КОМПАКТНАЯ СИСТЕМА СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ОБОГАЩЕННОМ КИСЛОРОДОМ ВЫХЛОПНОМ ГАЗЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ МОЩНОСТЬЮ ОТ 500 ДО 4500 кВт Российский патент 2018 года по МПК F01N3/20 B01D53/94 

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение относится к компактной системе селективного каталитического восстановления (СКВ) для восстановления NOx, в которой поток горячего выхлопного газа обеспечивает тепло для разложения карбамида на его активные компоненты, включая аммиак. Описывается компактная система, включающая реактор СКВ, систему газового потока, и испарительный модуль. Реактор СКВ включает катализатор СКВ и находится в сообщении по текучей среде с системой газового потока и испарительным модулем. Система газового потока расположена смежно по меньшей мере, четырем сторонам реактора СКВ и выполнена с возможностью для нагрева испарительного модуля и обеспечения прохождения приблизительно равномерного потока выхлопного газа газа через катализатор. Испарительный модуль выполнен с возможностью для испарения раствора, включающего восстановитель или предшественник восстановителя, и перемещения восстановителя в проточную систему, где он смешивается с выхлопным газом, а затем смесь газов реагирует в катализаторе СКВ. Конфигурация компактной системы обеспечивает улучшенное разложение карбамида на активный восстановитель по сравнению с системами предшествующего уровня техники, используемых с двигателями, имеющими мощность от 500 до 4500 киловатт (кВт).

Уровень техники, к которой относится изобретение

Селективное каталитическое восстановление (СКВ) оксидов азота (NOx) в выхлопных газах используется во многих отраслях промышленности во всем мире в целях соблюдения государственного и международного законодательства об ограничении выбросов. Оксиды азота, которые образуются в процессе сгорания ископаемого и возобновляемого топлива, восстанавливаются восстановителем, таким как аммиак, на поверхности катализатора. Используются разнообразные катализаторы на разнообразных подложках, включая оксиды ванадия, ионообменные цеолиты и т. д. Катализаторы могут изготавливаться в различных композициях и могут присутствовать в различных формах, таких как экструдированные или покрытые ячеистые материалы, металлические подложки и т. д. Один из основных факторов, которые определяют выбор соответствующего катализатора, представляет собой температура выхлопного газа. Хотя аммиак является предпочтительным в качестве восстановителя, непосредственное использование аммиака оказывается проблематичным вследствие опасной природы газообразного аммиака. Таким образом, используются, как правило, вещества, которые являются удобными для работы и разлагаются, образуя аммиак, когда они вводятся в горячие выхлопные газы. Например, водный раствор карбамида разлагается при температурах, превышающих 140°C, образуя аммиак и изоциановую кислоту (HNCO), которая затем разлагается, образуя аммиак и диоксид углерода. Однако образование аммиака из водного раствора карбамида представляет собой относительно медленный процесс. Если продолжительность пребывания карбамида в горячем газовом потоке является чрезмерно коротким, это может приводить к его осаждению на стенках реактора или, что еще хуже, на катализаторе. Таким образом, относительно протяженные вводные каналы, длина которых составляет несколько метров, располагаются выше по потоку относительно действующего катализатора, используемого в устройствах СКВ предшествующего уровня техники. Эти длинные каналы, как правило, представляют собой прямолинейные трубы, через которые проходит выхлопной газ, и в которых восстановитель вводится в горячий газовый поток посредством инжектора или фурмы.

Системы СКВ, которые описываются выше, как правило, используются на крупных стационарных системах, таких как электростанции. Системы СКВ меньших размеров используются в автомобильных устройствах и в двигателях, мощность которых составляет, как правило, менее 600 кВт. Эти малые системы СКВ имеют различные конструкции вследствие меньших объемов выхлопного газа, и, таким образом, требуются меньшие массовые потоки восстановителя, который вводится в систему. В последнее время были установлены ограничения выбросов для дизельных и газовых двигателей мощностью от 500 до 4500 киловатт (кВт) для морских и внедорожных транспортных средств и производства энергии. В настоящее время системы, используемые в двигателях этих размеров, составляют длинная выхлопная труба (длиной вплоть до приблизительно 10 м), имеющая большой диаметр (вплоть до приблизительно 0,6 м), и катализатор СКВ, расположенный в потоке выхлопного газа. Водный раствор карбамида вводится непосредственно в выхлопной газ посредством фурмы. После этого карбамид превращается в аммиак в потоке выхлопного газа. Для достижения равномерного распределения концентрации аммиака по всему поперечному сечению катализатора поток преднамеренно возмущается посредством статических смесителей. Часто аммиак непосредственно вводится через решетку впрыска аммиака (РВА) в полный поток выхлопного газа перед пропусканием через один или множество смесителей, а затем катализатор СКВ. Таким образом, в результате неравномерного распределения потока могут образовываться области с низкими уровнями температуры, в которых происходит осаждение или коррозия за счет частичного разложения карбамида. В результате этих потерь карбамида также происходит уменьшение активности превращения NOx, потому что осажденный материал не может принимать участие в реакции превращения карбамида в аммиак.

Пространство представляет собой решающий фактор в устройствах для морских и внедорожных транспортных средств, а также в отрасли производства энергии, и использование пространства может воздействовать на экономичность работы в этих отраслях. Например, сверхкрупное судно или паром может терять пассажирское пространство, что непосредственно приводит к снижению рентабельности. В случае больших горнодобывающих экскаваторов и грузовиков потребовалось бы снижение грузов, которые могут перемещаться или перевозиться, и в результате этого потребовалось бы осуществление увеличения числа операций экскаватора или дополнительных рейсов грузовика в целях перемещения такого же количества материала. В случае некоторых транспортных средств, таких как буксирные суда, в машинных отделениях может отсутствовать пространство, требуемое для установки действующего оборудования СКВ предшествующего уровня техники.

Компактная система СКВ, которая описывается в настоящем документе, обеспечивает использование карбамида для снижения содержания оксидов азота (NOx) в выхлопном газе с использованием процесса СКВ в двигателях, имеющих такой размер, что ограничения пространства системы последующей обработки выхлопного газа ранее представляли собой препятствие для ее использования. Одно из преимуществ компактной системы СКВ, которая описывается в настоящем документе, заключается в том, что данная система не только оказывается пригодной для использования с новыми двигателями в вышеупомянутых отраслях, но, помимо этого, допускает послепродажную установку систем таким образом, что существующие двигатели также становятся способными сокращать свои выбросы.

Сущность изобретения

Описывается компактная система селективного каталитического восстановления (СКВ), которая включает впускающую систему газового потока, испарительный модуль, реактор СКВ, включающий катализатор СКВ, и систему обработки газового потока выхлопного газа. Впускающая система газового потока включает, по меньшей мере, один впуск выхлопного газа, область теплопередачи, по меньшей мере, две начальные смесительные зоны и, по меньшей мере, два проточных канала. По меньшей мере, один впуск выхлопного газа включает один или несколько входов для выхлопного газа, который поступает из двигателя. Область теплопередачи выполнена с возможностью передачи тепла от выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания в испарительный модуль. Тепло, которое передает выхлопной газ в испарительный модуль, способствует испарению раствора карбамида, или предшественника аммиака, который вводится в испарительный модуль. Выхлопной газ, который выходит из области теплопередачи, перемещается, по меньшей мере, в две начальные смесительные зоны, которые находятся в сообщении по текучей среде с испарительным модулем, где он объединяется с восстановителем или предшественником восстановителя и образует смешанный газ. Испарительный модуль включает устройство для образования испарившегося восстановителя из раствора восстановителя или предшественника восстановителя, испарительный объем, включающий испарившийся восстановитель в испарительном модуле, и устройство для перемещения испарившегося восстановителя и/или предшественника восстановителя в начальную смесительную зону во впускающей газовый поток системе. В испарительном модуле, причем предшественник восстановителя превращается в восстановитель. Проточные каналы могут содержать ряд отражателей, которые регулируют продолжительность пребывания газов в системе. Проточные каналы выполнены с возможностью пропускания смешанного выхлопного газа вокруг, по меньшей мере, трех сторон реактора СКВ. После пропускания через проточные каналы смешанные газы поступают в проход, где эти газы дополнительно перемешиваются, а затем поступают в реактор СКВ, содержащий катализатор СКВ, где смешанные газы имеют приблизительно равномерную скорость газов и профиль концентрации по всему поперечному сечению катализатора СКВ. Смесь восстановителя/предшественника восстановителя и выхлопного газа имеет относительно большую продолжительность пребывания, прежде чем они проходят в катализатор СКВ. Реактор СКВ находится в сообщении по текучей среде с впускающей газовый поток системой и испарительным модулем. В данной системе не используется решетка впрыска аммиака (РВА), которая часто используется в традиционных процессах СКВ. После пропускания через катализатор СКВ обработанный выхлопной газ пропускается в выпускную область, которая предпочтительно находится в термическом сообщении с испарительным модулем, а затем выпускается из системы. Часть обработанного газа может отделяться от основного потока выхлопного газа и пропускаться в испарительный модуль. Ниже описываются многие из предпочтительных аспектов настоящего изобретения. Предусматриваются эквивалентные композиции.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение становится более понятным, и его преимущества оказываются более очевидными из следующего подробного описания, особенно при его рассмотрении вместе с сопровождающими чертежами.

