Компактная система селективного каталитического восстановления для восстановления оксида азота в обогащенных кислородом выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания мощностью 500-4500 квт

Изобретение относится к области очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания. Система селективного каталитического восстановления (СКВ) содержит СКВ-реактор (3), впускную проточную систему (1) и испарительный модуль. СКВ-реактор (3) содержит по меньшей мере один СКВ-катализатор и сообщается с впускной проточной системой (1) и испарительным модулем. Впускная проточная система (1) содержит один или более впуск для выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания, впуск выполнен с возможностью распределять поток газов через по меньшей мере один проточный канал (11, 12), проходящий вокруг СКВ-реактора (3), поток выхлопных газов по проточному каналу (11, 12) вокруг СКВ-реактора подает теплоту на испарительный модуль, в котором мочевина или предшественник аммиака вводится в испарительный модуль для преобразования в аммиак перед вводом в СКВ-реактор (3), и поток газов из каждого из проточных каналов (11, 12) вводится в СКВ-реактор после введения потока загруженного аммиаком газа и после прохождения через множество пластинчатых дефлекторов для создания приблизительно равномерной скорости газа и равномерного профиля концентрации в поперечном сечении СКВ-реактора (3), и испарительный модуль содержит средство для введения мочевины или предшественника аммиака в нагретый предварительный реактор, в котором она по меньшей мере частично разлагается и затем подается в поток выхлопных газов перед введением этого потока выхлопных газов в СКВ-реактор (1). 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе селективного каталитического восстановления (СКВ) для восстановления оксидов азота (NO_x) в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, обогащенных кислородом, таких как дизельные двигатели и морские двигатели на газовом топливе, железнодорожные и (стационарные) двигатели для электрогенераторов.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Селективное каталитическое восстановление (СКВ) оксидов азота (NO_x) в топочных газах применяется во всем мире во многих отраслях для выполнения требований национального и международного законодательства. Оксиды азота, образующиеся в процесса сгорания ископаемого и возобновляемого топлива восстанавливаются с помощью восстановителя, такого как аммиак, на поверхности катализатора. Применялись разные катализаторы на разных подложках, например, оксиды ванадия, ионообменные цеолиты и пр. Катализаторы могут иметь разные составы и разные формы, такие как экструдированные или покрытые соты, металлические подложки и пр. Одним из основных факторов, определяющим выбор подходящего катализатора, является температура отработавших газов. Хотя в качестве восстановителя предпочтительным является аммиак, непосредственное применение аммиака является проблематичным, поскольку газообразный аммиак опасен. Поэтому обычно используют вещества, которые легки в обращении и разлагаются для образования аммиака при впрыскивании в горячие отработавшие газы. Например, водный раствор мочевины при температуре выше 140°С разлагается с образованием аммиака и изоциановой кислоты (HNCO), которая, затем, в результате гидролиза образует аммиак и диоксид углерода. Однако, получение аммиака из водного раствора мочевины является процессом относительно длительным. Если время нахождения мочевины в потоке горячего газа будет слишком коротким, это может привести к отложениям на стенках реактора или, хуже того, на катализаторе. Поэтому в текущем состоянии систем СКВ перед собственно катализатором находятся относительно длинные инжекционные каналы, длиной несколько метров. Эти длинные каналы типично являются прямой трубой, по которой текут выхлопные газы и в которой восстановитель впрыскивают в горячий газ с помощью инжектора или фурмы.

Описанные выше системы СКВ по существу применялись на больших стационарных системах, таких как электростанции. Системы СКВ меньшего размера применялись в автомобилях и в двигателях мощностью менее 600 кВт. Эти системы СКВ меньшего размера имеют другие конструкции из-за меньшего объема выхлопных газов и, следовательно, требуют меньшего массового расхода восстановителя, который следует ввести в систему. Недавно были приняты нормативы на выбросы дизельных двигателей и двигателей, работающих на газе, мощностью 500-4500 кВт, работающих как судовые, внедорожные двигатели и двигатели электрогенераторов. В настоящее время системы, применяемые в двигателях такой мощности содержат длинную выхлопную трубу (длиной до прибл. 10 м) большого диаметра (до прибл. 0,6 м) и СКВ-реактор, расположенный в потоке выхлопных газов. Водный раствор мочевины впрыскивают непосредственно в выхлопные газы с помощью фурмы. Мочевина впоследствии преобразуется в аммиак в полном потоке выхлопных газов. Для получения равномерной концентрации аммиака по сечению катализатора, в поток намеренно вводятся возмущения статическими смесителями. Часто аммиак вводят непосредственно через решетку для впрыска аммиака в полный поток выхлопных газов пере его проходом через один или множество смесителей и, затем, катализатор СКВ. Неравномерное распределение потоков может привести к образованию пятен с секциями низкой температуры, что приводит к отложениям или коррозии, вызванной частично разложившейся мочевиной. Такие потери мочевины также снижают активность по преобразованию NO_x, поскольку отложившийся материал не может участвовать в реакции по преобразованию мочевины в аммиак.

