CN113931723A - 一种减少scr系统尿素结晶的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少SCR系统尿素结晶的装置及方法。该装置包括温度传感器、压力传感器、加热加压气体喷嘴、加压装置、电加热装置、电子调节阀、泵机、废气温差发电装置、蓄电池、再循环废气管和电子控制单元。本发明针对低温工况，将已经过SCR系统还原的废气加热再循环并喷射进入SCR系统，提高了NOx与尿素水溶液的反应温度。反应温度提高，降低了形成液膜的概率，减少了尿素结晶物的生成。同时尿素水溶液与经过加热的再循环废气在SCR系统内相对喷射，增大了管内的气流扰动，降低了形成液膜的概率，且使得尿素水溶液与再循环废气充分混合，充分反应。同时采用废气温差发电技术利用废气中的热量进行发电，为装置中的用电器供电，节能减排。
Description
技术领域
本发明属于内燃机排放控制领域，具体是一种减少SCR系统尿素结晶的装置及方法。
背景技术
目前，在如何减少内燃机排放物的问题上，选择性催化还原(SelectiveCatalytic Reduction，SCR)技术是最有效的解决方法。在SCR系统中，尿素水溶液(UWS)与高温尾气接触后，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨气，再在催化剂的作用下利用氨气作为还原剂，将尾气中的氮氧化物(NOx)还原为氮气和水。
但在低温条件下即发动机在低负荷下工作，排气温度较低时，尿素的分解过程会伴随着大量副产物的生成。副产物会在SCR系统的催化剂部位和管道内壁上结晶，形成大量沉积物，造成堵塞，影响催化反应的进行。并且尿素水溶液液滴在对SCR系统内壁的撞击过程中，壁面进一步被尿素液滴冷却，当温度低于水分蒸发温度时，液滴中的水分无法蒸发出去，从而形成壁面液膜，这将进一步导致结晶的生成。结晶积聚会造成SCR系统背压增大、NOx转化效率降低、后处理系统无法正常运行以及增加燃油消耗等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种减少SCR系统尿素结晶的装置及方法。
本发明解决所述装置技术问题的技术方案是，提供一种减少SCR系统尿素结晶的装置，其特征在于，该装置包括温度传感器、压力传感器、加热加压气体喷嘴、加压装置、电加热装置、电子调节阀、泵机、废气温差发电装置、蓄电池、再循环废气管和电子控制单元；
SCR系统的出气管的末端与废气温差发电装置连接，经过SCR系统处理后的废气进入废气温差发电装置中，将热能转化为电能；温度传感器安装在SCR系统的进气管上，用于测量进入SCR系统的废气进气温度；压力传感器安装在进气管上，用于测量进入SCR系统的废气进气压力；再循环废气管的一端与SCR系统的出气管的侧开口或催化器的出口连通，另一端设置有加热加压气体喷嘴；再循环废气管上按照气体流向依次设置有电子调节阀、泵机、电加热装置和加压装置；加热加压气体喷嘴的末端位于混气室中，与SCR系统的尿素喷嘴的位置对应，用于增大SCR系统的混气室内的气流扰动；
废气温差发电装置与蓄电池电连接，将废气温差发电装置产生的电能存储于蓄电池中，为蓄电池充电；蓄电池为温度传感器、压力传感器、加压装置、电加热装置、电子调节阀、泵机和电子控制单元供电；
电子控制单元分别与温度传感器、压力传感器、加压装置、电加热装置、电子调节阀、泵机和蓄电池通讯连接。
本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种基于所述装置的减少SCR系统尿素结晶的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、发动机正常运行过程中，废气进入SCR系统，温度传感器对进入SCR系统的废气进气温度进行测量得到废气温度测量值，同时压力传感器对进入SCR系统的废气进气压力进行测量得到废气压力测量值，并将废气温度测量值和废气压力测量值传输给电子控制单元；
步骤2、电子控制单元根据接收到的废气温度测量值和废气压力测量值，判断该温度测量值与装置的启动阙值的大小关系；装置的启动阙值根据前期试验的分析结果确定；