Фиг. 1 представляет общий вид потоков газов и восстановителей в компактной системе СКВ.

Фиг. 2 представляет изображение поперечного сечения примерной компактной системы СКВ, иллюстрируя часть впускающей системы газового потока и испарительный модуль, где впускающая система газового потока и испарительный модуль содержат стенки, прилегающие друг к другу, когда испарительный модуль помещается в систему СКВ.

Фиг. 3 представляет изображение поперечного сечения примерной компактной системы СКВ, иллюстрируя часть впускающей системы газового потока и испарительный модуль, где присутствуют единственная стенка между впускающей системой газового потока и испарительным модулем и единственная стенка между испарительным модулем и реактор СКВ.

Фиг. 4 представляет изображение примерной части испарительного модуля.

Фиг. 5 представляет изображение частичного сечения, иллюстрируя траекторию потока выхлопного газа через часть примерной системы СКВ.

Фиг. 6 представляет изображение траекторию потока выхлопного газа через часть примерной системы СКВ.

Фиг. 7a-d представляют изображения поперечных сечений, иллюстрируя примерные потоки выхлопного газа через примерную систему СКВ.

Фиг. 8 представляет результаты проведенного стендового испытания двигателя, иллюстрируя исходную концентрацию NOx до СКВ и суммарную процентную степень превращения после СКВ при различных температурах выхлопного газа и при различных соотношениях аммиака и NOx (ANR).

Фиг. 9 представляет процентные степени превращения NOx в различных точках на катализаторе для выхлопного газа из двигателя в результате стендового испытания, проведенного в условиях реальной эксплуатации.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение предлагает систему СКВ, которая включает впускающую систему газового потока, испарительный модуль и катализатор СКВ. Далее будет описано несколько примеров, причем некоторые из них будут представлены в предпочтительных формах.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения, система селективного каталитического восстановления (СКВ) включает впускающую систему газового потока, испарительный модуль и реактор СКВ; причем:

a. впускающая система газового потока включает, по меньшей мере, один впуск выхлопного газа, область теплопередачи, по меньшей мере, две начальные смесительные зоны и, по меньшей мере, два проточных канала, причем область теплопередачи выполнена с возможностью для передачи тепла от выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания в испарительный модуль; каждая из, по меньшей мере, двух начальных смесительных зон находится в сообщении по текучей среде с испарительным модулем и выхлопным газом, уходящим из области теплопередачи, и выполнена с возможностью для производства смешанного выхлопного газа посредством смешивания испарившегося восстановителя из испарительного модуля с выхлопным газом; и каждый из, по меньшей мере, двух проточных каналов выполнен с возможностью для обеспечения приблизительно равномерного потока смешанного выхлопного газа через катализатор СКВ и обеспечивать средство передачи тепла от выхлопного газа в катализатор СКВ; причем система газового потока располагается вблизи, по меньшей мере, четырех сторон катализатора СКВ;

b. испарительный модуль включает устройство для образования испарившегося восстановителя из раствора восстановителя или предшественника восстановителя, испарительный объем, включающий испарившийся восстановитель в испарительном модуле и устройство для перемещения испарившегося восстановителя в начальную смесительную зону во впускающей газовый поток системе; и

c. реактор СКВ включает катализатор СКВ и находится в сообщении по текучей среде с впускающей газовый поток системой и испарительным модулем.

Область теплопередачи включает конструкцию, которая выполнена с возможностью для пропускания потока выхлопного газа между конструкцией и стенкой, которая находится в термическом сообщении с испарительным модулем или представляет собой часть испарительного модуля.

Данная конструкция может дополнительно выполняться с возможностью для пропускания потока выхлопного газа между конструкцией и первой стенкой, которая находится в термическом сообщении с испарительным модулем или представляет собой часть испарительного модуля, причем она включает одно или несколько отверстий, через которые выхлопной газ проходит после прохождения вдоль стенки.

Конструкция может выполняться с возможностью для пропускания потока выхлопного газа между конструкцией и стенкой, которая находится в термическом сообщении с испарительным модулем или представляет собой часть испарительного модуля, образуя часть прохода, присоединяющего конструкцию к каждой из, по меньшей мере, двух начальных смесительных зон.

Впускающая система газового потока может включать две начальные смесительные зоны и два проточных канала.

Испарительный модуль включает, по меньшей мере, одно производящее аэрозоль устройство, через которое пропускается раствор восстановителя или предшественника восстановителя, предпочтительно, по меньшей мере, одно производящее аэрозоль устройство представляет собой сопло. Испарительный модуль может дополнительно включать, по меньшей мере, одно дополнительное сопло, которое выполнено с возможностью для регулирования формы капельного рисунка, образуемого, по меньшей мере, одним производящим аэрозоль устройством.

Выхлопной газ, после пропускания через катализатор СКВ, может вступать в контакт со второй стенкой в термическом контакте с газом в испарительном модуле.

Впускающая система газового потока включает, по меньшей мере, одну стенку в термическом сообщении с испарительным модулем. Впускающая система газового потока может включать, по меньшей мере, одну стенку в непосредственном термическом сообщении с испарительным модулем. Термин «непосредственный термический контакт» означает, что единственная стенка, которая имеет теплопередающие свойства, отделяет впускающую систему газового потока от испарительного модуля. Примеры, в которых стенка находится в термическом сообщении с испарительным модулем, включает стенку, которая находится в непосредственном термическом сообщении, а также, стенку, которая находится в термическом сообщении через, по меньшей мере, вторую стенку, и включает использование одного или нескольких материалов, которые обеспечивают передачу тепла между двумя или несколькими стенками. Впускающая система газового потока может включать две стенки в непосредственном термическом сообщении с испарительным модулем.

Испарительный модуль может включать, по меньшей мере, одну стенку в термическом сообщении с выхлопным газом. В некоторых примерах испарительный модуль включает одну стенку в непосредственном термическом сообщении с выхлопным газом. В других примерах испарительный модуль включает две стенки в непосредственном термическом сообщении с выхлопным газом.

Впускающая система газового потока может дополнительно включать проход, присоединяющий каждый из проточных каналов к катализатору. Проход может включать устройство для направления потока смешанного выхлопного газа из, по меньшей мере, двух проточных каналов в катализатор СКВ в реакторе СКВ, причем данное устройство выполнено с возможностью для обеспения приблизительно равномерной концентрации восстановителя по всему поперечному сечению катализатора. Предпочтительно устройство для направления потока смешанного выхлопного газа из, по меньшей мере, двух проточных каналов в реакторе СКВ в катализатор СКВ включает сплошную пластину, установленную по диагонали в соединительном проходе между, по меньшей мере, два проточных канала и катализатор СКВ.

По меньшей мере, два проточных канала могут выполняться с возможностью для распределения потока выхлопного газа вокруг катализатор СКВ, причем эти проточные каналы находятся в термическом сообщении с катализатор СКВ.

Предпочтительно потоки газа в каждом из проточных каналов являются приблизительно равными.

Предпочтительно, по меньшей мере, один из проточных каналов располагается на первой стороне катализатора СКВ, и, по меньшей мере, еще один проточный канал располагается на противоположно стороне катализатора СКВ.

Проточные каналы предпочтительно включают отражательные пластины, расположенные и ориентированные таким образом, чтобы обеспечивать равномерное импульсное распределение выхлопного газа выше по потоку относительно катализатора и увеличивать продолжительность пребывания смешанного выхлопного газа.

