CN1187778A - 用于催化净化由燃烧装置所排出的废气的方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种用于催化净化由燃烧装置所排出的废气的方法与设备,所要净化的废气(a)被引导进入一转换与混合管道(16),使得废气(a)沿预先给定的纵轴方向(18)流过管道(16),同时向转换与混合管道(16)中的废气(a)流喷入还原剂(r),特别如稀尿素溶液。之后,废气(a)流转向进入一平行于转换与混合管道(16)或在外面将其包围住的反应管道(34)内,自此,废气(a)沿相反的方向(32)流动。还原催化剂(36、38)位于反应管道(34)内,废气(a)中可还原的成分在该处被还原。随后,通过这种方式净化过的废气(a′)被排出反应管道(34)。

Description

用于催化净化由燃烧 装置所排出的废气 的方法与设备

本发明涉及一种用于催化净化由燃烧装置所排出的废气的方法，该燃烧装置采用固态、液态或气态燃料。在此，通过喷入液态或气态的还原剂，如稀尿素溶液或气态氨，借助于雾化剂，如压缩空气，使还原剂在热的废气流中分解，将废气中有害的气态成分催化还原(主要按SCR方法)。另外，本发明还涉及一种用于催化净化由燃烧装置所排出的废气的设备。

尤其在采用SCR方法时，本发明可应用于发动机与燃烧设备的废气的催化净化，例如柴油机、柴油  汽油(双燃料)发动机、采用稀薄燃烧方式的汽油机、使用石油、煤气、木材和其它燃料的锅炉以及燃汽轮机，它们例如可用来带动发电机、压缩机、载重卡车、作功机械、船舶和火车机车，或者用来产生热、蒸汽和热水。

对本文开头所述形式的、用于净化由燃烧装置所排出的废气的方法和设备，已经由EP-B10558452，特别是图1所公开。所公开的这种设备包括一个具有三个彼此平行布置的管道或腔室的壳体。在称作热解管道的第一根管道的首端与位于一侧所需净化热废气的输入管相连通，在首端大约中心处的位置，有一个双元雾化喷嘴，将反应剂，如稀尿素溶液和雾化剂，如压力超过大气压1bar的压缩空气输送给该双元雾化喷嘴。尿素溶液和压缩空气在热解管道的纵向方向上形成一个气溶胶类型的喷射锥。在此，尿素可以完全转化或分解为纯的氨和二氧化碳。带有氨和二氧化碳的废气流在热解管道的次端转入平行布置的，称作混合管道的第二根管道，并且在那儿沿反方向流动，而且流过一些普通结构形式的交叉流动混合器。这时，与业已分解的反应剂均匀而强烈地混合的废气流，紧接着流入平行布置的、称作反应管道的第三根管道。在此，废气流首先通过两个彼此有一定间距的还原催化剂。特别是SCR催化剂(SCR＝可选择性催化还原)，然后再选择通过一个同样间隔设置的、几何形状相同的氧化催化剂。还原催化剂与可能存在的氧化催化剂均呈蜂窝状结构并配备有纵向延伸的管道。从即时起，消除了所有气态有害物的废气流随后进入热交换器，或通过排出口，例如烟囱或排气口排出。

所公开的这种用于净化废气的设备，由于三个管道平行布置而相当紧凑，然而值得追求的是，对于多种应用场合，在效率相同的情况下，结构还需更为紧凑，因为尤其在汽车中，可供使用的空间十分有限。

DE-A14203807公开了一种具有中心对称结构的废气净化系统，然而没有提供气流偏转装置。这种系统相对较长，因而不能应用于例如所有类型的汽车，在此更需要结构更紧凑的型式。

因而，本发明的目的在于，在使本文开头所述类型的方法与设备保持工作效率不变的情况下，还具有使结构更加紧凑的可能性。

本发明基于经试验所证实的知识，即第一根和第二根管道在一定的边界条件下，在功能上可联合成一单一管道，也就是联合成一根组合的转换与混合管道，这就是说，是可以组合的。它可以与反应管道平行，或者布置在反应管道内部(优选中心位置)。令人惊异地是，就效用而言，三条管道内的空间分隔并非是必需的。

