消除特別是來自具體用于機動車的內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢氣中的污染的方法以及使用該方法的設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于消除在排氣管線(12)中，特別是內(nèi)燃機的排氣管線中流通的廢氣的污染，所述管線包括氨敏催化裝置(46)和用于注入還原劑的裝置(56、58)，所述氨敏催化裝置(46)具有被所述氣體貫穿的選擇性NOx催化還原。根據(jù)本發(fā)明，所述方法包括將還原劑降解成氫氣相和氨氣相，以及對于低于約150℃的氣體溫度，將氫注入與氫敏NOx催化裝置(44)聯(lián)用的排氣管線。
【專利說明】消除特別是來自具體用于機動車的內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢氣中的污染的方法以及使用該方法的設(shè)備發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及消除廢氣中污染，特別是來自具體用于機動車的內(nèi)燃機的廢氣的方法。
[0002]更具體地，本發(fā)明涉及處理自燃式內(nèi)燃機，特別是柴油型自燃式內(nèi)燃機的廢氣中所含的污染物的方法，但其并不通過任何方式排除該方法用于火花引燃發(fā)動機，例如以氣體燃料或汽油，具體是用低濃度混合物運行的那些。
[0003]本發(fā)明還涉及使用該方法的廢氣脫污染設(shè)備。
[0004]發(fā)明背景
[0005]眾所周知，對于以汽油或氣體運行的發(fā)動機，來自此類發(fā)動機的廢氣包含很多污染物，例如未燃燒的烴、一氧化碳、氮氧化物(NO和N02)，更通常地稱為NOx，并且對于柴油型發(fā)動機，除這些物質(zhì)外還包含其它顆粒。
[0006]廣泛地認(rèn)為，在高溫下發(fā)生并具有高的氧含量的燃燒導(dǎo)致NOx排放。這些條件通常在任何類型的燃燒中都能遇到，特別是在貧燃條件下發(fā)生的燃燒，例如無論是否使用燃料，在貧燃模式中的直接注射。
[0007]目前，NOx排放涉及的主要缺陷在于，它們對人類健康具有直接的有害作用，并且對對流臭氧層的二次形成具有間接的有害作用。
[0008]為了符合排放標(biāo)準(zhǔn)并保護(hù)環(huán)境和人類健康，已必需在將這些廢氣排放到大氣之前處理這些污染物。
[0009]眾所周知，通過消除發(fā)動機的排氣管線中流通的廢氣中的污染的處理來達(dá)到所述要求。
[0010]因此，為了處理來自用低濃度混合物運行的發(fā)動機的未燃燒的烴和一氧化碳，在排氣管線上安排例如氧化催化劑的催化裝置。
[0011]對于柴油發(fā)動機的廢氣，有益的是在此管線上放置顆粒過濾器從而捕獲并去除存在于廢氣中的顆粒，并從而避免將它們排放入大氣中。
[0012]該過濾器也可以是催化過濾器，其需要周期性再生，從而通過獲得保留在該過濾器中的顆粒的燃燒保持其全部過濾能力。這些再生操作主要由增加過濾溫度組成，所述過濾溫度通常通過在放置在所述過濾器上游的催化劑上的還原化學(xué)物質(zhì)的放熱氧化增加，所述化學(xué)物質(zhì)來自于燃燒或來自于在排氣口處的直接注入。
[0013]對于NOx排放，廢氣也流動通過其它催化裝置，特別是SCR(選擇性催化還原)型催化劑。所述SCR催化劑能通過還原劑的作用選擇性地將NOx還原成氮。
[0014]所述還原劑通常被直接注射入SCR催化劑的上游，其可以是氨或通過降解形成氨的化合物(例如脲)，或是由含有烴的物質(zhì)得到的烴。
[0015]目前，最常用的用于NOx脫污染的技術(shù)是使用氨的SCR催化。
[0016]所述氨間接地由以液體形式注射的前體(通常為32.5重量％脲的水性脲溶液，更常見的商品名為“AdBlue”或“DEF")的降解得到。