Система СКВ может дополнительно включать устройство для регулирования введения карбамида или предшественника аммиака. Устройство для регулирования введения карбамида или предшественника аммиака может включать датчик NOx.

Катализатор СКВ может присутствовать в форме монолита или улавливающего твердые частицы фильтра. Этот монолит или улавливающий твердые частицы фильтр может иметь квадратную, прямоугольную или круглую форму в результирующем направлении газового потока через монолит. Когда катализатор СКВ присутствует в форме улавливающего твердые частицы фильтра, катализатор присутствует в форме, известной как фильтр селективного каталитического восстановления (ФСКВ).

Система СКВ может также включать одно или несколько других устройств для последующей обработки выхлопного газа, таких как улавливающий твердые частицы фильтр, катализатор окисления, нейтрализующий проскок аммиака катализатор, покрытый катализатором СКВ улавливающий твердые частицы фильтр и т. д. Предпочтительно нейтрализующий проскок аммиака катализатор располагается ниже по потоку относительно катализатора СКВ, и в результате этого может обеспечиваться более высокая эффективность превращения NOx, в частности, при высоких температурах выхлопного газа.

По меньшей мере, две параллельные стенки в термическом сообщении могут располагаться между впускным потоком газов и объемом газа в испарителе.

Система селективного каталитического восстановления (СКВ) может включать впускающую систему газового потока, испарительный модуль и катализатор СКВ; причем:

a. впускающая система газового потока включает, по меньшей мере, один впуск выхлопного газа, область теплопередачи, две начальные смесительные зоны и два проточных канала, причем область теплопередачи выполнена с возможностью для передачи тепла от выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания в испарительный модуль через, по меньшей мере, одну стенку, которая находится в термическом сообщении с испарительным модулем или представляет собой часть испарительного модуля, и область теплопередачи включает конструкцию, имеющую призматическую форму, причем часть этой конструкции, которая имеет призматическую форму, включает одно или множество отверстий, чтобы пропускать поток выхлопного газа между конструкцией и стенкой системы СКВ для направления выхлопного газа в каждый из двух проточных каналов, причем присутствуют, по меньшей мере, две начальные смесительные зоны, впускающая система газового потока дополнительно включает проход, присоединяющий каждый из проточных каналов к катализатору, причем данный проход включает сплошную пластину, установленный по диагонали в проходе между, по меньшей мере, одним проточным каналом и катализатором СКВ, направляя поток смешанного выхлопного газа из, по меньшей мере, двух проточных каналов в катализатор СКВ, причем данная сплошная пластина выполнено с возможностью для обеспечения приблизительно равномерной концентрации восстановителя по всему поперечному сечению катализатора;

b. испарительный модуль, включающий сопло, выполнен с возможностью для производства испарившегося восстановителя из раствора восстановителя или предшественника восстановителя, причем сопло выполнено с возможностью регулирования формы капельного рисунка, образуемого, по меньшей мере, одним производящим аэрозоль устройством, две боковые стенки, причем каждая боковая стенка содержит одно или множество отверстий, через которые перемещается испарившийся восстановитель через начальную смесительную зону в выхлопной газ в проточных каналах впускающей системы газового потока, и испарительный объем, включающий испарившийся восстановитель в испарительном модуле; и

c. реактор СКВ включает катализатор СКВ и находится в сообщении по текучей среде с впускающей газовый поток системой и испарительным модулем.

Согласно следующему аспекту настоящего изобретения, способы уменьшения количества оксидов азота, образующихся в выхлопном газе из двигателя, включают пропускание выхлопного газа из двигателя через систему СКВ, имеющую разнообразные компоненты, которые описываются в настоящем документе.

Конфигурация системы обеспечивает увеличенную продолжительность пребывания и, таким образом, повышенную эффективность разложения предшественника восстановителя по сравнению с системами предшествующего уровня техники при использовании на двигателях, мощность которых составляет от 500 до 4500 киловатт (кВт). Кроме того, система, описанная в настоящем документе, производит значительно меньшее воздействие на окружающую среду.

Приведенные ниже описания ниже подробно представляют разнообразные примерные конфигурации систем селективного каталитического восстановления (СКВ).

В системе присутствует восстановитель, предпочтительно аммиак, который может реагировать с NOx и снижать его содержание в выхлопном газе. Данный восстановитель может образовываться посредством превращения соединения, которое может образовывать аммиак, такого как карбамид, в восстановитель в газовой фазе, после чего газ, содержащий восстановитель, объединяется с выхлопным газом, содержащим NOx, а затем объединенный газ пропускается через катализатор СКВ. В целях превращения карбамида в аммиак водный раствор карбамида вводится в испарительный модуль, и тепло от выхлопного газа передается через, по меньшей мере, одну стенку в испарительный модуль, где вода и карбамид одновременно испаряются и превращаются в горячий пар. Горячий очищенный газ может быть получен из очищенного газа, который образуется после того, как смесь, содержащая аммиак и выхлопной газ, пропускается через катализатор СКВ, и используется для испарения раствора карбамида.

Устройство и способ, которые описываются в настоящем документе, являются эффективными, когда используется карбамид, но могут также использоваться и другие восстанавливающие NOx реагенты, в том числе образующие аммиак или другие восстанавливающие NOx реагенты, которые способны образовывать газообразный восстановитель при нагревании. Реакции, которые происходят при этом, являются хорошо известными в технике. Краткий обзор этих реакций представляют патенты США № 8105560 и № 7264785, описания которых во всей своей полноте включаются в настоящий документ посредством ссылки.

Термин «карбамид» используется для обозначения карбамида или мочевины CO(NH₂)₂, а также реагентов, которые являются эквивалентными карбамиду, поскольку они образуют аммиак и HNCO при нагревании. Кроме того, могут использоваться и другие восстанавливающие NOx реагенты, известные в технике. Могут также использоваться восстанавливающие NOx реагенты, которые не образуют карбамид или HNCO, но реагируют с соединениями, присутствующими в выхлопном газе, и снижают содержание NOx.

Объем раствора карбамида, который вводится в испарительный модуль, зависит от массового потока NOx и концентрации карбамида в растворе. Вводимое количество карбамида определяется в зависимости от концентрации NOx на основании стехиометрии происходящих реакций, а также от температуры исходного выхлопного газа и используемого катализатора. Используемое количество карбамида определяется параметром «NSR», который представляет собой отношение эквивалентного количества азота в карбамиде или другом восстанавливающем NOx реагенте и эквивалентного количества азота в NOx в составе обрабатываемого газа. Значение NSR может составлять от приблизительно 0,1 до приблизительно 2, но предпочтительно оно находится в пределах интервала от 0,6 до 1,2 включительно.

Катализатор СКВ, который используется в компактной системе СКВ, описанной в настоящем документе, может выбираться из катализаторов, которые известны в технике своей способностью уменьшения концентрации оксидов азота в присутствии аммиака. Эти катализаторы представляют собой, например, цеолиты, оксиды ванадия, вольфрама, титана, железа, меди, марганца и хрома, благородные металлы, такие как металлы платиновой группы (платина, палладий, родий и иридий), а также их смеси. В качестве катализаторов СКВ могут также использоваться и другие материалы, традиционно известные в технике и знакомые специалистам в данной области техники, такие как активированный уголь, древесный уголь или кокс. Предпочтительные катализаторы представляют собой катализаторы, основу которых составляют переходные металлы на цеолитах, например, Cu/ZSM-5 или Fe/цеолит-бета; катализаторы на основе оксида ванадия, такие как V₂O₅/WO₃/TiO₂; или нецеолитные катализаторы на основе переходных металлов, такие как Fe/WO_x/ZrO₂.

Эти катализаторы СКВ, как правило, наносятся на носитель, такой как металл, керамический материал или цеолит, или экструдируются как гомогенный монолит. Кроме того, могут использоваться и другие носители, известные в технике. Оказывается предпочтительным, что катализаторы наносятся на проточную монолитную подложку или фильтрующую подложку, или присутствуют в экструдированной форме. Наиболее предпочтительные катализаторы наносятся на проточную монолитную подложку или присутствуют в экструдированной форме. Оказывается предпочтительным, что эти катализаторы присутствуют в объеме или на поверхности ячеистого проточного носителя. Для системы СКВ, имеющей небольшой объем, оказываются предпочтительными катализаторы СКВ, имеющие относительно высокие плотности ячеек, которые составляют, например, от 45 до 400 ячеек на квадратный дюйм (от 7 до 62 ячеек на 1 см²), предпочтительнее от 70 до 300 ячеек на квадратный дюйм (от 11 до 47 ячеек на 1 см²) и еще предпочтительнее от 100 до 300 ячеек на квадратный дюйм (от 15 до 47 ячеек на 1 см²).