本发明的目的是这样实现的，即本发明的方法具有下列步骤：

a)废气进入转换与混合管道，使得废气在管道的纵向方向上，特别是在紊流状态下流过管道，

b)例如将液态还原剂，特别像稀尿素溶液喷到转换与混合管道中的废气流中，

c)从转换与混合管道流出的废气流转向流入平行布置的、或包围在外面的反应管道内，使废气自此沿反方向流动，

d)在反应管中还原催化剂的作用下，将废气中可还原的成分还原。

e)净化过的废气流流出反应管道。

本发明的设备配备有：

a)一个带有废气入口的转换与混合管道，其中该管道具有一为废气流流过而预先确定的纵向方向，

b)一向转换与混合管道内喷射还原剂的输入装置，

c)一与上述管道平行布置的、或包绕在上述管道之外包含有还原催化剂的反应管道，

d)一将废气从转换与混合管道继续传输到反应管道中的转向装置，使得废气沿反向流过该反应管道。

e)一个将已净化过的废气从反应管道排出的出口。

反应管道也可以平行地布置在转换与混合管道之旁(平行型)，然而在一特别优选的实施形式中，转换与混合管道位于中间区域，尤其是布置在反应管道内的中心位置(中心型)。由此得出了三种符合本发明的催化剂结构类型：按照其中一种结构类型，催化剂具有布置成p行、q列的催化剂模块，在其中间区域特别是中心位置一空出(m×n)个催化剂模块的空间，用于构成转换与混合管道，其中，m＜p且n＜q。按照另一种结构类型，催化剂外型呈圆环状，由一些圆弧状催化剂模块组合而成，其内部区域用以构成具有圆形截面的转换与混合管道，并且催化剂可以装入一个外形呈圆形的壳体内，按照第三种结构类型是一种具有外倒角的结构。其中采用方形或圆弧形模块。

其它有利的技术方案由从属权利要求给出。

采用符合本发明的设备，可实现特别紧凑的结构形式，因为只需要两条互相平行布置或两条交错布置的管道，结构体积与催化剂体积的比例也可保持很小。在优选的实施形式中，由于相当简单地、实际上对称地分流，使得所说明的结构原理被保留用于不同的结构尺寸，这样就存在着出于成本原因值得去追求的“保持结构原理的可能性”(“成比例增大”)。

下面借助于7幅附图对本发明的实施例作进一步的说明，相同的和相应的构件具有同一附图标记，附图中：

图1为具有两个平行管道的平行式催化净化设备的横截面图(图2中A

A截面)；

图2为图1所示净化设备的纵截面图(图1中B-B截面)；

图3为第一种中心式催化净化设备的纵截面图，该设备具有两个彼此中心布置的管道；

图4为图3所示净化设备入流侧的视图；

图5为第二种中心式催化净化设备的纵截面图，该设备具有两个彼此中心布置的管道；

图6为图5所示净化设备的横截面图(图5中C-C截面)；

图7为在空出一矩形中心式转换与混合管道的情况下，72个方形催化剂模块在反应管道内的布置情况；

图8为在空出一个圆形中心式转换与混合管道的情况下，4个圆弧状催化剂模块在反应管道内的布置情况；

图9为在空出一个矩形中心式转换与混合管道的情况下，4个方形和4个圆弧形催化剂模块在反应管道内的布置情况。

按照图1和图2，用于催化净化由燃烧装置所排出的废气a的设备具有一方形的壳体10，两根废气a的输入管12a、12b通入该壳体10内，废气温度在200～500℃。图2仅清楚地示出了废气输入管12a。

