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CN116927934A - 一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置及方法 - Google Patents

一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置及方法 Download PDF

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肖益鸿
郑勇
曹彦宁
陈崇启
罗宇
王大彪
林立
张卿
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Abstract

本发明公开了一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置及方法，所述装置包括氨分解催化部、SCR催化部和氨氧化催化部，氨分解催化部内设置有低温氨分解催化剂，SCR催化部内设置有SCR催化剂，氨氧化催化部内设置有低温氨氧化催化剂，氨分解催化部、SCR催化部和氨氧化催化部沿尾气的流动方向串联设置。本发明通过低温氨分解催化剂，有效降低未燃氨的浓度；通过SCR催化剂将未分解的氨和发动机燃烧产生的氮氧物进行反应，无需通过喷射尿素或液氨等方式加入还原剂，去除氮氧化物；采用低温氨氧化催化剂反应去除多余的氨，无需再装配SCR和ASC反应器，结构简单，净化效果好。

Description

一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置及方法
技术领域
本发明涉及车辆尾气处理装置技术领域，具体涉及一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置及方法。
背景技术
为了降低二氧化碳的排放，传统的燃油汽车也渐渐地进行了改变，以无碳燃料(氨或氢)取代化石燃料的研究也渐趋成熟。氨的最小点火能量高、火焰传播速度慢，并不适合单独作为燃料应用在发动机上。氢气的点火能量低，稀薄燃烧能力强，燃烧范围宽，火焰传播速度快，然而纯氢气也不适合作为发动机的燃料，主要是因为氢气的分子小，密度低，易燃、易爆，不便于储存和运输。将氢与氨在一定比例下混合，可弥补氢氨作为发动机燃料的缺点。
氨氢发动机作为无碳排放的新型动力来源，其尾气排放中最主要污染物为氮氧化物，其中氧化亚氮的温室效应是二氧化碳的近300倍，因此，氨氢发动机要真正做到大规模应用，还需要对其尾气中的氮氧化物进行净化。
CN 114776417 A针对这一问题，公开了一种氢-氨燃料发动机排气后处理系统，包括排气催化装置和氨气供给装置，通过两级SCR催化器及氨补充装置和一级氨逃逸催化器ASC对尾气进行净化，能使氢-氨燃料发动机排气中较高浓度的氨NH3和氮氧化物NOx排放降低到近零水平。但是，当氨柴比达到9以上时，由于发动机未燃烧的氨浓度比氮氧化物高出多倍，经过SCR处理后的氨浓度仍然较高。上述技术无法满足净化尾气的需要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置及方法，该装置中先采用低温氨分解催化剂，将高浓度的氨进行部分分解后，再通过SCR催化剂将未分解的氨和发动机燃烧产生的氮氧物进行反应，无需通过喷射尿素或液氨等方式加入还原剂，去除氮氧化物，最后再用低温氨氧化催化剂反应去除多余的氨，即可达到排放要求。
本发明采用如下技术方案：
一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，包括氨分解催化部、SCR催化部和氨氧化催化部，且所述氨分解催化部的入口与尾气入口连通，所述氨氧化催化部的出口与尾气出口连通，所述氨分解催化部内设置有低温氨分解催化剂，所述SCR催化部内设置有SCR催化剂，所述氨氧化催化部内设置有低温氨氧化催化剂，所述的氨分解催化部、SCR催化部和氨氧化催化部沿尾气的流动方向串联设置。
所述低温氨分解催化剂的活性组成为镍钌/氧化铝、镍钌/氧化硅、铁钌/氧化铝、铁钌/氧化硅、钴钌/氧化硅、钴钌/氧化铝中的一种或多种，其中钌的质量含量为0.1％～4％，金属单质的总体质量含量为5％～15％。
所述氨分解催化部内的低温氨分解催化剂的工作温度为室温～410℃。
所述氨分解催化部的入口处还设有补气口，当所述氨氧化催化部内反应温度高于410℃时，通过所述补气口往所述装置内吹入冷空气进行降温。
所述氨分解催化部内的低温氨分解催化剂对氨的转化率控制在20％-50％，使反应后氨与氮氧化物比值在2:1～4:1之间。