Пространство является критическим фактором в системах связанных с морскими, внедорожными и энергетическими двигателями, и использование пространства может влиять на экономичность работы в этих секторах. Например, супер-яхта или паром могут потерять пассажирское пространство, что ведет непосредственно к недополученным доходам. Большие карьерные экскаваторы и самосвалы потребуют снижения нагрузки, которую они могут переносить или перевозить, что потребует дополнительных операций по извлечению или дополнительных рейсов для перевозки того же количества материала. В некоторых транспортных средствах, таких как буксиры, машинное отделение может не иметь пространства, необходимого для установки современных систем СКВ.

Компактная система СКВ, описываемая в настоящей заявке, позволяет применять мочевину для сокращения уровней оксидов азота (NO_x) в выхлопных газах, используя процесс СКВ в двигателях, имеющих размер, при котором пространственные ограничения для систем очистки выхлопных газов ранее являлись препятствием для их применения. Одним из преимуществ компактной описываемой системы СКВ является то, что эта система не только может применяться с новыми двигателями в описанных выше секторах, но и позволяет модернизировать уже существующие двигатели, которые также могут сократить количество выбросов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту изобретения предлагается система селективного каталитического восстановления (СКВ), содержащая СКВ-реактор, впускную проточную систему и испарительный модуль, в которой:

а. СКВ-реактор содержит по меньшей мере один СКВ-катализатор и сообщается с впускной проточной системой и испарительным модулем,

b. впускная проточная система содержит один или более впуск для выхлопных газов от двигателя, в которой впуск выполнен с возможностью распределять поток газов через по меньшей мере один проточный канал, проходящий вокруг СКВ-реактора, в которой поток выхлопных газов по проточному каналу вокруг СКВ подает теплоту на испарительный модуль, в котором мочевина или предшественник аммиака вводится в испарительный модуль для преобразования в аммиак перед вводом в СКВ-реактор, и поток газов в каждом из проточных каналов, вводится в СКВ-реактор после введения потока загруженного аммиаком газа и после прохождения через множество пластинчатых дефлекторов для создания приблизительно равномерной скорости газа и равномерного профиля концентрации в поперечном сечении СКВ-реактора, и

с. испарительный модуль содержит средство для введения мочевины или предшественника аммиака в нагретый предварительный реактор, в котором она по меньшей мере частично разлагается и, затем, подается в поток выхлопных газов перед введением этого потока выхлопных газов в СКВ-реактор.

Описана компактная система селективного каталитического восстановления, содержащая СКВ-реактор, впускную проточную систему и испарительный модуль, в которой поток горячего обработанного выхлопного газа используется для разложения мочевины на активные компоненты, включая аммиак. Система позволяет мочевине/аммиаку относительно долго оставаться в испарительном модуле, прежде чем восстановитель будет подан в выхлопные газы, которые затем поступают в СКВ-катализатор в СКВ-реакторе. СКВ-реактор содержит по меньшей мере один СКВ-катализатор и сообщается с впускной проточной системой и испарительным модулем. Впускная проточная система содержит один или более впуск для выхлопных газов, поступающих из двигателя. Впуск выполнен с возможностью распределять поток газов по проточным каналам вокруг СКВ-реактора. Поток выхлопных газов по проточным каналам вокруг СКВ-реактора подает дополнительную теплоту в испарительный модуль для испарения раствора мочевины или предшественника аммиака, вверенного в испарительный модуль, который также нагревается потоком чистого выхлопного газа. Проточные каналы содержат последовательность пластинчатых дефлекторов, которые в некоторых вариантах управляют временем прохождения газов в системе. Мочевина, или предшественник аммиака, вводится в поток газа, который прошел через СКВ-реактор, в испарительном модуле. Здесь испаренная мочевина или предшественник смешивается с потоком горячих газов, прошедших через СКВ-реактор и преобразуется в аммиак. Газ, содержащий аммиак, из испарительного модуля смешивается с выхлопными газами из проточных каналов. Соединенные газы перемешиваются и, затем, подаются В СКВ-реактор, где эта смесь газов имеет приблизительно одинаковую скорость газов и профиль концентрации по сечению СКВ-реактора. В системе не применяется решетка для впрыска аммиака, которая часто применяется в традиционном СКВ-процессе. После прохождения через СКВ-катализатор, обработанные выхлопные газы разделяются на первичный поток, который выводится из системы, и вторичный поток, который подается в испарительный модуль.