为了清楚地说明，在图1中，将两个废气输入管12a及12b的输入开口14a和14b用虚线画出，输入通道均用14表示。两个输入口14a、14b通向一个宽的、伸长的喷射腔，这在下面称作转换与混合管道16，管道16的横截面为方形，它的纵轴方向用18表示，可以看出，两个废气输入管12a、12b与纵轴方向18倾斜相对。在该实施例中，为在流动输入的废气a中产生一进气涡流，它们与纸面也倾斜反向。位于纵轴方向18的中间壁20用来构成转换与混合管道16。

在管道16的始端，且对称地位于两个入口14a和14b之间，在中心位置是一个作为输入装置的双元雾化喷嘴22，由它喷入一种还原剂r，特别是稀尿素溶液和雾化剂p，特别是压缩空气，它在工作时产生的喷射锥用24表示，锥角可从10至40°优先选择大于等于20°。在此，双元雾化喷嘴22可通过选择喷射锥、液滴直径、喷射距离、蒸发段来进行匹配，即在转换与混合管道16内，尿素继续转换成氨、本身蒸发以及与流动的废气a混合。

在转换与混合管16内，可选择安放一种水解催化剂28。在注重完全反应的情况下，当由于尿素所必需的最短滞留期和受其它工艺参数的限制，组合式转换与混合管道16的长度需要很长时，就特别要安放这种催化剂。水解催化剂28在一定程度上同样与流入的物质混合，使得人们在装入该水解催化剂后，采用长度缩短的转换与混合管道16也行得通了。重要的是，在转换与混合管道16的末端，尿素实际上完全转换为氨。

在管道16的末端，设有第一级转向装置30，在第一级转向装置30内可设置转向设备或转向板(未示出)。第一级转向装置30使流体转为反方向32，也就是转过约180°

转向后的物质进入反应管道34，在反应管道34内至少安装一个还原催化剂36，尤其是SCR催化剂。当前的情况是，在那儿设有两个彼此有一定间距的还原催化剂36、38(催化剂块)，所述物质沿反方向32流过其纵向管道，还原催化剂36、38在此以众所周知的方式，用来转换废气a中所不希望存在的组份或成份，尤其是用来消除有害的氮氧化合物NO_x。

对于壳体10的紧凑结构重要的是，废气a在转换与混合管道16内的流动方向18，在反应管道34内转换为流向32，并沿此方向流过还原催化剂36、38。

同还原催化剂36一样，还原催化剂38在本实施例中由六个彼此重叠安放的、同种形式的模块组成，这可由图1得知。

第二个还原催化剂38可以一定间距或无间距地与截面尺寸相同的氧化催化剂39相连。氧化催化剂39用来转换CO、C_nH_n以及其它可氧化的废气组份。

在反应管道34的出口，连有第二级转向装置40，它用来转向约90°至出口42的方向，在出口上有一个净化后的废气a′的排气口44。

在此，需再一次说明的是：转化与混合管道16此处用作蒸发、混合与转换段。在管道16内，不存在或不需要静力学混合器来把蒸发的氨NH₃与废气a强烈混合，这被视作重要的优点。尽管如此，也可以确保反应以及喷入的还原剂r与废气a的均匀混合。

也很重要的是：两个废气输入管12a、12b对于转换与混合管道16的纵轴18对称布置，由此使上述成份a、p和r最终很好地混合。

在图3和图4中示出了催化净化设备的一种优选的实施形式，废气a流入该设备中心的第一级管道，并反向流过设置在第一级管道外的第二级管道，在这种实施形式中，入流管或者叫废气输入管12，斜着通入环状预燃室50，预燃室50也可设计成圆盘状。特别如图4所示，废气输入管12倾斜设置，且这样使得预燃室50内的废气a产生关于纵轴方向18的旋转运动。环形预燃室50具有一个以纵轴方向18为中心线的环状排出口52，该环状排出口借助于安装壁54形成。出口52同时也是管道16的入口。在安装壁54上固定有一个输入装置22，也就是一个用于(喷射)还原剂r和雾化剂p的双元雾化喷嘴。雾化喷嘴22的喷射锥仍用24来表示。(喷嘴)结构这样设计，即使外部留有一定的装配空间56废气a经过出口52流入转换混合管道16，并在那儿与雾化的还原剂r混合。