На фиг. 1 приведено общее представление потока газов и восстановителей. Компактную систему СКВ составляют четыре основные секции: впускающая система газового потока, испарительный модуль, катализатор СКВ и выпускающая система газового потока. Впускающую систему газового потока составляют впускная область, проточные каналы впускной области теплопередачи и область до СКВ. Выпускающая система газового потока необязательно включает одну или несколько выпускных областей теплопередачи и выпуск чистого газа.

Фиг. 2 представляет изображение частичного сечения компактной системы СКВ 2, иллюстрируя часть системы газового потока и испарительный модуль 6. Компактная система СКВ может принимать выхлопные газы из двигателя, мощность которого составляет от приблизительно 500 кВт до приблизительно 1000 кВт (1 МВт), или от приблизительно 1000 кВт (1 МВт) до приблизительно 2000 кВт (2 МВт), или от приблизительно 2000 кВт (2 МВт) до приблизительно 4500 кВт (4,5 МВт). Фиг. 2 представляет пример, в котором выхлопной газ из двигателя проходит в систему СКВ через впускной фланец 1, который может представлять собой единственный входной фланец для одноступенчатого двигателя. Могут использоваться два или более входов для двухступенчатого двигателя или других двигателей внутреннего сгорания. Как правило, для предпочтительной конфигурации потока обычно используются круглые входы в систему, такие как трубки/фланцы, но, кроме того, могут использоваться и другие формы, такие как квадратная, прямоугольная, треугольная или овальная формы. При входе во впускную область системы газового потока, горячий выхлопной газ попадает в газовый коллектор 8 и проходит вдоль стенки 71, которая функционирует в качестве теплообменника во впускной области теплопередачи. Газовый коллектор 8, который представлен на фиг. 2, имеет призматическую форму. Газовый коллектор 8 может принимать различные формы. После пропускания через эту область теплопередачи газ проходит через часть 8a газового коллектора 8, включающую одно или множество отверстий, которые обеспечивают пропускание газа через газовый коллектор во внутреннюю область газового коллектора 8 между газовым коллектором 8 и наружной стенкой системы СКВ. Из внутренней области газового коллектора 8 выхлопной газ распределяется, по меньшей мере, по двум проточным каналам и далее поступает в начальные смесительные зоны, расположенные на другой стороне компактной системы СКВ. В начальных смесительных зонах выхлопной газ из двигателя смешивается с испарившимся восстановителем из испарительного модуля. Когда компактная система СКВ включает более чем один вход 1 выхлопного газа, впускающая система газового потока выравнивает различия между потоками, такие как различия давления и/или температуры.

Испарительный модуль 6 включает устройство для введения водного раствора карбамида между двумя горячими тарелками. Объем между двумя горячими тарелками представляет собой объем газа в испарителе 62. Концентрация водного раствора карбамида поддерживается на соответствующем уровне для хранения и эксплуатации без осаждения или других проблем. Концентрация карбамида в водном растворе может составлять от приблизительно 5 до приблизительно 70%, предпочтительно от приблизительно 15 до приблизительно 60% и предпочтительнее от приблизительно 30 до приблизительно 40%. Устройство для введения водного раствора карбамида может включать сопло, в котором используется воздух для образования аэрозоля (предварительного испарения) раствора карбамида. Сопла такого типа поставляются на продажу из различных источников. Для двигателей, мощность которых составляет от 500 до 4500 кВт, в продаже имеются сопла, которые могут использоваться только с карбамидом, и для испарения в таком случае требуется воздух низкого давления, который может быть получен с помощью относительно небольшого компрессора.

Испарительный модуль 6 может быть оборудован безвоздушным соплом. Имеющиеся в настоящее время однофазные безвоздушные сопла для массовых потоков карбамида, которые необходимы для очистки выхлопного газа из двигателей, имеющих мощность от 500 и 4500 кВт, нуждаются в очень высоких рабочих давлениях жидкости при переменной массовой пропускной способности в течение одного рабочего цикла. Однако производители сопел исследуют и разрабатывают однофазные сопла низкого давления с регулируемой массовой пропускной способностью. Безвоздушные системы могут отличаться пониженными капитальными и эксплуатационными расходами, а также могут характеризоваться меньшей вероятностью неисправности системы, поскольку они состоят из меньшего числа компонентов. Безвоздушные инжекционные системы могут оказываться особенно привлекательными для компактных систем СКВ, для которых имеется ограниченное пространство, и для которых требуются продолжительные гарантийные сроки (составляющие, например, два года и более), причем эти двигатели имеют высокую ежегодную нагрузку (составляющую, например, 8000 часов в год), такой как двигатели морских судов, электростанций, горнодобывающих предприятий и т. д. Кроме того, могут использоваться и другие типы распылителей.

Тепло, которое требуется для полного испарения воды и разложения карбамида на аммиак, обеспечивается за счет передачи тепла от выхлопного газа через теплообменное устройство одной или нескольких стенок 71-74 между выхлопным газом и объемом газа в испарителе 62.

Испарительный модуль может содержать, по меньшей мере, одну стенку и использовать предварительно нагретый вторичный воздух для испарения. Этот предварительно нагретый вторичный воздух для испарения может использоваться, чтобы воздействовать на распыляемый раствор карбамида из сопла. Таким образом, он представляет собой средство, позволяющее контролировать и/или регулировать распределение карбамида и аммиака или другого восстановителя в выхлопном газе, позволяя, таким образом, регулировать продолжительность испарения/разложения водного раствора карбамида и, следовательно, возможность достижения максимально возможной степени восстановления NOx при минимально возможном проскоке аммиака.

Система СКВ, которая описывается выше, может быть модифицирована, как описывается ниже, посредством замены двух наборов двойных стенок 71, 73 и 72, 74 двумя одиночными стенками. В качестве примера, каждая из двух стенок 71, 72, как проиллюстрировано на фиг. 3, представляет собой часть системы газового потока. В качестве следующего примера, каждая из двух стенок 71, 72, как проиллюстрировано на фиг. 3, представляет собой часть испарительного модуля.

Фиг. 4 иллюстрирует часть системы СКВ, в которой водный раствор карбамида распыляется через имеющееся в продаже сопло 61 с помощью сжатого первичного воздуха для испарения. Первичный воздух для испарения представляет собой воздух, который используется для превращения в капли раствора, содержащего восстановитель. Давление, составляющее лишь от нескольких сот миллибар до нескольких бар, представляет собой давление, посредством которого получаются капли, диаметры которых составляют от нескольких десятков миллиметров до нескольких десятков микрометров, даже при переменной массовой пропускной способности. Таким образом, может использоваться компактное устройство, такое как роторный поршневой вентилятор, открыто-вихревой компрессор и т. д., а не большой воздушный компрессор, который в настоящее время используется в установках предшествующего уровня техники. Кроме того, сжатый воздух может использоваться в качестве вторичного воздуха для испарения в целях получения желательного профиля распыления, который образуют капли. Часть вторичного воздуха для испарения может продуваться через два отдельных сопла 63 в первичный аэрозоль водного раствора карбамида в целях продления профиля распыления в плоскую струю в целях увеличения поверхности теплообмена и массопереноса. Вследствие низкой скорости аэрозоля/пара и относительно высокой температуры объема газа в испарителе 62, предполагается полное или почти полное термическое разложение карбамида на аммиак и изоциановую кислоту. Кроме того, вследствие очень высокой локальной концентрации водяного пара, который образуется в результате испарения воды из водного раствора карбамида, и отсутствия разбавления выхлопного газа в объеме газа в испарителе 62, предполагается, что карбамид быстро гидролизуется, образуя изоциановую кислоту, прежде чем он смешивается с выхлопным газом в начальных смесительных зонах. В результате небольшого избыточного давления, составляющего несколько миллибар, в испарительном модуле 6 образуется постоянный и устойчивый поток восстановителя и соответствующих газообразных побочных продуктов через отверстия 65 в двух проточных каналах 11 и 12 на каждой стороне реактора СКВ.