[0017]因此，所述脲溶液從SCR催化劑的上游注射入排氣管線。在廢氣溫度的作用下，此溶液中含有的水迅速蒸發(fā)，隨后各個脲分子在兩個階段中降解成兩個氨分子:
[0018](NH2)2CO(脲)—NH3(氨)+HNC0(異氰酸)-(1)
[0019]HNC0+H20^NH3+C02-(2)
[0020]或者，可以將氨直接從SCR催化劑的上游注射入排氣管線。
[0021 ] 如在W0-2011/123，620或W0-2012/027，368中更詳細(xì)的描述，所述氨可來自氨儲存體系或來自脲電解操作。
[0022]事實上，所述電解產(chǎn)生了在一個電極上的氨和氮以及在另一個電極上的氫。將所述氨和氮從SCR催化劑的上游輸送到排氣管線中，并將所述氫用作內(nèi)燃機的燃料，從而提高其能量效率。
[0023]雖然這些技術(shù)是令人滿意的，但它們存在非常顯著的缺陷。
[0024]事實上，對于給定的SCR催化劑，反應(yīng)效率主要取決于NOx中NO和NO2的組成，并且取決于氣體溫度和流速。
[0025]因此，當(dāng)溫度低于約150°C時，通過用氨的NOx的選擇性催化還原的催化是不起作用的或很難起作用。此外，當(dāng)使用脲基前體時，對于低于約180°C的廢氣溫度，難以獲得包含在所述脲溶液中的水的蒸發(fā)，并且難以將脲降解成氨和異氰酸。隨后可能形成沉積并最終導(dǎo)致排氣管線的阻塞。在該溫度條件下，通常避免將脲溶液注入到排氣管線中。
[0026]因此，未經(jīng)SCR催化劑處理就將NOx排放到大氣中。
[0027]本發(fā)明旨在通過使用能以簡單且廉價的方式實施低溫SCR催化操作的方法和設(shè)備來克服前述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0028]本發(fā)明因此涉及一種用于消除在排氣管線，特別是內(nèi)燃機的排氣管線中流通的廢氣的污染的方法，所述管線包括具有氨敏催化裝置(其被所述氣體貫穿的選擇性氮氧化物催化還原)和用于在所述管線中注射還原劑的裝置，從而當(dāng)氣體通過所述催化裝置時處理污染物，所述方法的特征在于，其包括:
[0029]將還原劑降解成具有氫氣相的化合物和具有氨氣相的化合物，以及
[0030]對于低于約150°C的廢氣溫度，將氫氣相注射入與氫敏NOx催化裝置聯(lián)用的排氣管線中以處理該氣體中的污染物。
[0031]所述方法可包括使用具有選擇性催化還原的催化劑裝置作為所述氫敏NOx催化裝置。
[0032]所述方法可包括使用氧化催化裝置作為所述氫敏NOx催化裝置。
[0033]對于高于約150°C的廢氣溫度，所述方法可包括將氨氣相注射入與具有NOx選擇性催化還原的氨敏催化裝置聯(lián)用的排氣管線中以處理該氣體中的污染物。
[0034]對于高于約180°C的廢氣溫度，所述方法可包括將還原劑注射入與具有NOx選擇性催化還原的氨敏催化裝置聯(lián)用的排氣管線中以處理該氣體中的污染物。
[0035]對于低于約150°C的廢氣溫度，所述方法可包括將氫氣相注射入與至少一種氣體催化裝置聯(lián)用的排氣管線中。
[0036]所述方法可包括通過電解降解所述還原劑。
[0037]所述方法可包括將至少一種化合物放置在罐中。
[0038]所述方法可包括通過計量閥的方式控制至少一種化合物的注射。
[0039]本發(fā)明還涉及用于消除在排氣管線，特別是內(nèi)燃機的排氣管線中流通的廢氣的污染的設(shè)備，所述設(shè)備包括放置在排氣管線上的具有選擇性NOx催化還原的氨敏催化裝置、在所述管線中注射還原劑從而當(dāng)所述氣體通過所述催化裝置時處理污染物的裝置、和用于電解還原劑的裝置，其特征在于，所述排氣管線包括氫敏NOx催化裝置和用于來自電解裝置的氫氣相化合物的注射器。