Ниже описаны многочисленные предпочтительные аспекты изобретения. Предусмотрены и эквивалентные решения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятно и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на приложенные чертежи.

Фиг. 1 - схематическое изображение варианта компактной системы СКВ, где впускной поток проходит по двум проточным каналам к задней части системы, где он разворачивается и проходит через СКВ-катализатор; при этом часть очищенного выхлопного газа смешивается с мочевиной и, затем, вводится в поток выхлопного газа перед прохождением через катализатор.

Фиг. 2 - трехмерное схематическое изображение варианта компактной системы СКВ, в которой поток выхлопного газа проходит по двум проточным каналам с обеих сторон реактора, прежде чем смесь очищенного выхлопного газа и мочевины будет введена в выхлопной газ перед прохождением через катализатор.

Фиг. 3 - схематическое изображение варианта проточного канала, в котором время движения выхлопного газа до введения аммиака увеличено за счет параллельных потоку дефлекторов для прохождения через катализатор.

Фиг. 4 - схематическое изображение варианта наклонного дефлектора в задней части компактной системы СКВ, которая позволяет создать относительно гомогенное распределение момента перед катализатором.

Фиг. 5 - вид сбоку варианта компактной системы СКВ, где часть очищенного выхлопного газа смешивается с мочевиной и, затем возвращается в выхлопной газ перед прохождением через катализатор.

Фиг. 6 - схематический вид сверху варианта испарительного модуля в котором трубка испарителя мочевины имеет длину, приблизительно вдвое больше длины трубки, показанной на фиг. 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к компактной системе селективного каталитического восстановления (СКВ) для восстановления NOx, в которой поток горячего обработанного выхлопного газа используется для обеспечения разложения мочевины на активные компоненты, включая аммиак. Описывается компактная система, содержащая СКВ-реактор, впускную проточную систему и испарительный модуль. СКВ-реактор содержит по меньшей мере один СКВ-катализатор и сообщается с впускной проточной системой и испарительным модулем. Впускная проточная система расположена рядом с по меньшей мере четырьмя сторонами СКВ-реактора и выполнена с возможностью создания по существу равномерного потока выхлопного газа через катализатор и подачи теплоты в испарительный модуль. Испарительный модуль выполнен с возможностью преобразования мочевины в аммиак и вводить аммиак в контакт с выхлопными газами в СКВ-реакторе. Конфигурация такой компактной системы позволяет разлагать предшественник восстановителя на активный восстановитель перед впрыском восстановителя в основной поток выхлопного газа, что позволяет сократить расстояние, необходимое для смешивания, и создать более компактную систему по сравнению с известными системами, применяемыми на двигателях мощностью 500-4500 кВт.

Согласно настоящему изобретению предлагается система СКВ, содержащая СКВ-реактор, впускную проточную систему и испарительный модуль. Существует несколько вариантов, предпочтительные формы которых будут описан ниже. Впускная проточная система расположена рядом с по меньшей мере четырьмя сторонами СКВ-реактора и выполнена с возможностью подавать по существу равномерный поток выхлопного газа через катализатор, и подавать дополнительную теплоту на испарительный модуль. Испарительный модуль выполнен с возможностью преобразования мочевины в аммиак и вводит аммиак в контакт с выхлопными газами перед СКВ-катализатором. Конфигурация системы позволяет увеличить время разложения предшественника восстановителя в системе по сравнению с известными системами, применяемыми на двигателях мощностью 500-4500 кВт с аналогичной занимаемой площадью.