Вторичный воздух для испарения может также поступать в прямоугольный канал испарителя через, по меньшей мере, одно сопло и предпочтительно через два или более сопел 64, чтобы создавать вихревой поток в объеме газа в испарителе 62 в целях увеличения теплопередачи от стенок в аэрозоль. Вторичный воздух для испарения может нагреваться до того, как он направляется в сопла 63 и 64. Нагревание может осуществляться любым известным устройством, предпочтительно электрическим, предпочтительнее посредством пропускания выхлопного газа через трубчатый теплообменник, расположенный на стенках 71 и 72. Трубки теплообменника располагаются таким образом, что блокируется только небольшая часть площади поверхности стенок 71 и 72, в то время как обеспечивается требуемое количество тепла, передаваемое в поток вторичного воздуха для испарения. Суммарный массовый поток и давление потока вторичного воздуха для испарения определяется посредством желательного профиля продления распыления и желательного вихревого потока, а также, желательных уровней давления и температуры в испарительном модуле 6. Испарительный модуль 6 может также включать отражательные пластины, которые ориентируются таким образом, чтобы распылять аэрозоль. Стенки и/или отражательные пластины испарительного модуля могут также обеспечивать каталитическую активность в отношении гидролиза предшественника восстановителя. Испарительный модуль 6 может представлять собой вставной модуль таким образом, что он может легко выдвигаться из компактной системы СКВ для очистки в том случае, когда используется раствор восстановителя низкого качества. Испарительный модуль 6 может представлять собой часть компактной системы СКВ, в которой стенки 71 и 72 отделяет выхлопной газ от газового объем 62 внутри испарительного модуля 6.

Фиг. 5 иллюстрирует поток вид сбоку выхлопного газа в примерной конфигурации. Часть газового потока, представленная на правой стороне фиг. 5, представляет поток через впускную область, как описывается ниже. Горячий выхлопной газ из двигателя поступает в компактную систему СКВ через впускной фланец 1. При входе в систему газовый поток попадает в газовый коллектор 8 и поступает во впускную область теплопередачи вдоль впускной секции теплообменника, включающей угловую стенку 71, которая действует в качестве теплообменника. На этой стенке может располагаться трубка теплообменника, которая нагревает вторичный воздух для испарения. (Это не проиллюстрировано на фиг. 5). Газовый коллектор 8, который проиллюстрирован на фиг. 5, имеет призматическую форму. Газовый коллектор 8 может принимать различные формы. После введения во впускную область теплопередачи газ проходит через часть 8a имеющего призматическую форму газового коллектора 8, включающую одно или множество отверстий, которые позволяют газу проходить через газовый коллектор во внутреннюю область газового коллектора 8 между газовым коллектором 8 и наружной стенкой системы СКВ. Из внутренней области газового коллектора 8 выхлопной газ распределяется, по меньшей мере, в два проточных канала и далее в начальные смесительные зоны, расположенные на другой стороне компактной системы СКВ, а затем в проточные каналы 11 и 12 на каждой стороне реактора СКВ. Выхлопной газ может проходить через ряд отражательных пластин 24, 25, которые ориентированы таким образом, что увеличивается продолжительность перемещения выхлопного газа, прежде чем восстановитель вводится в выхлопной газ в начальных смесительных зонах, которые располагаются у изгиба потока выхлопного газа, где восстановитель перемещается через одно или множество отверстий 65 из испарительного модуля в проточные каналы 11, 12. Увеличение продолжительность перемещения выхлопного газа перед тем, как вводится восстановитель, если датчик NOx используется для регулирования дозируемого количества восстановителя, и если этот датчик NOx представляет собой часть компактной системы СКВ, см. номер 81 на фиг. 7a. Продолжительность перемещения выхлопного газа перед введением содержащего аммиак газа может увеличиваться посредством ряда отражательных пластин в канале выхлопном газе, которые регулируют газовый поток, когда выхлопной газ перемещается в заднюю часть компактной системы СКВ, а затем обратно в переднюю часть и снова в заднюю часть. Термин «передняя часть» означает сторону системы, где располагается инжекционный модуль. Термин «задняя часть» означает часть, находящуюся на противоположной стороне по отношению к передней части системы. Когда поток выхлопного газа делает второй круг, содержащий аммиак газ из испарительного модуля 6 вводится в выхлопной газ через один или несколько отверстий 65 в испарительном модуле. Турбулентность газового потока у изгиба потока эффективно способствует смешиванию восстановителя и выхлопного газа в смесительных зонах, которые представляют собой часть области газового потока. Отражательные пластины могут располагаться приблизительно горизонтально.

Область газового потока включает начальные смесительные зоны, где выхлопной газ из двигателя, который проходит через впускную область, смешивается с испарившимся восстановителем из испарительного модуля, и проточные каналы 11 и 12, через которые проходит смесь выхлопного газа и восстановителя перед поступлением в область до СКВ. Проточные каналы располагаются вокруг катализатора СКВ и передают тепло катализатору СКВ. Фиг. 6 и 7 представляют примеры, в которых проточные каналы располагаются вокруг сторон катализатора СКВ. Проточные каналы могут проходить выше и ниже катализатора СКВ. Проточные каналы могут располагаться вокруг одной или нескольких сторон и выше или ниже катализатора СКВ. Статический смеситель 91 и/или катализатор окисления 92 может располагаться в каналах потока выхлопного газа перед катализатором СКВ, как представлено на фиг. 5. После прохождения длины проточных каналов направление потока в каждом проточном канале 11 и 12 поворачивается на 90°, и поток направляется к угловой перфорированной тарелке 23, расположенной в соединительном проходе 31 между двумя проточными каналами 11 и 12 области до СКВ, которая располагается выше по потоку относительно катализатора СКВ, в целях достижения равномерного импульсного распределения по всему поперечному сечению катализатора. Газовые потоки в каждом из проточных каналов 11 и 12 могут быть приблизительно равными. Термин «приблизительно равные потоки» означает, например, в системе, имеющей два проточных канала, что соотношение массовых скоростей потоков составляет от приблизительно 50:50 до приблизительно 65:35, предпочтительно от приблизительно 50:50 до приблизительно 60:40 и предпочтительнее от приблизительно 50:50 до приблизительно 55:45. Соотношение массовых скоростей потоков во множестве проточных каналов должно регулироваться таким образом, чтобы обеспечивать равномерную концентрацию аммиака или другого восстановителя по всему поперечному сечению катализатора СКВ.

Фиг. 6 иллюстрирует газовый поток в примерной компактной системы СКВ, имеющей предпочтительную конфигурацию, где система СКВ представлена в форме частичного сечения спереди назад. Горячий выхлопной газ вводится в компактную систему СКВ через впускной фланец в нижней части системы СКВ. Газ проходит вверх (a) между газовым коллектором (8) и стенкой 71 между впуском и испарительным модулем во впускной области теплопередачи; затем газ проходит через отверстие 8a в поверхности газового коллектора 8 и через внутренний объем (b) газового коллектора 8, где он распределяется в проточные каналы 11 и 12 на обеих сторонах системы СКВ через отверстие (c). В одном примере газ затем проходит вверх (d) и через проточный канал, содержащий ряд отражательных пластин на протяжении длины системы СКВ от (e) до (f), где поток поворачивается и проходит назад в переднюю часть системы к точке введения восстановителя е и начальной смесительной зоне 65 (не проиллюстрировано на фиг. 6, см. фиг. 5). В начальных смесительных зонах выхлопной газ из двигателя смешивается с испарившимся восстановителем из испарительного модуля. Смешанный газ перемешается в заднюю часть системы, поворачивается на 90° в соединительный проход между, по меньшей мере, двумя проточными каналами и областью до СКВ, а затем попадает на тарелку 23. Смешанный газ направляется поперек (g) угловой перфорированной тарелки 23, таким образом, что расположение и ориентация угловой перфорированной тарелки 23 обеспечивают практически равномерный поток газов (h) по направлению к катализатору СКВ 3.