[0040]所述設(shè)備可包括選擇性催化還原催化劑作為氫敏NOx催化裝置。
[0041 ]所述設(shè)備可包括氧化催化劑作為氫敏NOx催化裝置。
[0042]所述排氣管線可包括用于來自電解裝置的氨氣相化合物的注射器，以在具有NOx選擇性催化還原的氨敏催化裝置上游注射氨。
[0043]所述排氣管線可包括至少一種與用于來自電解裝置的氫氣相化合物的注射器聯(lián)合的其它催化裝置。
[0044]所述設(shè)備可包括放置在連通電解裝置和注射器的管路中的計量閥。
[0045]所述設(shè)備可包括放置在連通電解裝置和注射器的管路中的罐。
【附圖說明】
[0046]通過閱讀下文中以非限制性實施例形式給出的描述并參考附圖，可以了解本發(fā)明的其它特征和益處:
[0047]圖1顯示使用根據(jù)本發(fā)明的方法的設(shè)備，
[0048]圖2說明了圖1的第一種變化形式，以及
[0049]圖3是圖1的另一種變化形式。
[0050]發(fā)明詳述
[0051]所述廢氣脫污染處理設(shè)備包括組合使用的用于脲基前體的電解裝置10和排氣管線12。
[0052]應(yīng)理解，廢氣是來自內(nèi)燃機，特別是機動車的廢氣，但并不排除其它由燃燒得到的氣體類型，例如來自鍋爐的燃料氣體。
[0053]在W0-2011/123，620和W0-2012/027，368文件中詳細(xì)描述的用于脲基前體的電解裝置包括罐14，其含有優(yōu)選是以水性溶液形式存在的前體16，并且所述電解裝置提供電解池18。
[0054]為了簡化之后的描述，下文中所述脲基前體簡稱為脲。
[0055]所述電解池包括用于接收來自所述罐的脲16的封閉的室20、設(shè)置在所述室中并浸沒在所述脲中的陰極22和陽極24、通過電導(dǎo)體28為陰極和陽極供應(yīng)電的電力來源26、和用于由電解得到的化合物的排放出口 30和32。
[0056]所述電力來源可具有不同的來源，例如電池、燃料電池等。
[0057]如在上述文件中描述的，該電池能通過電解產(chǎn)生具有氨(NH3)和氮(N2)氣相的化合物，以及具有氫(H2)氣相的另一化合物。
[0058]為了簡化，在以下描述中，認(rèn)為出口30是排放氫氣相的出口，而出口 32是能夠排放氨和氮氣相的出口。
[0059]有益的是，在所述室中設(shè)置分隔壁34從而將陰極22與陽極24分隔開以及將出口30和出口 32分隔開，并從而將氫氣相與位于所述室上部的氨和氮氣相隔離。
[0060]通過連通所述室底部和罐14的管路36將液體形式的脲供應(yīng)至所述室中。有益的是，所述管路包括計量栗38，其為所述陽極和陰極提供所述室的足量填充從而使它們持續(xù)浸沒在脲中。
[0061]從圖1中能更好地看到，在所述廢氣從排氣管線12的進(jìn)口40流通至出口42的方向上，排氣管線12包括至少一個用于NOx催化的SCR裝置。更精確地，所述管線包括兩種催化劑，一種催化劑為與氫反應(yīng)的，放置在緊鄰于廢氣進(jìn)口的氫催化劑44。該催化劑隨后與SCR催化劑串聯(lián)，所述SCR催化劑是氨催化劑46，其通過氨提供NOx還原。
[0062]當(dāng)然，氫催化劑44可以是氧化催化劑或其它SCR催化劑，而不背離本發(fā)明的范圍。
[0063]為了簡化以下描述，所述氫催化劑選擇的例子是SCR催化劑。
[0064]在本身已知的方式中，排氣管線帶有設(shè)置在排氣管線進(jìn)口處的溫度探測器(未顯示)，其能使人們在任何時間知曉在該管線中流通的廢氣的溫度。
[0065]或者，可提供邏輯和/或計算機裝置，其能使人們在任何時間估算在該管線中流通的廢氣的溫度。