Система подает реагент, предварительно аммиак, который может вступать в реакцию с соединениями, имеющимися в выхлопном газе, для снижения уровня NO_x в этом газе. В одном варианте реагент формируется путем преобразования вещества, которое может образовать аммиак, такого как мочевина, в реагент в газовой фазе, соединяя газ, содержащий реагент, с выхлопным газом, содержащим NO_x и, затем, пропуская соединенные газы через СКВ-катализатор и СКВ-реакторе. Для преобразования мочевины в аммиак водный раствор мочевины впрыскивают в поток горячего газа, где и вода, и мочевина испаряются и присутствуют в горячем газе в виде пара. Система образует средство для управления подачей мочевины или предшественника аммиака. Горячий очищенный газ, используемый для испарения раствора мочевины, является очищенным газом, сформированным после того, как смесь аммиака и выхлопного газа пройдет через СКВ-катализатор. Теплота от очищенного газа и от необработанного газа передается через теплообмен на испарительный модуль и испаряет и воду, и мочевину, и преобразует мочевину в аммиак. Термин "необработанный" выхлопной газ предназначен для описания выхлопного газа до его обработки. Термин "чистый" выхлопной газ предназначен для описания выхлопного газа после того, как он прошел СКВ-реактор в присутствии восстановителя. Испарительный модуль может содержать средство для извлечения части чистого выхлопного газа, выходящего из СКВ-реактора, средство для сбора части чистого выхлопного газа под давлением, средство для подачи сжатого чистого выхлопного газа в испарительную трубку и средство для впрыска мочевины или предшественника аммиака в чистый выхлопной газ в испарительной трубке. Массовый расход и температура чистого газа и время нахождения мочевины или предшественника аммиака в потоке горячего газа достаточны для полного испарения воды и термического разложения мочевины или предшественника аммиака. Испарительный модуль может впрыскивать водный раствор мочевины. Аммиак модно вводить и в проточные каналы и в проходы в реакторе.

Описываемые устройство и способ эффективны при применении мочевины, но могут использовать и другие реагенты, восстанавливающие NO_x, способные при нагревании формировать газообразный реагент. Происходящие реакции хорошо известны. Описание этих реакций приведено в патентах США №№ 8,105,560 и 7,264,785, которые полностью включены в настоящее описание путем отсылки.

Термин "мочевина" предназначен для обозначения мочевины, CO((NH₂)₂) и реагентов, которые эквивалентны мочевине, поскольку они при нагревании образуют аммиак и HNCO. Также можно использовать другие известные реагенты, восстанавливающие NO_x. В других вариантах можно применять реагенты, восстанавливающие NO_x, которые не образуют мочевину или NHCO, но реагируют с веществами, присутствующими в выхлопном газе для снижения уровня NO_x.

Объем вводимого раствора мочевины зависит и от массового потока NO_x, и концентрации мочевины в растворе. Количество вводимой мочевины связано с концентрацией NO_x на основе стехиометрии проходящих реакций, температурой выхлопного газа и применяемого катализатора. Количество применяемой мочевины связано с т.н. "NSR" который относится к относительным эквивалентам азота в мочевине или в других восстанавливающих NO_x реагентах, к эквивалентам азота в NO_x в подлежащих обработке газах. NSR может иметь величину от 0,1 до 2, но предпочтительно он находится в диапазоне 0,6-1,2 включительно.

СКВ-катализатор, применяемый в описываемой компактной системе СКВ, можно выбрать из известных катализаторов, способных снижать концентрацию оксидов азота в присутствии аммиака. К ним относятся, например, цеолиты, оксиды ванадия, вольфрама, титана, железа, меди марганца и хрома, благородные металлы, такие как металлы платиновой группы, платина, палладий, родий и иридий и их смеси. Также можно применять другие материалы СКВ-катализаторов, используемые в промышленности и известные специалистам, такие как активированный уголь, древесный уголь или кокс. Предпочтительными катализаторам являются переходные металлы/цеолиты, напр., Cu/ZSM-5 или Fe/Beta; катализаторы на основе оксида ванадия, такие как V₂O₅/WO₃/TiO₂ или не являющиеся цеолитами катализаторы на переходных металлах, такие как Fe/WO_x/ZrO₂.

