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CN108619907A - 一种车用尿素还原剂溶液 - Google Patents

一种车用尿素还原剂溶液 Download PDF

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CN108619907A
CN108619907A CN201810409205.3A CN201810409205A CN108619907A CN 108619907 A CN108619907 A CN 108619907A CN 201810409205 A CN201810409205 A CN 201810409205A CN 108619907 A CN108619907 A CN 108619907A
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CN
China
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urea
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analytically pure
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CN201810409205.3A
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柳嘉澍
夏浩喻
王聪
唐宋元
任晓乾
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Nanjing Tech University
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Nanjing Tech University
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9404—Removing only nitrogen compounds
    • B01D53/9409—Nitrogen oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
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    • B01D2251/20—Reductants
    • B01D2251/206—Ammonium compounds
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Abstract

本发明公开了一种车用尿素还原剂溶液，属于废气处理领域，尿素还原剂溶液由以下质量分数的原料配制而成：20‑28％尿素、10％‑25％C3以下的小分子酰胺、1％‑5％甘氨酸、0％‑10％碳酸氢铵或碳酸铵和用于平衡总质量分数的35％‑68％的超纯水。本发明提供了一种凝固点在‑24℃～‑28℃间的车用尿素溶液。

Description

一种车用尿素还原剂溶液
技术领域
本发明属于废气处理领域，涉及一种柴油机尾气处理还原剂的配方。
背景技术
当下，环境污染是一个重大的社会问题，并有愈演愈烈之势，人们在享受科技进步带来的福利的同时，也不得不承受工业化对环境的破坏。各类环境污染中最与人们生活息息相关的就是大气污染了，而在造成大气污染的诸多原因中，各类车辆尾气的污染占据了不小的一部分。载重货车、大中客车、火车机车等大型车辆均是柴油机动力为主。柴油机相比汽油机，具有效率高、动力强劲等诸多优势，但是不可否认的一点是，柴油燃烧造成的污染比汽油机更为严重，柴油机的排放物最关键的是NOx和PM，处理微粒主要靠微粒捕集器(DPF)，NOx则主要靠催化还原(SCR)。SCR技术路线是在尾气后处理过程中，依托还原剂对NOx进行选择性催化还原，降低NOx排放，从而满足国V排放法规对于NOx的限制。