当废气温度测量值不高于装置的启动阙值时，电子控制单元根据预先标定好的MAP图打开电子调节阀、泵机、电加热装置和加压装置，并控制电加热装置的加热强度、泵机的功率、电子调节阀的开度以及加压装置的加压程度，使得再循环废气的喷射温度和喷射速度处于合适的范围；SCR系统处理后的废气的一部分通过出气管进入废气温差发电装置中，废气温差发电装置产生的电量存储至蓄电池中；SCR系统处理后的废气的另一部分通过泵机抽取到再循环废气管中，经过泵机输送流入电加热装置；电加热装置根据MAP图将再循环废气进行相应程度的加热，使得再循环废气的温度达到要求，形成高温再循环废气；高温再循环废气再经过加压装置进行加压，使得加压后的高温再循环废气的压力值高于废气压力测量值，最后通过加热加压气体喷嘴喷射进入混气室中，与尿素喷嘴喷出的尿素水溶液以及进入SCR系统的废气混合后，再进入SCR系统进行处理；
当废气温度测量值高于装置的启动阙值时，整个装置关闭，SCR系统处理后的废气通过出气管全部进入废气温差发电装置中，废气温差发电装置产生的电量存储至蓄电池中，用于装置启动时给用电器供电；
步骤3、重复步骤1和步骤2，使得混气室内的混合废气的温度保持在催化反应的适当温度范围内。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明针对低温工况，将已经过SCR系统还原的废气加热再循环并喷射进入SCR系统，提高了NOx与尿素水溶液的反应温度。反应温度提高，降低了形成液膜的概率，减少了尿素结晶物的生成。同时尿素水溶液与经过加热的再循环废气在SCR系统内相对喷射，增大了混气室内的气流扰动，降低了形成液膜的概率，减少了尿素结晶物的生成，减低背压，且使得尿素水溶液液滴与再循环废气充分混合，促进尿素流动均匀性和反应区域温度的均匀性，使得反应更加充分，保证SCR系统的高转化效率。
(2)本发明采用废气温差发电技术利用废气中的热量进行发电，为装置中的用电器供电，达到节能减排的目的。
(3)本发明通过废气再循环的方式，使得尾气的热量得到了充分利用。同时再循环也能让未反应的氮氧化物再次进行反应，从而达到降低氮氧化物和氨气的目的。同时通过废气再循环不会在SCR系统中引入其他物质、增加其他副反应。
(4)本发明不直接对尿素水溶液或者进气管口进行加热，而是通过加热再循环废气达到加热尿素水溶液的目的，能源利用充分。
(5)本发明在保证SCR系统的可靠性的前提下，提高了SCR系统的转化效率，不仅减少了NOx的排放量，而且解决了多余氨气泄露造成对环境的污染问题。
附图说明
图1为本发明的装置的连接示意图；
图2为本发明的整体供电示意图；
图3为本发明的控制流程图。
图中，101、尿素罐；102、温度传感器；103、尿素喷嘴；104、混合器；105、催化器；106、出气管；107、废气温差发电装置；108、进气管；109、加热加压气体喷嘴；110、加压装置；111、电加热装置；112、电子控制单元；113、电子调节阀；114、泵机；115、蓄电池；116、混气室；117、再循环废气管；118、压力传感器。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种减少SCR系统尿素结晶的装置(简称装置)，所述SCR系统包括尿素罐101、尿素喷嘴103、混合器104、催化器105、出气管106、进气管108和混气室116；进气管108与出气管106之间按照气体流向依次设置有混气室116、混合器104和催化器105；进气管108的始端与DPF系统连接，用于DPF系统处理后的废气进入SCR系统；尿素罐101通过管路与尿素喷嘴103连接；尿素喷嘴103的末端位于混气室116中，用于向SCR系统中喷射尿素水溶液，喷射角度与水平面呈30°，此角度不易发生尿素结晶现象；
其特征在于，该装置包括温度传感器102、压力传感器118、加热加压气体喷嘴109、加压装置110、电加热装置111、电子调节阀113、泵机114、废气温差发电装置107、蓄电池115、再循环废气管117和电子控制单元112；
SCR系统的出气管106的末端与废气温差发电装置107连接，经过SCR系统处理后的废气进入废气温差发电装置107中，将热能转化为电能；温度传感器102安装在进气管108上，用于测量进入SCR系统的废气进气温度；压力传感器118安装在进气管108上，用于测量进入SCR系统的废气进气压力；再循环废气管117的一端与SCR系统的出气管106的侧开口或催化器105的出口连通，另一端设置有加热加压气体喷嘴109；再循环废气管117上按照气体流向依次设置有电子调节阀113、泵机114、电加热装置111和加压装置110；加热加压气体喷嘴109的末端位于混气室116中，与尿素喷嘴103的位置对应，用于增大混气室116内的气流扰动；