在转换与混合管道16内，也可再选择安装一水解催化剂28。

在转换与混合管道16的末端是一个转向装置或转向腔58，它与一环状反应管道34相连，该反应管道从外面包围住转换与混合管道16，且实际上完全充满了还原催化剂36，其纵向管道与纵轴方向18平行。为了混合气的导向，可在转向腔58内设置转向板或转向导向装置60。管道16可通过一管状板壁61构成。在考虑到一定结构条件的情况下，作为反应催化剂36的支架的板壁61可以取消，那么，管道16内的气体就已经与催化剂36外侧的催化剂材料反应了。

转向腔58的后壁62以及转换与混合管道16，还有存在时的板壁61，可在其内表面上涂上一层活性催化表面。同样，在转向导向装置60上也涂上一层这类的活性催化涂层。在此，可选用水解催化涂层或SCR催化涂层。通过这类涂层，表明可以在这些地方避免出现固态沉淀物和因之产生的堵塞。

在流过具有一矩形或圆形横截面的环形转换与混合管道16之后，混合气到达了一几何尺寸相同的环状流出室64。，流出室64具有两个流出通道或出口66、68，原则上采用一个出口就足够了，催化净化后的废气a′可以从这儿、必要时再经过其它装置(如热交换器、消音器)进入废气通道，进入排气出口或烟囱。

图5和图6所示实施形式在很大程度上与图3、图4中的那个实施形式相应，不过此处的排气室或流出室64不是直接装有一个或多个出口，更确切地讲，排气室64带有另外一个转向装置，换句话说：排气室64这样设计，即使得气流转向至与纵轴方向18平行，并进入一个消音室70，消音室70为一环状空间，它位于管道16的外部，并带有SCR催化剂36。在此，消音室70设有两个废气出口72、74，净化过的废气a′从这儿排出。原则上讲，此处采用一个出口就足够了。壳体10的外壁可另外涂上一层吸音材料(未示出)，以增强消音室70的效果。

在本实施例中也可以将活性催化涂层，特别是SCR涂层，也可应用在转向室58和转换与混合管道16内。

在用来(喷射)还原剂r和雾化剂p的双元雾化喷嘴22中，也可选用商业上惯用的喷嘴，使其喷射锥24具有预先设定的喷射角，它应当与壳体10绝热。由于废气存在绕纵轴线18的旋转涡流，使得混合良好。

在本实施例中，SCR催化剂36也是由多个单独的模块构成，这在图6中可特别清楚地看出。据此总共有(3×3)-1＝8个这类具有标准尺寸的模块，这种模块总是具有一矩形、特别是方形的横截面。也可选择旋转对称形设置来取而代之。根据给定模块的结构方式，转换与混合管道16在右面部分具有一矩形、特别是方形横截面。图6所示左侧的进口区域(腔室50)具有圆形或倒圆角的结构。沿流动方向看，气流由一个圆形截面逐渐过渡到有角的横截面。所示出的用于净化废气的设备特别为在载重汽车的柴油机上使用而设计。

作为还原催化剂36，还应当作如下说明：

可以使各个模块彼此重叠地堆叠(如图所示)或使多个模块一个接一个地布置。在一个接一个布置的情况下，各模块之间都有一个间隙，这在图2中业已示出，中间空腔可以将不同的催化剂彼此分开。例如，首先安装一个SCR催化剂模块，接下来再安装一个氧化催化剂模块。

图7给出了一种结构有些不同的催化剂36，在此，模块布置成行数p＝9，列数q＝9。在中心(此处为中心式结构)留出了一个用于转化与混合通道16的空间，对此省出了(m×n)＝3×3个模块，因而在反应管道34的截面上总共布置有(p×q)-(m×n)＝9×9-9＝72个模块。