使用尿素处理NOx的方法，被称为USCR(Urea Seletive Catalytic Reduction)，其特征是具有极强的催化选择性，还原剂能够高效、专一的与NOx进行反应，成本相对低廉，广为主流柴油车厂商采用。通常来说，使用尿素水溶液作为尾气后处理还原剂更为方便，尿素水溶液在300℃以上会与氮氧化物反应产生NH3，利用产生的NH3与氮氧化物反应，生成无害气体后排入大气。
目前，常规的车用尿素溶液是指执行国家标准《GB 29518-2013柴油发动机氮氧化物还原剂尿素水溶液(AUS 32)》的一种特定浓度尿素溶液，尿素质量分数为31.8％～33.2％，溶剂为超纯水，其凝固点约在-11℃左右，这意味着使用SCR技术的车辆冬季向北不能跑过山海关。传统解决方法，是在传统车用尿素系统附加防冻液循环加热或电加热的系统及保温系统，增加了加热管回路、温度传感器、保温层等一系列附加零件，不仅每车增加了数千元的成本，无疑也增加了系统的复杂性，间接提高了故障率。此外，冬天发动时需要发动机怠速运转一段时间，加热发动机冷却液以熔化结冰的尿素溶液。根据2014年宝马公司的一份测试数据显示，溶液箱温度为-12℃时，某型车辆临时停车30分钟后再次启动需要预热25分钟，此段加热时间造成的氮氧化物排放比正常工况高出两个数量级，这无疑与SCR系统降低氮氧化物排放量的初衷背道而驰。因此，开发能在低温下保持液相的车用尿素溶液势在必行。
专利CN102213126A采用低分子醇、甲酸铵等添加剂，在实际应用中已经暴露出热分解产物腐蚀排气管的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术下车用尿素溶液凝固点高的缺点，提供了一种凝固点在-24℃～-28℃间的车用尿素溶液。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，尿素还原剂溶液由以下质量分数的原料配制而成：20-28％尿素、10％-25％C3以下的小分子酰胺、1％-5％甘氨酸、0％-10％碳酸氢铵或碳酸铵和用于平衡总质量分数的35％-68％的超纯水。
优选地，一种尿素还原剂溶液配方，按重量百分比计由以下原料制成：25％尿素、20％甲酰胺，3％甘氨酸，7％碳酸氢铵，45％超纯水。
本发明所述的低温型车用尿素溶液较现有技术的凝固点更低，可以在柴油冷滤温度下使用而无需加热，适于在我国寒冷地区的冬季使用，具有很高的实用价值。与此同时，本溶液各项添加剂均为含负氧化态氮的有机物，其高温分解产物清洁无污染，并能与尾气中的NOx发生归中反应，间接提高了车用尿素溶液的使用性能。
本溶液配方的核心组分在于以甘氨酸为代表的一系列小分子氨基酸。氨基酸作为一种两性物质，与尿素、酰胺等具有氢键供体性质的化合物在熔融态下具有可显著降低混合物凝固点的低共熔性质。我们在研究中发现，在水溶液的电离体系下，以甘氨酸为代表的一系列小分子氨基酸同样具有此类性质。氨基酸加入水溶液并不能对溶液凝固点产生显著影响，但甘氨酸加入尿素水溶液后可与其他盐类共同作用，使溶液凝固点出现一个跃进式的降低，这一点在下文对照实验1中有所体现。
当前市场上一些厂商采用甲醇、乙醇或其他廉价小分子醇降低溶液凝固点，其效果显著且价格低廉，但此类方法有极大隐患。因为在SCR系统工作的温度环境下，溶液中的醇类组分会部分转化为相应的酸类物质，腐蚀排气管道而使之渗漏，严重损害了用户的利益。同理，当前有一些同类专利，采用了添加酸铵类物质的技术路线降低凝固点，这种技术路线在降低溶液凝固点机理上固然可行，但此类添加剂同样会在SCR系统工作的温度环境下转化为对排气管道有腐蚀性作用的酸类物质，使之不能投入实际的应用中。本专利采取了热分解产物不含酸的酰胺类物质。
有益效果：
同类专利CN102213126A采用低分子醇、甲酸铵等添加剂，在实际应用中已经暴露出热分解产物腐蚀排气管的问题。而本发明热分解后不存在相应小分子酸腐蚀排气管的问题。
与同类专利CN104607041A采用丙二醇和甲酸铵降低溶液凝固点的技术路线相比，本发明热分解后不存在甲酸、丙二酸腐蚀排气管的隐患。同时本发明使用的添加剂价格也明显为昂贵的丙二醇，具有经济优势。