废气温差发电装置107与蓄电池115电连接，将废气温差发电装置107产生的电能存储于蓄电池115中，为蓄电池115充电；蓄电池115为温度传感器102、压力传感器118、加压装置110、电加热装置111、电子调节阀113、泵机114和电子控制单元112供电；
电子控制单元112分别与温度传感器102、压力传感器118、加压装置110、电加热装置111、电子调节阀113、泵机114和蓄电池115通讯连接，用于接收温度传感器102传来的温度信号、接收压力传感器118传来的压力信号、控制加压装置110的启停和加压程度、电加热装置111的启停和加热强度、泵机114的启停和功率、电子调节阀113的开度以及控制蓄电池115的放电功能。
优选地，废气温差发电装置107通过尾气和外界冷源之间的温差进行发电。蓄电池115用于储存废气温差发电装置107产生的多余电量，并在废气温差发电装置107不能够为装置中的用电器提供足够的电量时，为用电器提供足够的电量。电加热装置111用于通过电阻丝加热，提升再循环废气的温度。加压装置110用于将高温再循环废气进行加压，达到喷射要求。电子调节阀113用于调节再循环废气管117中的再循环废气的流量。泵机114用于把SCR系统处理后的废气从出气管106抽出到再循环废气管117中成为再循环废气，并输送到电加热装置111中。压力传感器118用于对进入SCR系统的废气进气压力进行测量，便于电子控制单元112据此调节加压装置110的加压程度。
优选地，加热加压气体喷嘴109的喷射角度与水平面呈30°，与尿素喷嘴103的喷射角度呈轴对称，对称轴是SCR系统的中轴线，两个喷嘴相对喷射会在混气室116的中间部位混合，起到增强紊流的效果。
优选地，温度传感器102安装在进气管108的末端上，便于更精确地测量进入混气室116的DPF系统处理后的废气进气温度。压力传感器118安装在进气管108的末端上，便于更精确测量进入混气室116的DPF系统处理后的废气进气压力。
优选地，电子控制单元112采用ECU。
本发明同时提供了一种基于所述装置的减少SCR系统尿素结晶的方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、发动机正常运行过程中，废气进入SCR系统，温度传感器102对进入SCR系统的废气进气温度进行测量得到废气温度测量值，同时压力传感器118对进入SCR系统的废气进气压力进行测量得到废气压力测量值，并将废气温度测量值和废气压力测量值传输给电子控制单元112；
步骤2、电子控制单元112根据接收到的废气温度测量值和废气压力测量值，判断该温度测量值与装置的启动阙值的大小关系；装置的启动阙值根据前期试验的分析结果确定；
当废气温度测量值不高于装置的启动阙值时，电子控制单元112根据预先标定好的MAP图打开电子调节阀113、泵机114、电加热装置111和加压装置110，并控制电加热装置111的加热强度、泵机114的功率、调整电子调节阀113的开度来控制再循环废气的流量以及根据接收到的废气压力测量值调节加压装置110的加压程度，使得再循环废气的喷射温度和喷射速度处于合适的范围；SCR系统处理后的废气的一部分通过出气管106进入废气温差发电装置107中，废气温差发电装置107产生的电量存储至蓄电池115中；SCR系统处理后的废气的另一部分(即再循环废气)通过泵机114抽取到再循环废气管117中，经过泵机114输送流入电加热装置111；电加热装置111根据电子控制单元112传递的信号和MAP图将再循环废气进行相应程度的加热，使得再循环废气的温度达到要求，形成高温再循环废气；高温再循环废气再经过加压装置110进行加压，使得加压后的高温再循环废气的压力值高于废气压力测量值0.5～1MPa，最后通过加热加压气体喷嘴109喷射进入混气室116中，与尿素喷嘴103喷出的尿素水溶液以及进入SCR系统的废气混合后，再进入SCR系统进行处理；
在使用电加热装置111的过程中，通过预先制定的电加热装置111的加热强度与再循环废气的温度关系来调控再循环废气的温度，结合温度传感器102测量的实时废气温度测量值，实现混气室116内的温度处于适当的温度区间，便于后续的氮氧化物与尿素水溶液的反应；
当废气温度测量值高于装置的启动阙值时，电子控制单元112关闭装置，防止因温度过高而对SCR系统造成一定程度的损坏，SCR系统处理后的废气通过出气管106全部进入废气温差发电装置107中，废气温差发电装置107产生的电量存储至蓄电池115中，用于装置启动时给用电器供电；