通过控制氨分解催化剂的工作温度调节低温氨分解催化剂对氨的转化率；氨与氮氧化物的检测可通过装配常规的传感器获得。
所述SCR催化剂的活性组分为铁锰铜/氧化铝、铁锰铜/氧化硅和铁锰铜/ZSM-5分子筛中的一种或多种，其中铁:锰:铜的摩尔比为1:(0.1～0.3):(0.1～0.3)，金属单质的总体质量含量为6％～18％。
所述低温氨氧化催化剂活性组分为铂钌/氧化铝、铂钌/氧化硅、铂钌/ZSM-5、铂钌/13X分子筛中的一种或多种，其中铂钌摩尔比为1:2～1:5，两贵金属的总体质量含量为0.1％-1％。
所述氨氧化催化部内的低温氨氧化催化剂工作温度为210-280℃。
一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置应用方法，包括以下步骤：
S1、采用氨分解催化剂，将高浓度的氨进行部分分解；
S2、通过SCR催化剂将未分解的氨和发动机燃烧产生的氮氧物进行反应，去除氮氧化物；
S3、用低温氨氧化催化剂反应去除多余的氨，以达到排放要求。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明先采用氨分解催化剂，将高浓度的氨进行部分分解后，可有效降低未燃氨的浓度。通过SCR催化剂将未分解的氨和发动机燃烧产生的氮氧物进行反应，无需通过喷射尿素或液氨等方式加入还原剂，即可去除氮氧化物。最后通过低温氨氧化催化剂反应去除多余的氨和极少量的一氧化碳，无需再装配SCR和ASC反应器，结构简单，净化效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明车辆用氨氢发动机的尾气净化装置整体结构示意图。
图中标识如下：
1-尾气入口；2-氨分解催化部；3-SCR催化部；4-氨氧化催化部；5-补气口；6-尾气出口。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，包括氨分解催化部2、SCR催化部3和氨氧化催化部4，且氨分解催化部2的入口与尾气入口1连通，氨氧化催化部4的出口与尾气出口5连通，氨分解催化部2内设置有低温氨分解催化剂，SCR催化部3内设置有SCR催化剂，氨氧化催化部4内设置有低温氨氧化催化剂，氨分解催化部2、SCR催化部3和氨氧化催化部4沿尾气的流动方向串联设置。
进一步地，低温氨分解催化剂的活性组成为镍钌/氧化铝、镍钌/氧化硅、铁钌/氧化铝、铁钌/氧化硅、钴钌/氧化硅、钴钌/氧化铝中的一种或多种，其中钌的含量为0.1％～4％，金属单质的总体含量为5％～15％。低温氨分解催化剂的工作温度为室温～410℃。氨分解催化部2的入口处还设有补气口6，当氨分解催化部2内反应温度高于410℃时，通过补气口6往所述装置内吹入冷空气进行降温。氨分解催化部2内的低温氨分解催化剂对氨的转化率控制在20％-50％，使反应后氨与氮氧化物比值在2:1～4:1之间。通过控制氨分解催化剂的工作温度可调节催化剂的转化率；氨与氮氧化物的检测通过装配常规的传感器获得。
SCR催化剂的活性组分为铁锰铜/氧化铝、铁锰铜/氧化硅和铁锰铜/ZSM-5分子筛中的一种或多种，其中铁:锰:铜的摩尔比为1:(0.1～0.3):(0.1～0.3)，金属单质的总体含量为6％～18％。
低温氨氧化催化剂活性组分为铂钌/氧化铝、铂钌/氧化硅、铂钌/ZSM-5、铂钌/13X分子筛中的一种或多种，其中铂钌摩尔比为1:2～1:5，两贵金属的总体含量为0.1％-1％。低温氨氧化催化剂工作温度为210-280℃。应用例1：
在氨氢发动机中通入氨气和氢气体积比为8的燃料，启动发动机后，产生的尾气经过装有低温氨分解催化剂，SCR催化剂以及低温氨氧化催化剂的净化装置。其中低温氨分解催化剂活性组分为镍钌/氧化铝，其中钌的含量为1％，金属单质的总体含量为10％；SCR催化剂的活性组分为铁锰铜/氧化铝，其中铁:锰:铜的摩尔比为1:0.1:0.2；金属单质的总体含量为7％；低温氨氧化催化剂为铂钌/氧化铝，其中铂钌比为1:2，两贵金属的总体的含量为0.3％。检测发动机后的污染物气体含量为：0.65％NH3和1060ppmNOx。经过净化装置后这些污染物的含量降至：9ppmNH3和9ppmNOx。
应用例2：
在氨氢发动机中通入氨气和氢气体积比为8.5的燃料，启动发动机后，产生的尾气经过装有低温氨分解催化剂，SCR催化剂以及低温氨氧化催化剂的净化装置。其中低温氨分解催化剂活性组分为铁钌/氧化铝，其中钌的含量为2％，金属单质的总体含量为12％；SCR催化剂的活性组分为铁锰铜/氧化硅，其中铁:锰:铜的摩尔比为1:0.2:0.3；金属单质的总体含量为11％；低温氨氧化催化剂为铂钌/13X分子筛，其中铂钌比为1:3，两贵金属的总体的含量为0.5％。检测发动机后的污染物气体含量为：0.76％NH3和1290ppmNOx。经过净化装置后这些污染物的含量降至：11ppmNH3和11ppmNOx。应用例3：