当然，可选择的催化剂模块的布置有3×3-1＝8、4×4-2×2＝12、5×5-3×3＝16、6×6-2×2＝32、7×7-3×3＝40、8×8-4×4＝48、10×10-4×4＝84等等。在此总是选择p＝q和m＝n，此外，不仅仅是正方形结构，原则上矩形结构也可以，例如采用(7×5)-(3×3)＝26个模块，也可以选择p≠q和/或m≠n。

由此清楚地表明，配置(p×q)-(m×n)一般为矩形结构(p＞m、q＞n且p、q、m、n始终为整数)为其空出(m×n)个模块的管道16优选中心布置(中心结构)，但该中心结构本身必须不处于中心位置。

还需强调的是，催化剂36以及壳体10可具有整体呈圆形、或倒圆角的结构形式，换句话说，这种结构形式可具有一个贯通的为圆形或四边形的内通道16、一个或多个圆环状催化剂36、以及一圆形的外轮廓。环状催化剂36适宜由一些弧状催化剂模块组成，例如可由四个四分之一圆弧段组成。

图8中，具有一中心式圆形通道16，在管状板壁61与外罩或壳体10之间形成的环绕的管道34内有四个相同的四分之一圆弧段的催化剂模块36r。也可与此不同，而采用更多的模块36r，例如8个模块36r，它们各自占有45°。在各个模块36r之间的空间内，优先选用胶水或密封材料，例如一种陶瓷-纤维材料。也可使用膨胀垫，这使得模块36r径向环绕。所示出的圆形结构形式具有很好的强度。

与之相对，图9中所涉及的为一倒圆角的结构形式。其中，催化剂36由四个相同的矩形催化剂模块36Z和四个相同的四分之一圆弧状催化剂模块36r组成，它们始终保持交替布置。尺寸大的结构可以包含更多的模块36Z和36r，例如也可设置行数p＞3(如p＝12)，列数q＞3(如q＝12)。在弯角处，总是为四分之一圆弧状模块36r或多个圆弧状模块36r。模块36r之间的空隙同样可用胶水或密封材料填充，也可使用膨胀垫。这种倒圆角的实施形式在承受机械负荷方面也是特别坚固的。

图7至图9中的催化剂的布置主要应用于大型设备。

图3至图9所示实施形式的中心对称结构具有如下优点：

-还原剂废气混合良好；

-与还原剂混合的废气均匀分布于催化剂上；

-具有在不同结构尺寸条件下，结构原理保持不变的可能性(成比例增大)；

-具有使相同结构原理的各级结构尺寸的结构模块化的可能性并可采用相同结构的组件(特别是催化剂结构模块、转换与混合管道)；

-具有在入流区域(中心式)使用水解催化剂的可能性(在SCR方法中使用尿素)；

-具有安装转向装置60的可能性；

-具有在转向装置60或转向壁62上采用活性催化表面的可能性，例如用于水解或对于废气通常的催化净化；

-具有在环状空间16内布置组合式催化剂的可能性，例如SCR催化剂和氧化催化剂；

-由于转向壁62的转向和/或转向装置60、以及多倍的截面变化/反射面，使得消音良好。具有安装附加的消音构件的可能性，或具有通过流道设计，利用形成的干扰达到反射消音器的效用的可能性；

-采用具有适宜喷射角(约10°～40°)的双元雾化喷嘴22，用以喷射辅助还原物质，例如氨或者尿素，或者其它可释放出NH₃的还原剂；

-由于结构紧凑，利用外表面上的强烈还原，热损失很小。

-在水解临界点，即在喷射后的地方的温度标准(Vergleichmβigung)。

-通过在催化剂室的中心布置转换与混合管道，使得结构紧凑。

-由于废气a的各次转向形成的混合效应，使得混合良好，反应转换彻底。

Claims (18)