Эти СКВ-катализаторы типично крепятся на металлической, керамической, цеолитовой опоре, или экструдируются как гомогенный монолит. Можно использовать и другие известные опоры. Предпочтительно, катализаторы нанесены на монолитную прямоточную подложку, фильтрующую подложку или в экструдированной форме. Наиболее предпочтительно, катализаторы нанесены на монолитную прямоточную подложку или имеют экструдированную форму. Предпочтительно, такие катализаторы такие катализаторы присутствуют на или в сотовой прямоточной опоре. Для СКВ систем небольшого объема предпочтительными являются СКВ-катализаторы с относительно высокой плотностью пор, напр., 45-400 пор на кв. дюйм (1 кв. дюйм=645,16 кв. мм), более предпочтительно, 70-300 пор на кв. дюйм и еще более предпочтительно 100-300 пор на кв. дюйм.

Настоящее изобретение можно определить согласно одному из следующих утверждений:

1. Система селективного каталитического восстановления (СКВ), содержащая СКВ-реактор, впускную проточную систему и испарительный модуль, в которой:

а. СКВ-реактор содержит по меньшей мере один СКВ-катализатор и сообщается с впускной проточной системой и испарительным модулем,

b. впускная проточная система содержит один или более впуск для выхлопных газов от двигателя, в которой впуск выполнен с возможностью распределять поток газов через по меньшей мере один проточный канал, проходящий вокруг СКВ-реактора, в которой поток выхлопных газов по проточному каналу вокруг СКВ подает теплоту на испарительный модуль, в котором мочевина или предшественник аммиака вводится в испарительный модуль для преобразования в аммиак перед вводом в СКВ-реактор, и поток газов в каждом из проточных каналов, вводится в СКВ-реактор после введения потока загруженного аммиаком газа и после прохождения через множество пластинчатых дефлекторов для создания приблизительно равномерной скорости газа и равномерного профиля концентрации в поперечном сечении СКВ-реактора, и

с. испарительный модуль содержит средство для введения мочевины или предшественника аммиака в нагретый предварительный реактор, в котором она по меньшей мере частично разлагается и, затем, подается в поток выхлопных газов перед введением этого потока выхлопных газов в СКВ-реактор.

2. Система по п. 1, в которой нагретый предшественник нагрет потоком очищенного выхлопного газа.

3. Система по п. 1, далее содержащая сплошную пластину, установленную диагонально в соединительном проходе между по меньшей мере одним проточным каналом и секцией СКВ-реактора.

4. Система по п. 1, в которой система выполнена с возможностью создавать почти равномерную концентрацию аммиака по поперечному сечению катализатора.

5. Система по п. 1, в которой впускной поток газа разделен по двум или более проточным каналам.

6. Система по п. 5, в которой расход газа в каждом из проточных каналов приблизительно одинаков.

7. Система по п. 1, в которой флуктуации давления и/или температуры, определяемые рабочими условиями камеры сгорания, минимизируются между двумя впускными каналами.

8. Система по п. 1, имеющая отношение длины к высоте прибл. 2.

9. Система по п. 1, в которой по меньшей мере один их проточных каналов расположен на первой стороне СКВ-реактора, и по меньшей мере один из других проточных каналов расположен на противоположной стороне СКВ-реактора.

10. Система по п. 1, в пластины которой пластинчатые дефлекторы расположены и ориентированы так, чтобы создавать равномерное распределение момента выхлопного газа перед катализатором и увеличивать время движения выхлопного газа перед добавкой аммиака.

11. Система по п. 1, далее содержащая средство для управления введением мочевины или предшественника аммиака.

12. Система по п. 11, в которой средство для управления введением мочевины или предшественника аммиака содержит датчик NO_x.

13. Система по п. 1, в которой ширина реактора больше или равна высоте реактора.

14. Система по п. 1, в которой проточные каналы выполнены прямоугольными, квадратными круглыми или полукруглыми.

15. Система по п. 1, в которой прямоугольные проточные каналы имеют прямоугольное сечение и длина проточных каналов приблизительно рвана длине СКВ-реактора.

16. Система по п. 15, в которой ширина и высота каждого прямоугольного проточного канала составляет приблизительно 1/8 или менее и 1/2, соответственно, от длины каждого прямоугольного проточного канала.