在氨氢发动机中通入氨气和柴油体积比为9的燃料，启动发动机后，产生的尾气经过装有低温氨分解催化剂，SCR催化剂以及低温氨氧化催化剂的净化装置。其中低温氨分解催化剂活性组分为钴钌/氧化铝，其中钌的含量为3％，金属单质的总体含量为15％；SCR催化剂的活性组分为铁锰铜/ZSM-5分子筛，其中铁:锰:铜的摩尔比为1:0.3:0.1；金属单质的总体含量为18％；低温氨氧化催化剂为铂钌/氧化硅，其中铂钌比为1:4，两贵金属的总体的含量为0.7％。检测发动机后的污染物气体含量为：0.81％NH3和1360ppmNOx。经过净化装置后这些污染物的含量降至：15ppmNH3和8ppmNOx。
本发明先采用氨分解催化剂，将高浓度的氨进行部分分解后，可有效降低未燃氨的浓度。通过SCR催化剂将未分解的氨和发动机燃烧产生的氮氧物进行反应，无需通过喷射尿素或液氨等方式加入还原剂，即可去除氮氧化物。最后通过低温氨氧化催化剂反应去除多余的氨和极少量的一氧化碳，无需再装配SCR和ASC反应器，结构简单，净化效果好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，其特征在于：包括氨分解催化部(2)、SCR催化部(3)和氨氧化催化部(4)，且所述氨分解催化部(2)的入口与尾气入口(1)连通，所述氨氧化催化部(4)的出口与尾气出口(5)连通，所述氨分解催化部(2)内设置有低温氨分解催化剂，所述SCR催化部(3)内设置有SCR催化剂，所述氨氧化催化部(4)内设置有低温氨氧化催化剂，所述的氨分解催化部(2)、SCR催化部(3)和氨氧化催化部(4)沿尾气的流动方向串联设置。
2.根据权利要求1所述的车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，其特征在于：所述低温氨分解催化剂的活性组成为镍钌/氧化铝、镍钌/氧化硅、铁钌/氧化铝、铁钌/氧化硅、钴钌/氧化硅、钴钌/氧化铝中的一种或多种，其中钌的含量为0.1％～4％，金属单质的总体含量为5％～15％。
3.根据权利要求2所述的车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，其特征在于：所述氨分解催化部(2)内的低温氨分解催化剂的工作温度为室温～410℃。
4.根据权利要求3所述的车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，其特征在于：所述氨分解催化部(2)的入口处还设有补气口(6)，当所述氨氧化催化部(4)内反应温度高于410℃时，通过所述补气口(6)往所述装置内吹入冷空气进行降温。
5.根据权利要求2所述的车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，其特征在于：所述氨分解催化部(2)内的低温氨分解催化剂对氨的转化率控制在20％-50％，使反应后氨与氮氧化物比值在2:1～4:1之间。
6.根据权利要求1所述的车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，其特征在于：所述SCR催化剂的活性组分为铁锰铜/氧化铝、铁锰铜/氧化硅和铁锰铜/ZSM-5分子筛中的一种或多种，其中铁:锰:铜的摩尔比为1:(0.1～0.3):(0.1～0.3)，金属单质的总体含量为6％～18％。
7.根据权利要求1所述的车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，其特征在于：所述低温氨氧化催化剂活性组分为铂钌/氧化铝、铂钌/氧化硅、铂钌/ZSM-5、铂钌/13X分子筛中的一种或多种，其中铂钌摩尔比为1:2～1:5，两贵金属的总体含量为0.1％-1％。
8.根据权利要求7所述的车辆用氨氢发动机的尾气净化装置，其特征在于：所述氨氧化催化部(4)内的低温氨氧化催化剂工作温度为210-280℃。
9.一种车辆用氨氢发动机的尾气净化装置应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用氨分解催化剂，将高浓度的氨进行部分分解；
S2、通过SCR催化剂将未分解的氨和发动机燃烧产生的氮氧物进行反应，去除氮氧化物；
S3、用低温氨氧化催化剂反应去除多余的氨，以达到排放要求。
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