1.一种用于净化由采用固态、液态或气态燃料的燃烧装置所排出的废气(a)的方法，其具有下列步骤：

a)引导废气(a)进入一转换混合管道(16)，使得废气(a)以预先确定的纵轴方向(18)，最好在涡流状态下流过该管道(16)，

b)在转换与混合管道(16)内，向废气(a)流内喷入例如呈液态或气态的还原剂(r)，特别如稀尿素溶液或气态氨，

c)废气(a)流从转换与混合管道(16)转向进入一与该管道平行布置的、或在外面包围住该管道的反应管道(34)内，使得废气(a)自此沿反方向(32)流动，

d)在反应管道(34)内，废气(a)中可还原的成份，在还原催化剂(36、38)处还原，

e)已净化的废气(a′)流被引导流出反应管道(34)。

2按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在反应管道(34)内流动的废气(a)要流过一个氧化催化剂(39)。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在转换与混合管道(16)内流动的废气(a)要流过一水解催化剂(28)。

4.一种用于净化由采用固态、液态或气态燃料的燃烧装置所排出的废气(a)的设备，其包括：

a)一转换与混合管道(16)，该管道带有废气(a)的入口(14、52)和一预先给定的纵轴方向(18)，废气(a)沿该方向流动，

b)一用来向转换与混合管道(16)内喷射还原剂(r)的输入装置(22)，

c)一与管道(16)平行布置或在外面将其包围住的反应管道(34)，它内含还原催化剂(36、38)，

d)转向装置(30、58)，用于将废气(a)自转换与混合管道(16)导入反应管道(34)，以使废气(a)沿反方向流过反应管道(34)，

e)排气口(44；66、68；72、74)，用作净化后的废气(a′)自反应管道(34)流出的出口。

5.按照权利要求4所述的设备，其特征在于，输入装置(22)为一用来喷入稀尿素溶液和压缩空气的双元雾化喷嘴，它优选布置在转换与混合管道(16)的入口(14、52)的中心位置。

6.按照权利要求4或5所述的设备，其特征在于，在反应管道(34)的末端，在排气口(44；66、68；72、74)之前设有另一转向装置(40、64)。

7.按照权利要求4至6中任一项所述的设备，其特征在于，在反应管道(34)内设有一氧化催化剂(39)。

8.按照权利要求4至7中任一项所述的设备，其特征在于，在转换与混合管道(16)内、在转向装置(30、58)区域内或在反应管道(34)内，在还原催化剂(36、38)之前，设有水解催化剂(28)。

9.按照权利要求4至8中任一项所述的设备，其特征在于，转换与混合管道(16)布置在反应管道(34)的中心。

10.按照权利要求4至9中任一项所述的设备，其特征在于，还原催化剂(36、38)，最好是SCR催化剂，由各个方形或圆弧形模块(36Z、36r)组成，并且转换与混合管道(16)的横截面呈矩形或圆形，或仅在角部倒圆角。

11.按照权利要求4至10中任一项所述的设备，其特征在于，在转换与混合管道(16)的入口(14)之前设有一盘状或环状预燃室(50)。

12.按照权利要求4至10中任一项所述的设备，其特征在于，作为转换与混合管道(16)的入口(14)至少设有用于废气(a)的两个进气口(14a、14b)。

13按照权利要求4至12中任一项所述的设备，其特征在于，转向装置(30、58)具有一活性催化表面。

14.按照权利要求6至13中任一项所述的设备，其特征在于，附设的转向装置(40、64)具有一活性催化表面。

15.按照权利要求4至14中任一项所述的设备，其特征在于，反应管道(34)设有消音机构(70)。

16.一种催化剂(36、38、39)，其具有以p行、q列布置的催化剂模块(36Z)，在模块中，在中间区域且优选在中心区域空出m×n个催化剂模块(36Z)以用来构成转换混合管道(16)，其中m＜p且n＜q。

17.一种圆环状的催化剂(36、38、39)，其由一些圆弧状催化剂模块(36r)组合而成，其内部区域用于构成具有圆形横截面的转换与混合管道(16)，并且该催化剂可装入一外形为圆形的壳体(10)内。

18.一种具有倒圆角结构的催化剂(36、38、39)，其由一些矩形催化剂模块(36Z)和一些圆弧状催化剂模块(36r)组合而成，其内部区域用来形成转换与混合管道(16)。

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