[0066]如在圖1中更好地看出，氫出口30通過管路50與設(shè)置在氫催化劑44上游的管線上的氫注射器48連接。相似地，氨和氮出口通過管路52與設(shè)置在的氨催化劑46上游并在氫催化劑與該氨催化劑之間的氨和氮注射器54連接。最終，管線12以本身已知的方式帶有脲注射器56，注射器56設(shè)置在氨催化劑46的上游并通過管路58與脲注射環(huán)路(未顯示)連接，罐14可包含在所述脲注射環(huán)路中。
[0067]有益的是，至少一個管路(圖中是兩個管路)帶有計量閥60和62，其能控制將被注射入排氣管線中的氫的比例(閥60)和/或氨和氮的比例(閥62)。
[0068]相似地，所述管路可帶有緩沖罐64和66，由電解池18產(chǎn)生的氫可儲存在罐64中，氨可儲存在罐66中。
[0069]當(dāng)然，通過任何控制裝置(例如計算器)來管理電來源26、栗38和閥60、62。
[ΟΟΤ?]在操作過程中，考慮到至少一個罐并沒有含有保證NOx還原的足量的化合物(氫和/或氨)，并且對于低于約150°C的廢氣溫度，具體是開始時，通過對陰極22和陽極24充電來使電解池18運作。
[0071 ]充電使得氫在電解池的出口 30處形成，氨和氮在出口 32處形成。
[0072]在通過電解池18產(chǎn)生氫和氨的同時，將用于氨的閥62調(diào)到關(guān)閉位置，而將閥60調(diào)到開啟位置。
[0073]從而通過氫罐64由注射器48在氫催化劑44的上游注射氫，同時將氨儲存在氨罐66中。
[0074]當(dāng)然，如果包含在罐64和66中的氫和氨的量足夠，則不必激活電解池18，并如上所述控制閥60和62。
[0075]因此該氫注射能處理廢氣中所含的NOx，其會流動通過催化劑44。
[0076]事實上，
【申請人】已經(jīng)能通過各種分析突出顯示了，在僅100°C的溫度等級下，氫是優(yōu)異的NOx還原劑。
[0077]舉例來說，將氫與基于Pt/Si02或Pt/MgCeO或Pt/W03/Zr02的組合物一起使用的SCR催化劑已從90°C以上顯示了良好的活性和選擇性。
[0078]Ag/Al203型催化劑也是良好的備選方案。
[0079]在80，00011-1的6肥￥并且氣體溫度為120°(:時，用34?0-34鉑沸石基催化劑進(jìn)行的測試能得到78 %的NO轉(zhuǎn)化率，其選擇性地轉(zhuǎn)化為N2占75 %。
[0080]有益的是，用于SCR催化所需的氫的量非常少?？紤]到2H2+2N0—N2+2H20并且需要例如在NEDC循環(huán)的第一個400秒中還原0.4g N0x，40mg H2是必需的(此處反應(yīng)產(chǎn)率預(yù)計為
66%) ο
[0081]廢氣溫度一旦高于150°C，將氫閥60調(diào)至關(guān)閉位置從而停止管線12中氫的注入，同時將該氫儲存在氫罐64中。
[0082]同時，將氨閥62調(diào)至開啟位置，將包含在罐66中的氨通過氨注射器54輸送至在催化劑44和46之間在管線12中流通的廢氣中。
[0083]隨后用催化劑46中的氨通過催化處理存在于廢氣中的NOx。
[0084]一旦廢氣達(dá)到高溫(約為180_200°C的等級)，通過關(guān)閉閥62停止氨注射并通過切斷來自源26的電力供應(yīng)使電解池18不運行。
[0085]隨后，以常規(guī)方式通過設(shè)置在催化劑44和46之間的注射器56在管線12中注入脲進(jìn)行來自廢氣的NOx的處理。
[0086]該設(shè)備以及與其有關(guān)的方法能為NOx處理提供從約100°C至超過450°C的非常寬的溫度范圍。
[0087]當(dāng)然，考慮對于控制計量閥的所有必需和基本的動作(注射時間，流量等)從而獲得各種催化劑上游的足量化合物，以提供廢氣在通過SCR催化劑44和46之后的脫污染，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員能力所及的范圍。