步骤3、重复步骤1和步骤2，使得混气室116内的混合废气的温度保持在催化反应的适当温度范围内，使催化反应效率更高。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (8)
1.一种减少SCR系统尿素结晶的装置，其特征在于，该装置包括温度传感器、压力传感器、加热加压气体喷嘴、加压装置、电加热装置、电子调节阀、泵机、废气温差发电装置、蓄电池、再循环废气管和电子控制单元；
SCR系统的出气管的末端与废气温差发电装置连接，经过SCR系统处理后的废气进入废气温差发电装置中，将热能转化为电能；温度传感器安装在SCR系统的进气管上，用于测量进入SCR系统的废气进气温度；压力传感器安装在进气管上，用于测量进入SCR系统的废气进气压力；再循环废气管的一端与SCR系统的出气管的侧开口或催化器的出口连通，另一端设置有加热加压气体喷嘴；再循环废气管上按照气体流向依次设置有电子调节阀、泵机、电加热装置和加压装置；加热加压气体喷嘴的末端位于混气室中，与SCR系统的尿素喷嘴的位置对应，用于增大SCR系统的混气室内的气流扰动；
废气温差发电装置与蓄电池电连接，将废气温差发电装置产生的电能存储于蓄电池中，为蓄电池充电；蓄电池为温度传感器、压力传感器、加压装置、电加热装置、电子调节阀、泵机和电子控制单元供电；
电子控制单元分别与温度传感器、压力传感器、加压装置、电加热装置、电子调节阀、泵机和蓄电池通讯连接。
2.根据权利要求1所述的减少SCR系统尿素结晶的装置，其特征在于，加热加压气体喷嘴的喷射角度与水平面呈30°，与尿素喷嘴的喷射角度呈轴对称。
3.根据权利要求1所述的减少SCR系统尿素结晶的装置，其特征在于，温度传感器安装在进气管的末端，测量进入混气室的DPF系统处理后的废气进气温度。
4.根据权利要求1所述的减少SCR系统尿素结晶的装置，其特征在于，压力传感器安装在进气管的末端，测量进入混气室的DPF系统处理后的废气进气压力。
5.根据权利要求1所述的减少SCR系统尿素结晶的装置，其特征在于，电子控制单元采用ECU。
6.根据权利要求1所述的减少SCR系统尿素结晶的装置，其特征在于，电子调节阀用于调节再循环废气管中的再循环废气的流量；压力传感器用于对进入SCR系统的废气进气压力进行测量，便于电子控制单元据此调节加压装置的加压程度。
7.一种基于权利要求1-6任一所述装置的减少SCR系统尿素结晶的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、发动机正常运行过程中，废气进入SCR系统，温度传感器对进入SCR系统的废气进气温度进行测量得到废气温度测量值，同时压力传感器对进入SCR系统的废气进气压力进行测量得到废气压力测量值，并将废气温度测量值和废气压力测量值传输给电子控制单元；
步骤2、电子控制单元根据接收到的废气温度测量值和废气压力测量值，判断该温度测量值与装置的启动阙值的大小关系；装置的启动阙值根据前期试验的分析结果确定；
当废气温度测量值不高于装置的启动阙值时，电子控制单元根据预先标定好的MAP图打开电子调节阀、泵机、电加热装置和加压装置，并控制电加热装置的加热强度、泵机的功率、电子调节阀的开度以及加压装置的加压程度，使得再循环废气的喷射温度和喷射速度处于合适的范围；SCR系统处理后的废气的一部分通过出气管进入废气温差发电装置中，废气温差发电装置产生的电量存储至蓄电池中；SCR系统处理后的废气的另一部分通过泵机抽取到再循环废气管中，经过泵机输送流入电加热装置；电加热装置根据MAP图将再循环废气进行相应程度的加热，使得再循环废气的温度达到要求，形成高温再循环废气；高温再循环废气再经过加压装置进行加压，使得加压后的高温再循环废气的压力值高于废气压力测量值，最后通过加热加压气体喷嘴喷射进入混气室中，与尿素喷嘴喷出的尿素水溶液以及进入SCR系统的废气混合后，再进入SCR系统进行处理；
当废气温度测量值高于装置的启动阙值时，整个装置关闭，SCR系统处理后的废气通过出气管全部进入废气温差发电装置中，废气温差发电装置产生的电量存储至蓄电池中，用于装置启动时给用电器供电；
步骤3、重复步骤1和步骤2，使得混气室内的混合废气的温度保持在催化反应的适当温度范围内。
8.根据权利要求7所述的减少SCR系统尿素结晶的方法，其特征在于，加压后的高温再循环废气的压力值高于废气压力测量值0.5～1MPa。
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