与武小满等人发表的CN105536865A、CN105498537A、CN107138044A、CN107178408A一系列相似专利采用小分子醇和小分子液体酰胺(即甲酰胺)的技术路线相比，本专利的凝固点较其中不采用小分子醇类物质的配方的凝固点更低，而其使用小分子醇类物质的配方同样不能避免上述对比酸类物质腐蚀排气管的问题。武小满等人的研究同时指出，碳酸氢铵组分会影响溶液的长期稳定性。在实际生产过程中，较高含量的碳酸氢铵、碳酸铵影响到了产品保质期，可由酰胺替换或略微减少使用量。下文的实施例6已经指出，即便完全不使用碳酸氢铵，本发明依然能保证-24℃的凝固点，具有较好的使用价值。
具体实施方式
实验采用低温冷却液循环泵设备，以乙醇浴的方式模拟低温环境，采用配备铜基测温探头的电导温度测量仪读出试管中待测溶液凝固的温度变化过程，通过绘制步冷曲线和多次试验取平均值的方法得出每一种配方的实际凝固点。
实施例1
按质量分数取分析纯尿素25％、分析纯的甲酰胺20％、分析纯的甘氨酸3％、分析纯的碳酸氢铵7％、高纯水45％，在室温(25℃)搅拌至全溶后，即为本发明的低温型车用尿素溶液，其凝固点为-26℃。
实施例2
按质量分数取分析纯尿素20％、分析纯的甲酰胺20％、分析纯的甘氨酸3％、分析纯的碳酸氢铵7％、高纯水50％，在室温(25℃)搅拌至全溶后，即为本发明的低温型车用尿素溶液，其凝固点为-25℃。
实施例3
按质量分数取分析纯尿素25％、分析纯的甲酰胺15％、分析纯的甘氨酸3％、分析纯的碳酸氢铵7％、高纯水50％，在室温(25℃)搅拌至全溶后，即为本发明的低温型车用尿素溶液，其凝固点为-25℃。
实施例4
按质量分数取分析纯尿素25％、分析纯的甲酰胺20％、分析纯的甘氨酸3％、分析纯的碳酸氢铵7％、高纯水45％，在室温(25℃)搅拌至全溶后，即为本发明的低温型车用尿素溶液，其凝固点为-26℃。
实施例5
按质量分数取分析纯尿素25％、分析纯的乙酰胺20％、分析纯的甘氨酸3％、分析纯的碳酸氢铵7％、高纯水45％，在室温(25℃)搅拌至全溶后，即为本发明的低温型车用尿素溶液，其凝固点为-26℃。
实施例6
按质量分数取分析纯尿素25％、分析纯的甲酰胺22％、分析纯的甘氨酸3％、高纯水50％，在室温(25℃)搅拌至全溶后，即为本发明的低温型车用尿素溶液，其凝固点为-24℃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
对照实验1
本组实验结果旨在对比说明甘氨酸共同作用时降低溶液凝固点的显著效应。
按质量分数取分析纯尿素30％、分析纯的甲酰胺15％、分析纯的碳酸氢铵5％、高纯水50％，在室温(25℃)搅拌至全溶后，其凝固点为-18℃。
按质量分数取分析纯尿素30％、分析纯的甲酰胺15％、分析纯的碳酸氢铵5％、分析纯的甘氨酸5％、高纯水45％，在室温(25℃)搅拌至全溶后，其凝固点为-23℃。
按质量分数取分析纯尿素30％、分析纯的甲酰胺20％、分析纯的碳酸氢铵5％、高纯水45％，在室温(25℃)搅拌至全溶后，其凝固点为-20℃。
相比之下，可以明确判断出一定量的甘氨酸与甲酰胺、尿素共同作用更为显著的降低了溶液凝固点，本发明凝固点降低的激励并不是简单的依托于盐类物质使用量叠加。
对照实验2
本组实验结果旨在对比说明几种添加剂组分单独与尿素水溶液搭配时的变化规律，通过凝固点变化趋势说明他们的作用关系。
表1不同质量分数下的乙酸铵-尿素水溶液凝固点
表2不同质量分数下的甲酰胺-尿素水溶液凝固点
表3不同质量分数下的乙酰胺-尿素水溶液凝固点
表4不同质量分数下的甘氨酸-尿素水溶液凝固点

Claims (3)

1.一种车用尿素还原剂溶液，其特征在于：按重量百分比由以下原料配制而成：
2.根据权利要求1所述的车用尿素还原剂溶液，其特征在于：所述的C3以下的小分子酰胺为甲酰胺、乙酰胺。
3.根据权利要求1所述的车用尿素还原剂溶液，其特征在于：按重量百分比计由以下原料配制而成：25％尿素、20％甲酰胺、3％甘氨酸、7％碳酸氢铵、45％水。
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