[0088]應(yīng)注意，可以在用脲的常規(guī)NOx處理時激活電解池18，從而保證在罐64和66中的氫和氨的產(chǎn)生和儲存。因此這些化合物可用于將來廢氣溫度為約150°C的發(fā)動機發(fā)動。
[0089]圖2和3的例子說明了用氫填裝(priming)其他催化劑的各種可能性，具有明顯顆粒過濾再生。
[0090]圖2的例子說明了在排氣管線12上，在SCR氫催化劑44和SCR氨催化劑46之間放置額外催化劑70的可能性。也可在該管線中，在SCR氨催化劑46之后設(shè)置其他額外催化劑72。
[0091]在顯示的例子中，額外的催化劑可以是氧化催化劑或三向催化劑，或催化或不催化的顆粒過濾器。
[0092]從圖2中更能看出，額外的催化劑70和72分別與氫注射器74a和74b相互關(guān)聯(lián)，所述氫注射器74a和74b設(shè)置在排氣管線上，在這些催化劑的上游。這些注射器中的每個都通過各自帶有計量閥78a和78b的管路76a和76b與氫罐64連接。
[0093]因此，當(dāng)啟動機動車且廢氣溫度低于約150°C時，通過生成氫和氨如上所述使電解池18運作。
[0094]當(dāng)啟動所述機動車時，將氨閥62調(diào)至關(guān)閉位置同時將閥60調(diào)至開啟位置用于在氫催化劑44上游通過注射器48注入氫。任選地，將閥78a和/或78b調(diào)至開啟位置用于通過注射器74a和/或74b分別在額外催化劑70和/或72上游注射氫，或當(dāng)使用氧化催化劑時用于熱催化劑填裝(priming)。
[0095]該氫注射能處理包含在將會流動通過催化劑44的廢氣中的NOx，并能增加廢氣溫度從而引發(fā)催化劑70和/或72的催化操作。
[0096]一旦溫度達(dá)到足夠的閾值，約為150°C時，停止在催化劑44處的氫注入并且在SCR催化劑46處進(jìn)行氨注入。
[0097]當(dāng)然，一旦達(dá)到其操作溫度(氧化催化劑)，停止在催化劑70和/或72處的氫注入。
[0098]該操作后，繼續(xù)進(jìn)行廢氣脫污染方法，對于氣體溫度高于180-200°C的范圍，如上文所述停止氨注入并將脲通過注射器56供應(yīng)至管線12。
[0099]在催化劑70或72中的一種是催化的顆粒過濾器的情況中，可控制在該過濾器上游的通過注射器74a或74b的氫注入，從而有助于包含在所述過濾器中的顆粒的燃燒。
[0100]圖3與圖2的例子的區(qū)別在于額外催化劑70和72的位置。
[0101]在該圖中，將額外催化劑70設(shè)置在廢氣進(jìn)口40和SCR氫催化劑44之間，將催化劑72設(shè)置在SCR氨催化劑46之后在廢氣出口 42的附近。
[0102]如圖2中提到的，催化劑70和72與氫注射器74a和74b相連，并與帶有計量閥78a和78b的管路76a和76b相連，并與罐64連接。
[0103]圖3的例子的操作原理與圖2的一致。
【主權(quán)項】
1.一種用于消除在排氣管線(12)，特別是內(nèi)燃機的排氣管線(12)中流通的廢氣的污染的方法，所述管線包括氨敏催化裝置(46)和用于在所述管線中注入還原劑的裝置(56、58)，所述氨敏催化裝置(46)具有被所述氣體貫穿的選擇性氮氧化物催化還原，從而當(dāng)所述氣體通過所述催化裝置時處理污染物，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 將所述還原劑降解成具有氫氣相的化合物和具有氨氣相的化合物，以及 對于低于約150°C的廢氣溫度，將氫氣相注入與氫敏NOx催化裝置聯(lián)用的排氣管線中以處理該氣體中的污染物。2.如權(quán)利要求1所述的消除廢氣污染的方法，其特征在于，所述方法包括使用具有選擇性催化還原的催化裝置作為氫敏NOx催化裝置(44)。3.如權(quán)利要求1所述的消除廢氣污染的方法，其特征在于，所述方法包括使用氧化催化裝置作為氫敏NOx催化裝置(44)。