17. Система по п. 15, в которой ширина и высота каждого проточного канала составляет приблизительно 1/6 или менее и 1/6, соответственно, от длины каждого проточного канала, если применяются горизонтальные пластинчатые дефлекторы.

18. Система по п. 1, в которой по меньшей мере один СКВ-катализатор имеет форму монолита, имеющего квадратную, прямоугольную или круглую форму в направлении газового потока через монолит.

19. Система по п. 1, в которой СКВ-реактор содержит по меньшей мере один СКВ-катализатор в форме монолита.

20. Система по п. 1, в которой испарительный модуль содержит средство для отбора части чистого выхлопного газа, выходящего из СКВ-реактора, средство для сбора части чистого выхлопного газа под давлением, средство для подачи сжатого чистого выхлопного газа в испарительную трубку и средство для впрыска мочевины или предшественника аммиака в чистый выхлопной газ в испарительной трубке.

21. Система по п. 20, в которой средство для отбора части чистого газа, выходящего из СКВ-реактора и для сбора части чистого выхлопного газа под давлением является компрессором горячего воздуха или средство, использующее механическую энергию двигателя.

22. Система по п. 20, в которой массовый расход и температура чистого газа и время нахождения мочевины или предшественника аммиака в потоке горячего газа достаточны для полного испарения воды и термического разложения мочевины или предшественника аммиака.

23. Система по п. 20, в которой скорость газа в испарительной трубке равна прибл. 10 метров в секунду.

24. Система по п. 20, в которой массовый расход отобранного чистого газа равен менее 10% от общего массового расхода выхлопного газа.

25. Система по п. 20, в которой испарительная трубка имеет длину, приблизительно равную длине реактора.

26. Система по п. 20, в которой испарительная трубка расположена по меньшей мере в одном из проточных каналов.

27. Система по п. 20, далее содержащая средство для разделения массового расхода чистого газа примерно пополам и средство для подачи чистого газа в испарительную трубку со смещением для создания завихрения в испарительной трубке.

28. Система по п. 20, в которой впрыскивают водный раствор мочевины.

29. Система по п. 20, в которой в оба проточных канала/проходы реактора затем подают аммиак.

30. Система по п. 20, в которой распределение потока загруженного аммиаком чистого газа в выхлопном потоке осуществляют равномерно с помощью устройства, расположенного в середине каждого прохода между проточным каналом и реактором, где устройство/трубки содержит отверстие так, чтобы приблизительно одинаковый поток возникал в поперечном сечении прямоугольного проточного прохода каждого из каналов.

31. Способ снижения количества оксидов азота, образующихся в выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий этап, на котором пропускают выхлопной газ от двигателя через СКВ-систему по п. 1.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение системы СКВ, в которой выхлопной газ от двигателя внутреннего сгорания разделяется на два потока во впускной проточной системе. В другом варианте выхлопной газ от двигателя внутреннего сгорания может удерживаться в едином потоке во впускной проточной системе. В других вариантах выхлопной газ от двигателя внутреннего сгорания разделяется на три или более потока во впускной проточной системе. Количество потоков во впускной системе зависит от нескольких факторов, включая пространство, доступное для установки системы СКВ и температуру и массовый расход выхлопного газа. В одном варианте компактная система СКВ получает выхлопной газ от двигателя внутреннего сгорания мощностью от прибл. 500 кВт до прибл. 1000 кВт (1 МВт) или от прибл. 1000 кВт (1 МВт) до прибл. 2000 кВт (2 МВт), или от прибл. 2000 кВт (2 МВт) до прибл. 4500 кВт (4,5 МВт). Выхлопной газ двигателя внутреннего сгорания течет в систему СКВ через впуск 1, который может быть единственным впускным фланцем для двигателя с одним рядом цилиндров или двумя или более впусками для двигателя с множеством (напр., двумя) рядов цилиндров (V-образный двигатель с турбонагнетателем на каждом ряду V-образного блока цилиндров). Типично и для предпочтительного характера потока применяются круглые впускы в систему, такие как трубы/фланцы, но также можно применять и другие формы, такие как квадратные, прямоугольные, треугольные или овальные. После впуска в систему через впуск 1 поток газа разделяется по одному или более, предпочтительно, по двум проточным каналам, проходящих вокруг секции 3 реактора, как показано в иллюстративном варианте по фиг. 1 позициями 11 и 12. Проточные каналы могут иметь прямоугольное, квадратное, круглое или полукруглое сечение. В одном варианте система содержит два проточных канала прямоугольного сечения, где высота каждого проточного канала равна приблизительно половине длины этого проточного канала (см. фиг. 2). Используя увеличенную площадь сечения за счет применения более чем одного проточного канала с постоянным поперечным сечением можно повысить топливную эффективность, поскольку снижаются нагрузки, вызванные давлением (потеря напора).Когда применяются два или более впуска, флуктуации температуры давления и пр. между группами цилиндров, уравниваются. В одном варианте проточные каналы имеют прямоугольное сечение и длина проточных каналов приблизительно равна длине СКВ-реактора. Ширина и высота каждого проточного канала может составлять прибл. 1/8 или менее и 1/2, соответственно, длины каждого прямоугольного проточного канала.