Фиг. 7 представляет собой отдельные трехмерные чертежи примерной системы СКВ, иллюстрируя поток выхлопного газа через систему. Горячий выхлопной газ из двигателя вводится в систему через впуск 1, затем проходит вверх между газовый коллектор 8 и стенка 71 (расположенный прилегающий в испарительный модуль 6). Горячий выхлопной газ передает тепло стенке 71, которая затем передает тепло в испарительный модуль 6. Во внутреннем объеме газового коллектора 8 газовый поток разделяется на две части и распределяется в два проточных канала 11 и 12, расположенные на левой и правой сторонах системы. Ни один из этих каналов не может быть виден на фиг. 7a. Фиг. 7b представляет изображение выреза системы СКВ, в которой удалена правая боковая стенка проточного канала 12 для иллюстрации внутреннего объема проточного канала 12. Из газового коллектора 8 выхлопной газ проходит в проточный канал 12, в заднюю часть, а затем вперед, где аммиак вводится в выхлопной газ через отверстия 65 в испарительном модуле, прежде чем смешанный газ снова проходит в заднюю часть и через соединительный проход 31 в область до СКВ 7. Фиг. 7c представляет систему, повернутую на 180° по отношению к фиг. 7b и иллюстрирует часть проточного канала 11. Статический смеситель и/или катализатор окисления могут находиться в проточных каналах 11 и/или 12. Фиг. 7b и 7c представляют примеры, где катализатор окисления 92 располагается в проточных каналах. Фиг. 7d представляет объединенный поток газов через проточный канал 12. Когда выхлопной газ проходит через проточные каналы 11 и 12, тепло от выхлопного газа передается через стенки проточного канала и некоторая часть этого тепла передается катализатору и в область, окружающую катализатор. На фиг. 7d представлен конец потока, когда он входит в соединительный проход 31. После входа в соединительный проход 31, выхлопной газ вступает в контакт с угловой перфорированной тарелкой 23 и направляется через область до СКВ в катализатор СКВ 3. После пропускания через катализатор 3, где газ очищается, очищенный выхлопной газ перемещается вверх вдоль стенки 72 (расположенной вблизи или представляющей собой стенку испарительного модуля 6). Горячий очищенный выхлопной газ передает тепло стенке 72, которая затем передает тепло в испарительный модуль 6. Газ затем перемещается вверх и через выпускной фланец 4, прежде чем он выходит из системы СКВ.

Катализатор СКВ располагается в пределах системы СКВ. Термин «в пределах», который используется в настоящем документе, означает, что катализатор СКВ имеет впускающую систему газового потока, испарительный модуль и выпускающую систему газового потока, которые располагаются, по меньшей мере, на четырех сторонах катализатора СКВ.

Катализатор предпочтительно присутствует в форме брикетов, которые проиллюстрированы на фиг. 6 и 7a и 7c. Брикеты катализатора СКВ могут иметь любую из многочисленных форм поперечного сечения, перпендикулярного направлению газового потока, в том числе квадратную, прямоугольную, шестиугольную или круглую форму, причем квадратная или прямоугольная формы являются предпочтительными в целях лучшего использования площади поперечного сечения. Может использоваться множество брикетов катализатора СКВ, которые предпочтительно являются квадратными и имеют размеры поперечного сечения, составляющие приблизительно 150 × 150 мм². Несколько слоев катализатора могут помещаться в газовый поток. Помимо катализатора СКВ, система СКВ может включать и другие регулирующие выбросы устройства, такие как улавливающие твердые частицы фильтры, нейтрализующие проскок аммиака катализаторы, катализаторы окисления и покрытые улавливающие твердые частицы фильтры.

Система СКВ может дополнительно включать катализатор окисления, расположенный выше по потоку относительно ввода карбамида в каждом проточном канале в целях уменьшения содержания углеводородов, которые могут уменьшать активность СКВ. Катализатор окисления также окисляет CO, ароматические соединения и т. д.

Когда выхлопной газ проходит через катализатор 3, NOx в выхлопном газе реагирует с восстановителем на поверхности катализатора, и количество NOx в выхлопном газе уменьшается. Чтобы реакция СКВ эффективно уменьшала содержание NOx, температура сгорания газов, содержащих газифицированный карбамид, должна составлять, по меньшей мере, приблизительно 100°C, как правило, от приблизительно 180°C до приблизительно 650°C и предпочтительно превышать, по меньшей мере, приблизительно 250°C. Состав, форма и особенно объем катализатора могут выбираться в зависимости от температуры газов в катализаторе СКВ, а также содержания NOx в целях уменьшения его содержания посредством каталитического восстановления оксидов азота. Кроме того, в компактной системе СКВ могут использоваться и другие очищающие выхлопной газ устройства, такой как нейтрализующий проскок аммиака катализатор, улавливающий твердые частицы фильтр и покрытый катализатором СКВ улавливающий твердые частицы фильтр и т. д. Предпочтительно в компактной системе СКВ не используется решетка впрыска аммиака (РВА), которая часто используется или требуется в традиционных процессах СКВ.

Компактная система СКВ может дополнительно включать устройство для доступа к катализатору СКВ в целях замены катализатора. Предпочтительно данное устройство представляет собой дверцу, расположенную на верхней стороне или боковой стороне системы СКВ.

Компактная система СКВ может дополнительно включать разнообразные датчики, такие как один или несколько датчиков NOx, датчик NH₃ (аммиак) и температурные датчики. Датчик NH₃ предпочтительно располагается на выпуске системы СКВ в целях измерения проскока аммиака через систему СКВ. Датчики NOx и/или NH₃ и/или температуры могут присоединяться к блоку, который регулирует количество карбамида и воздуха для испарения, а также, если это применимо, чистого газа, который перемещается в испарительный модуль и после этого в выхлопной газ. Датчик NOx 81, причем температурный датчик может необязательно располагаться во впускающей поток выхлопного газа системе, предпочтительно в газовом коллекторе 8. Датчик NOx или NH₃ может располагаться ниже по потоку относительно катализатора СКВ 41 и может использоваться для регулирования в замкнутом контуре. Угловая или изогнутая отражательная пластина может направлять частичный поток из центрального потока чистого газа в датчик NOx или NH₃ в целях измерения содержания NOx или NH₃ для определения величины проскока аммиака через катализатор СКВ.

Компактная система СКВ может включать один или два впускных фланца для пропускания выхлопного газа из одноступенчатых иди двухступенчатых двигателей, имеющих, например, V-образное расположение цилиндров и мощность, составляющую от 500 до 4500 кВт. Предпочтительно фланцы являются круглыми.

Система СКВ, имеющая конфигурацию, которая проиллюстрирована на фиг. 7, была исследована в ходе стендового испытания, проведенного в реальных условиях эксплуатации. В качестве исследуемого катализатора СКВ использовались 4 × 4 квадратные (150 ×150 мм²) экструдированные катализаторы на основе оксида ванадия, каждый из которых имеет длину 300 мм, где 2 × 2 брикеты катализатора объединялись в контейнере с помощью металлического листа и подкладки. В испарительном модуле использовалось двухфазное сопло (с пневматическим приводом), где использовался воздух при давлении 4 бар (0,4 МПа) и расходе, составляющем приблизительно 1 Нм³/ч. Система исследовалась при соотношении аммиака и оксидов азота (ANR), составляющем 0.8, 0.9, 1,0 и 1,1.

Система СКВ присоединялась к двигателю Mercedes OM512, имеющему рабочий объем 16 л и мощность 430 кВт. Температура выхлопного газа после турбонаддува составляла от 430 до 510°C. Степени превращения NOx, измеренная после выпускного фланца для различных соотношений аммиака и NOx в зависимости от времени проиллюстрированы на фиг. 8. Эти значения представляют собой фактические результаты измерения локальной степени превращения NOx.

Степень превращения NOx в различных точках поверхности катализатора определялась с использованием температуры выхлопного газа после турбонаддува, составляющей 490°C, когда массовый поток выхлопного газа составлял 1200 кг/ч. Исходная концентрация NOx составляла 1500 частей на миллион, соотношение аммиака и оксидов азота (ANR) составляло 1,1. Локальная концентрация NOx после СКВ измерялась таким способом, что степень превращения NOx в центре каждого слоя брикетов катализатора определялась на уровнях высоты 7, 22, 37 и 52 см от дна реактора. На каждом из уровней измерения производились в направлении ширины катализатора на уровнях 5, 15, 25, 35, 45, 55 и 65 см слева направо в поперечном сечении катализатора. В результате этого измерения производились в узлах сетки 7 × 4 (ширина × высота). Процентные степени превращения в каждой из этих точек проиллюстрированы на фиг. 9.