4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的消除廢氣污染的方法，其特征在于，所述方法包括，對于高于約150°C的廢氣溫度，將氨氣相注入到與具有NOx選擇性催化還原的氨敏催化裝置(46)聯(lián)用的排氣管線中，以處理在該氣體中的污染物。5.如前述任一項權(quán)利要求所述的消除廢氣污染的方法，其特征在于，所述方法包括，對于高于約180°C的廢氣溫度，將還原劑相注入到與具有NOx選擇性催化還原的氨敏催化裝置(46)聯(lián)用的排氣管線中，以處理在該氣體中的污染物。6.如前述任一項權(quán)利要求所述的消除廢氣污染的方法，其特征在于，所述方法包括，對于低于約150°C的廢氣溫度，將氫氣體相注入到與至少一個額外催化裝置(70、72)聯(lián)用的排氣管線中。7.如前述任一項權(quán)利要求所述的消除廢氣污染的方法，其特征在于，所述方法包括通過電解分解所述還原劑。8.如前述任一項權(quán)利要求所述的消除廢氣污染的方法，其特征在于，所述方法包括將至少一種所述化合物放置在罐(64、66)中。9.如前述任一項權(quán)利要求所述的消除廢氣污染的方法，其特征在于，所述方法包括通過計量閥(60、62)的方式控制至少一種所述化合物的注入。10.—種用于消除在排氣管線，特別是內(nèi)燃機的排氣管線中流通的廢氣的污染的設(shè)備，所述設(shè)備包括放置在排氣管線上的具有選擇性NOx催化還原的氨敏催化裝置(46)、在所述管線中注入還原劑從而當(dāng)所述氣體通過所述催化裝置時處理污染物的裝置(56、58)、和用于電解所述還原劑的裝置(18)，其特征在于，所述排氣管線包括氫敏NOx催化裝置(44)和用于來自電解裝置的氫氣相化合物的注射器(48)。11.如權(quán)利要求10所述的廢氣脫污染設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括選擇性催化還原催化劑作為氫敏NOx催化裝置(44)。12.如權(quán)利要求10所述的廢氣脫污染設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括氧化催化劑作為氫敏NOx催化裝置(44)。13.如權(quán)利要求10-12中任一項所述的廢氣脫污染設(shè)備，其特征在于，排氣管線(12)包括用于來自電解裝置的氨氣相化合物的注射器(54)，從而在具有NOx選擇性催化還原的氨敏催化裝置(46)的上游注入氨。14.如權(quán)利要求10-13中任一項所述的廢氣脫污染設(shè)備，其特征在于，排氣管線(12)包括與用于來自電解裝置(18)的氫氣相化合物的注射器(74a、74b)聯(lián)用的至少一個額外催化裝置(70、72)。15.如權(quán)利要求10-14中任一項所述的廢氣脫污染設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括設(shè)置在連接電解裝置(18)和注射器(48、54、74a、74b)的管路(50、52、76a、76b)上的計量閥(60、62、78a、78b)。16.如權(quán)利要求10-15中任一項所述的廢氣脫污染設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括設(shè)置在連接電解裝置(18)和注射器(48、54、74a、74b)的管路(50、52、76a、76b)上的罐(64、66) ο
【文檔編號】F01N3/20GK105917090SQ201480073203
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年10月31日
【發(fā)明人】S·羅
【申請人】Ifp新能源公司