В одном варианте имеется множество проточных каналов и потоки газа в каждом из каналов приблизительно одинаковы. Термин "приблизительно одинаковы" означает, что, например, в системе с двумя проточными каналами массовый расход в каналах находится в отношении от 50:50 до 65:35, предпочтительно от прибл. 50:50 до прибл. 60:40 и, более предпочтительно, от прибл. 50:50 до прибл. 55:45. Соотношение массового расхода во множестве проточных каналов следует регулировать для получения равномерной концентрации аммиака или другого восстановителя по сечению катализатора в СКВ-реакторе. В варианте, имеющем множество потоков выхлопного газа, система устраняет различия между потоками по давлению и температуре на впуске 31 в секцию 3 СКВ-реактора. На чертежах показаны варианты, где проточные каналы могут проходить над реактором и под ним. В других вариантах проточные каналы могут быть расположены вокруг одной или более стороны или над и/или под СКВ-реактором.

В одном варианте каждый из проточных каналов 11 и 12 оснащено дефлекторами 21 (см. фиг. 2) для увеличения локальной скорости течения газа в потоках. Это приводит к тому, что поток становится более турбулентным и улучшается смешивание выхлопного газа с испаренной мочевиной или другим восстановителем. В некоторых вариантах дефлекторы могут увеличивать время движения выхлопного газа перед введением аммиака. Размер и положение дефлекторов зависит от нескольких факторов, таких как объем выхлопного газа, создаваемого двигателем, его температура и пр. Трубка испарителя может быть установлена по меньшей мере в одном из проточных каналов. На конце каждого проточного канала 11, 12, может быть установлена перфорированная пластина 22 для уравнивания потоков газов. Размер и положение этой пластины, размер, положение и количество перфораций могут меняться в зависимости от нескольких факторов, таких как объем выхлопного газа, создаваемого двигателем, допустимое противодавление, температура и пр. Распределять загруженный аммиаком чистый газ в потоке выхлопного газа можно равномерно, применяя устройство, расположенное в середине каждого прохода между проточным каналом и реактором, где такие устройства/трубки содержат отверстия, чтобы в каждом проходе по сечению прямоугольного прохода возникал приблизительно одинаковый поток. В другом варианте, особенно когда для двигателя допускается более высокое противодавление, время нахождения потока выхлопных газов в проточном канале можно еще более увеличить, направляя его назад, вперед, и вновь назад, как показано на фиг. 3. По существу, увеличение времени движения необходимо для управления количеством восстановителя, дозируемого с помощью датчика NO_x, электронного блока управления и испарительного модуля, которые будут описаны ниже. Кроме того, более высокая скорость газа в этом варианте улучшает смешивание необработанного выхлопного газа и аммиака благодаря высокой турбулентности. Если применяются горизонтальные дефлекторы и проточные каналы имеют прямоугольную форму ширина и высота каждого проточного канала может быть приблизительно равна 1/6 или менее и 1/6 соответственно от длины каждого прямоугольного канала.