Фиг. 9 представляет процентную степень превращения NOx в различных точках на катализаторе для выхлопного газа из двигателя при проведении стендового испытания. Эти результаты демонстрируют, что почти количественное использование всего поперечного сечения катализатора может быть достигнуто посредством применения конфигураций, которые описываются выше. Очень высокая степень превращения NOx была достигнута посредством использования стационарных рабочих точек двигателя, а также в цикле испытаний в переходном режиме для компактной системы СКВ, сконструированной и испытанной в интервале мощности двигателя, предусмотренном согласно настоящему изобретению.

В результате равномерного потока выхлопного газа по всему катализатору обеспечивается равномерное использование катализатора и достигается максимальная степень превращения NOx. Выхлопной газ проходит через катализатор СКВ, где уровни NOx снижаются посредством реакции с восстановителем в присутствии катализатора, и образуется очищенный газ. Этот очищенный газ, выходящий из катализатора СКВ, вводится в выпускающую систему газового потока, где некоторая часть или вся масса газа вступает в контакт со стенкой 72 между выпускающей системой газового потока и испарительным модулем 6 в выпускной областью теплопередачи, и тепло от очищенного газа передается в испарительный модуль. После прохождения выпускной области теплопередачи очищенный выхлопной газ в выпускающей системе газового потока выходит из компактной системы СКВ.

Приведенное выше описание предназначается, чтобы специалист в данной области техники мог практически осуществлять настоящее изобретение. Данное описание не предназначается для подробного обсуждения всех возможных модификаций и видоизменений, которые становятся очевидными для специалиста в данной области техники после ознакомления с описанием. Однако предусматривается, что все такие модификации и видоизменения включаются в объем настоящего изобретения, которое представлено в приведенном выше описании, а также определяется в следующей формуле изобретения.

Изобретение относится к области очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания. Описывается компактная система селективного каталитического восстановления (СКВ), которая включает впускающую газовый поток систему, испарительный модуль и реактор СКВ. Система впускного потока выполнена с возможностью для передачи тепла испарительному модулю, смешивать восстановитель с выхлопным газом и пропускать приблизительно равномерный поток выхлопного газа через катализатор. Испарительный модуль выполнен с возможностью для испарения восстановителя из раствора восстановителя или предшественника восстановителя и направлять испарившийся восстановитель во впускающую газовый поток систему, где он смешивается с выхлопным газом. Реактор СКВ содержит катализатор СКВ и находится в сообщении по текучей среде с системой впускного потока и испарительным модулем. 3 н. и 56 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Система селективного каталитического восстановления (СКВ), содержащая впускающую газовый поток систему, испарительный модуль и реактор СКВ; и в которой:

a) впускающая система газового потока включает по меньшей мере один впуск выхлопного газа, область теплопередачи, по меньшей мере, два проточных канала и, по меньшей мере, две начальные смесительные зоны, причем область теплопередачи выполнена с возможностью передачи тепла от выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания в испарительный модуль; каждая из по меньшей мере двух начальных смесительных зон находится в сообщении по текучей среде с испарительным модулем и выхлопным газом, уходящим из области теплопередачи, и выполнена с возможностью производить смешанный выхлопной газ посредством смешивания испарившегося восстановителя из испарительного модуля с выхлопным газом в начальных смесительных зонах; и каждый из по меньшей мере двух проточных каналов выполнен с возможностью формирования потока смешанного выхлопного газа через реактор СКВ и обеспечения средства передачи тепла от выхлопного газа в реактор СКВ;

b) испарительный модуль включает устройство для образования испарившегося восстановителя из раствора восстановителя или предшественника восстановителя и устройство для перемещения испарившегося восстановителя в начальную смесительную зону во впускающей газовый поток системе и испарительный объем, включающий испарившийся восстановитель в испарительном модуле; и

c) реактор СКВ включает катализатор СКВ и находится в сообщении по текучей среде с впускающей газовый поток системой и испарительным модулем.

2. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.1, в которой область теплопередачи включает конструкцию, которая выполнена с возможностью пропускания потока выхлопного газа между конструкцией и стенкой, которая находится в термическом сообщении с испарительным модулем или представляет собой часть испарительного модуля.

3. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.2, конструкция которой выполнена дополнительно с возможностью пропускания потока выхлопного газа между конструкцией и первой стенкой, которая находится в термическом сообщении с испарительным модулем или представляет собой часть испарительного модуля и включает одно или множество отверстий, через которые выхлопной газ проходит после прохождения вдоль стенки.

4. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.3, конструкция которой выполнена с возможностью для пропускания потока выхлопного газа между конструкцией и стенкой, которая находится в термическом сообщении с испарительным модулем или представляет собой часть испарительного модуля и образует часть прохода, присоединяющего конструкцию к каждому из по меньшей мере двух проточных каналов.

5. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.3, в которой впускающая система газового потока включает два проточных канала и две начальные смесительные зоны.

6. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой испарительный модуль включает по меньшей мере одно производящее аэрозоль устройство, через которое пропускается раствор восстановителя или предшественника восстановителя.

7. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.6, в которой по меньшей мере одно производящее аэрозоль устройство представляет собой сопло.

8. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.6 или 7, в которой испарительный модуль дополнительно включает по меньшей мере одно дополнительное сопло, которое выполнено с возможностью для регулирования формы капельного рисунка, образуемого по меньшей мере одним производящим аэрозоль устройством.

9. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой выхлопной газ, после пропускания через реактор СКВ, вступает в контакт со второй стенкой, находящейся в термическом контакте с газом в испарительном модуле.

10. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой впускающая система газового потока включает по меньшей мере одну стенку в термическом сообщении с испарительным модулем.

11. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.10, в которой по меньшей мере одна стенка в термическом сообщении с испарительным модулем находится в непосредственном термическом сообщении с испарительным модулем.

12. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.11, в которой впускающая система газового потока включает две стенки в непосредственном термическом сообщении с испарительным модулем.

13. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой испарительный модуль включает по меньшей мере одну стенка в термическом сообщении с выхлопным газом.

14. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.13, в которой испарительный модуль включает одну стенка в непосредственном термическом сообщении с выхлопным газом.

15. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.13, в которой испарительный модуль включает две стенки в непосредственном термическом сообщении с выхлопным газом.

16. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой впускающая система газового потока дополнительно включает проход, присоединяющий каждый из проточных каналов к реактору СКВ.

17. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.16, в которой проход включает устройство для направления потока смешанного выхлопного газа из по меньшей мере двух проточных каналов в реактор СКВ, причем данное устройство выполнено с возможностью для обеспечения приблизительно равномерной концентрации восстановителя по всему поперечному сечению катализатора.

18. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.17, в которой устройство для направления потока смешанного выхлопного газа из по меньшей мере двух проточных каналов в реактор СКВ включает сплошную пластину, установленную по диагонали в соединительном проходе между по меньшей мере двумя проточными каналами и реактором СКВ.

19. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой по меньшей мере два проточных канала выполнены с возможностью для распределения потока выхлопного газа вокруг реактора СКВ, и проточные каналы находятся в термическом сообщении с реактором СКВ.

20. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.19, в которой потоки газа в каждом из проточных каналов являются приблизительно равными.

21. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой по меньшей мере один из проточных каналов располагается на первой стороне реактора СКВ, и по меньшей мере еще один проточный канал, не представляющий собой проточный канал, расположенный на первой стороне реактора СКВ, располагается на противоположной сторона реактора СКВ.

22. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой проточные каналы включают отражательные пластины, расположенные и ориентированные, чтобы обеспечивать равномерное импульсное распределение выхлопного газа выше по потоку относительно катализатора.

23. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, дополнительно включающая устройство для регулирования введения карбамида или предшественника аммиака.

24. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.23, в которой устройство для регулирования введения карбамида или предшественника аммиака включает датчик NOx.

25. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой катализатор СКВ присутствует в форме монолита или улавливающего твердые частицы фильтра.

26. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой поток смешанного выхлопного газа через реактор СКВ включает смешанный выхлопной газ, имеющий результирующее направление потока через монолит, и по меньшей мере один катализатор СКВ присутствует в форме монолита или улавливающего твердые частицы фильтра, имеющего квадратную, прямоугольную или круглую форму в результирующем направлении газового потока через монолит.

27. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, причем данная система СКВ дополнительно включает по меньшей мере одно устройство, представляющее собой нейтрализующий проскок аммиака катализатор, улавливающий твердые частицы фильтр или катализатор окисления.

28. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.27, в которой дополнительный катализатор или фильтр присутствует в форме монолита или фильтра, имеющего квадратную, прямоугольную или круглую форму в результирующем направлении газового потока через монолит.

29. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой по меньшей мере две параллельные стенки в термическом сообщении располагаются между впускным потоком газов и объемом газа в испарителе.

30. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому предшествующему пункту, в которой:

a) впускающая система газового потока включает по меньшей мере один впуск выхлопного газа, область теплопередачи, два проточных канала и две начальные смесительные зоны, причем область теплопередачи выполнена с возможностью для передачи тепла от выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания в испарительный модуль через по меньшей мере одну стенку, которая находится в термическом сообщении с испарительным модулем или представляет собой часть испарительного модуля, и газовый коллектор, чтобы пропускать поток выхлопного газа в проточные каналы, в которых восстановитель, образующийся в испарительном модуле, вводится в поток выхлопного газа перед тем, как он поступает в катализатор, дополнительно включающий проход из проточных каналов в реактор СКВ, в котором сплошная пластина устанавливается по диагонали между по меньшей мере двумя проточными каналами и реактором СКВ, направляя поток смешанного выхлопного газа из по меньшей мере двух проточных каналов в реактор СКВ, причем сплошная пластина выполнена с возможностью для обеспечения приблизительно равномерного импульсного распределения и концентрации восстановителя по всему поперечному сечению катализатора; и

b) испарительный модуль включает сопло, которое выполнено с возможностью для приизводства испарившегося восстановителя из раствора восстановителя или предшественника восстановителя, причем данное сопло выполнено с возможностью для регулирования формы капельного рисунка, образуемого по меньшей мере одним производящим аэрозоль устройством, две боковые стенки, причем каждый боковая стенка содержит множество отверстий, через которые перемещается испарившийся восстановитель в начальную смесительную зону во впускающей газовый поток системе и испарительный объем, включающий испарившийся восстановитель в испарительном модуле.

31. Способ уменьшения количества оксидов азота, образующихся в выхлопном газе из двигателя, причем данный способ включает пропускание выхлопного газа из двигателя через систему СКВ по любому предшествующему пункту.

32. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4, причем впускающая система газового потока включает два проточных канала и две начальные смесительные зоны.

33. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32, в которой испарительный модуль включает по меньшей мере одно производящее аэрозоль устройство, через которое пропускается раствор восстановителя или предшественника восстановителя.

34. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.33, в которой по меньшей мере одно производящее аэрозоль устройство представляет собой первое сопло.

35. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-34, причем испарительный модуль дополнительно включает по меньшей мере одно сопло, такое как второе сопло, выполнено с возможностью для регулирования формы капельного рисунка, образуемого по меньшей мере одним производящим аэрозоль устройством.

36. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-35, в которой выхлопной газ, после пропускания через реактор СКВ, вступает в контакт со стенкой, такой как вторая стенка, в термическом контакте с газом в испарительном модуле.

37. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-36, в которой впускающая система газового потока включает по меньшей мере одну стенку в термическом сообщении с испарительным модулем.

38. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-37, причем впускающая система газового потока включает по меньшей мере одну стенка в непосредственном термическом сообщении с испарительным модулем.

39. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.38, причем впускающая система газового потока включает две стенки в непосредственном термическом сообщении с испарительным модулем.

40. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-39, в которой испарительный модуль включает по меньшей мере одну стенку в термическом сообщении с выхлопным газом.

41. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.40, в которой испарительный модуль включает одну стенку в непосредственном термическом сообщении с выхлопным газом.

42. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.40, в которой испарительный модуль включает две стенки в непосредственном термическом сообщении с выхлопным газом.

43. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-42, в которой впускающая система газового потока дополнительно включает проход, присоединяющий каждый из проточных каналов к реактору СКВ.

44. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.43, в которой проход включает устройство для направления потока смешанного выхлопного газа из по меньшей мере двух проточных каналов в реактор СКВ, причем данное устройство выполнено с возможностью для обеспечения приблизительно равномерной концентрации восстановителя по всему поперечному сечению катализатора.

45. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.44, в которой устройство для направления потока смешанного выхлопного газа из по меньшей мере двух проточных каналов в реактор СКВ включает сплошную пластину, установленную по диагонали в соединительном проходе между по меньшей мере двумя проточными каналами и реактором СКВ.

46. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-45, в которой по меньшей мере два проточных канала выполнены с возможностью для распределения потока выхлопного газа вокруг реактора СКВ, и проточные каналы находятся в термическом сообщении с реактором СКВ.

47. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-46, в которой потоки газа в каждом из проточных каналов являются приблизительно равными.

48. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-47, в которой по меньшей мере один из проточных каналов располагается на первой стороне реактора СКВ, и по меньшей мере еще один проточный канал располагается на противоположной сторона реактора СКВ.

49. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-48, в которой проточные каналы включают отражательные пластины, расположенные и ориентированные таким образом, чтобы обеспечивать равномерное импульсное распределение выхлопного газа выше по потоку относительно катализатора.

50. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-49, дополнительно включающая устройство для регулирования введения карбамида или предшественника аммиака.

51. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.50, в которой устройство для регулирования введения карбамида или предшественника аммиака включает датчик NOx.

52. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-51, в которой катализатор СКВ присутствует в форме монолита или улавливающего твердые частицы фильтра.

53. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-52, в которой по меньшей мере один катализатор СКВ присутствует в форме монолита или улавливающего твердые частицы фильтра, имеющего квадратную, прямоугольную или круглую форму в результирующем направлении газового потока через монолит.

54. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-53, причем данная система СКВ дополнительно включает по меньшей мере одно устройство, представляющее собой нейтрализующий проскок аммиака катализатор, улавливающий твердые частицы фильтр или катализатор окисления.

55. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.54, в которой дополнительный катализатор или фильтр присутствует в форме монолита, имеющего квадратную, прямоугольную или круглую форму в результирующем направлении газового потока через монолит.

56. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по п.55, в которой каталитический фильтр присутствует в форме монолита, имеющего квадратную, прямоугольную или круглую форму в результирующем направлении газового потока через монолит.

57. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-56, в которой по меньшей мере две параллельные стенки в термическом сообщении располагаются между впускным потоком газов и объемом газа в испарителе.

58. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) по любому из пп.1-4 или 32-57; в которой:

a) впускающая система газового потока включает по меньшей мере один впуск выхлопного газа, область теплопередачи, два проточных канала и две начальные смесительные зоны, причем область теплопередачи выполнена с возможностью для передачи тепла от выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания в испарительный модуль через по меньшей мере одну стенку, которая находится в термическом сообщении с испарительным модулем или представляет собой часть испарительного модуля и газовый коллектор, чтобы пропускать поток выхлопного газа в проточные каналы, в которых восстановитель, образующийся в испарительном модуле, вводится в поток выхлопного газа перед тем, как он поступает в катализатор, дополнительно включающий проход из проточных каналов в реактор СКВ, в котором сплошная пластина устанавливается по диагонали между по меньшей мере двумя проточными каналами и реактором СКВ, направляя поток смешанного выхлопного газа из по меньшей мере двух проточных каналов в реактор СКВ, причем сплошная пластина выполнена с возможностью для обеспечения приблизительно равномерного импульсного распределения и концентрации восстановителя по всему поперечному сечению катализатора; и

b) испарительный модуль включает сопло, которое выполнено с возможностью для приизводства испарившегося восстановителя из раствора восстановителя или предшественника восстановителя, причем данное сопло выполнено с возможностью для регулирования формы капельного рисунка, образуемого по меньшей мере одним производящим аэрозоль устройством, две боковые стенки, причем каждый боковая стенка содержит множество отверстий, через которые перемещается испарившийся восстановитель в начальную смесительную зону во впускающей газовый поток системе и испарительный объем, включающий испарившийся восстановитель в испарительном модуле.

59. Способ уменьшения количества оксидов азота, образующихся в выхлопном газе из двигателя, причем данный способ включает пропускание выхлопного газа из двигателя через систему СКВ по любому из пп.1-4 или 32-58.