10排出释放，至储氨罐内压力达到并稳定在0.15～0.7MPa范围内，关闭阀门V1、阀门V7。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，其特征在于，包含储氨罐与烟气通道；所述储氨罐包含罐体壳体(15)与单元管，一个或多个所述单元管穿设在罐体壳体(15)的内部空间中；
烟气通道包含依次连接的烟气入口管道(1)、烟气主管道上游段(2)、烟气支路管(19)、烟气主管道下游段(9)、烟气出口管道(10)；
烟气支路管(19)穿设在单元管内，烟气支路管(19)与单元管一一对应；单元管与烟气支路管(19)之间的空间内填充有吸附剂(11)，所述吸附剂(11)能够吸附与解吸氨气；
所述单元管包含单元管管壁(14)与传质结构(12)，沿横截面投影上，多个所述传质结构(12)沿单元管周向方向布置在单元管管壁(14)的内壁面上；
传质结构(12)中设置有传质通道，传质结构(12)与单元管管壁(14)之间的空间形成氨气释放通道(13)，所述吸附剂(11)解吸出的氨气穿过传质通道后到达氨气释放通道(13)。
2.根据权利要求1所述的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，其特征在于，所述储氨罐还包含第二端盖(16)与第一端盖(6)，烟气通道在烟气流动方向上依次贯穿第二端盖(16)、第一端盖(6)；
第一端盖(6)上紧固连接有一法兰(7)，所述法兰(7)上设置有氨气出口管道(8)。
3.根据权利要求2所述的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，其特征在于，沿单元管轴向方向上：
单元管与第二端盖(16)接触，单元管与第一端盖(6)之间存在间隙；
烟气支路管(19)依次穿过第二端盖(16)、罐体壳体(15)、第一端盖(6)、法兰(7)。
4.根据权利要求1所述的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，其特征在于，所述罐体壳体(15)横截面形状为圆形或矩形；
多个单元管采用顺排或插排的方式排列在罐体壳体(15)的内部空间中；
所述烟气支路管(19)包含以下任一种或任多种结构：直管；波浪管；螺旋管；翅片管。
5.根据权利要求1所述的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，其特征在于，所述单元管管壁(14)由不锈钢材料制成，所述传质结构(12)由金属材料或纳米材料制成；
所述吸附剂(11)包含以膨胀石墨为基质的碱性金属卤化物或以硫化膨胀石墨为基质的碱性金属卤化物。
6.根据权利要求1所述的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，其特征在于，还包含烟气安全管道(17)，烟气安全管道(17)沿长度方向的两端分别与烟气入口管道(1)、烟气出口管道(10)连通；
以下任一个或任多个位置上设置有阀门：
--烟气支路管(19)上；
--烟气主管道下游段(9)上；
--烟气安全管道(17)上；
所述烟气入口管道(1)上设置有温度传感器与流量传感器；储氨罐内部设置有压力传感器与温度传感器。
7.根据权利要求6所述的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，其特征在于，还包含加热装置，所述加热装置包含首尾闭合连接的电源(3)、继电器(4)以及加热带(18)；
所述加热带(18)安装在多个单元管中的任一个或任多个单元管上。
8.根据权利要求7所述的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，其特征在于，还包含电子控制单元(5)；所述阀门、温度传感器、流量传感器、压力传感器以及继电器(4)均与电子控制单元(5)连接；
所述电子控制单元(5)包含以下模块：
信号获取模块：获取来自温度传感器、流量传感器(21)以及压力传感器的检测信号：
动作指令生成模块：根据检测信号生成动作控制指令，所述动作控制指令能够控制阀门与继电器(4)进行动作。
9.根据权利要求1所述的具有温域自适应功能的多温域复合卤化物储氨罐结构，其特征在于，多个单元管中至少存在填充不同吸附剂(11)的三个单元管。
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