Направление потока в каждом проточном канале 11, 12 поворачивает на 90° и направляется к наклонной пластине 23, установленной диагонально в соединительном проходе 31 между двумя проточными каналами 11, 12 для равномерного распределения момента перед катализатором. На фиг. 4, представляющей сечение задней части компактной системы СКВ, показана схема одного варианта такой наклонной пластины 23. На фиг. 4 показано сечение соединительного прохода 31, показанного на фиг. 1. В соединительном проходе 31 (см. фиг. 1 и 4) выхлопной газ смешивается горячим газом, содержащим восстановитель, как описано ниже. Положение и ориентация наклонной пластины создает по существу равномерный поток газов по поперечному сечению СКВ-реактора 3. Равномерный поток выхлопных газов через катализатор в СКВ-реакторе позволяет сбалансировать использование катализатора и дает максимальное предобразование NO_x. СКВ-реактор моет иметь ширину, которая больше или равна высоте реактора.

Блоки катализатора СКВ расположены в центре секции 3 СКВ-реактора. Эти блоки катализатора на фиг. 1 и 2 не показаны. Блоки СКВ-катализатора могут иметь любую из множества форм поперечного сечения, перпендикулярного направлению потока газа, включая квадратную, прямоугольную, шестигранную и круглую, при этом прямоугольная и квадратная формы являются предпочтительными для более полного использования площади сечения. В одном варианте блоки СКВ-катализатора являются квадратными и имеют сечение прибл. 150×150 мм ².

Выхлопной газ затем проходит из соединительного прохода 31 через блоки СКВ-катализатора (не показаны) в реакторе 3, где NO_x вступает в реакцию с восстановителем на поверхности катализатора в реакции селективного каталитического восстановления так, чтобы снизить количество NO_x в выхлопных газах. Для того, чтобы реакция СКВ была эффективной для снижения уровней NO_x температура выхлопных газов, включая газифицированную мочевину, должна быть по меньшей мере 100°С, типично от прибл. 180°С до прибл. 600°С, и, предпочтительно выше по меньшей мере прибл. 250°С. Состав, форма и, особенно, объем катализатора, применяемого в СКВ-реакторе, можно выбрать на основе температуры и массового расхода газов в СКВ-реакторе, а также содержания NO_x и других составляющих выхлопного газа, таких как углеводороды, сера и пр., для обеспечения селективного восстановления при каталитическом восстановлении оксидов азота в азот.

Выхлопной газ, который прошел через СКВ-катализатор, определяется как очищенный или считается чистым выхлопным газом. Чистый выхлопной газ затем выходит из компактной системы СКВ через выпускной фланец 4 (см. фиг. 1 и 2). Часть чистого выхлопного газа отбирается из большей части потока очищенного выхлопного газа, как показано на фиг. 1. Количество чистого выхлопного газа, отобранного из большей части потока очищенного выхлопного газа, зависит от различных факторов, включая температуру, расход и содержание NO_x в выхлопном газе. Эта отбираемая часть чистого выхлопного газа может составлять от прибл. 1% до прибл. 30%, предпочтительно, от 5% до 15%, более предпочтительно, от прибл. 7% до прибл. 10% на основе общего количества необработанного выхлопного газа, входящего через впускной фланец 1. В одном варианте часть чистого выхлопного газа отбирается в трубку, расположенную после выпускного фланца. В другом варианте часть чистого выхлопного газа отбирается в трубку, расположенную перед выпускным фланцем 4. На фиг. 5 показан предпочтительный вариант модуля испарения мочевины. Отобранная часть очищенного выхлопного газа направляется в инжекционную головку 53 в модуле испарения мочевины через соединение, предпочтительно, трубку 51. В одном варианте для подачи очищенного выхлопного газа в инжекционную головку 53 в испарительном модуле применяется компрессор 52 горячего воздуха. Дополнительная подача холодного атмосферного воздуха может снизить потребность в энергии компрессора горячего воздуха благодаря увеличению плотности газа. В другом варианте для сжатия и подачи очищенного горячего газа в инжекционную головку 53 может применяться механическая энергия, отбираемая, например, из потока выхлопного газа перед или после компактной системы СКВ с помощью турбонагнетателя или комбинации компрессора горячего воздуха и турбонагнетателя. В другом варианте можно использовать средство отбора механической энергии, такое как вал двигателя внутреннего сгорания.

Поток очищенного выхлопного газа на инжекционную головку 53 делится на множество подпотоков. На фиг. 5 показан поток выхлопного газа, разделенный на два подпотока (511, 512). Каждый из этих подпотоков подается на инжекционную головку 53 в трубке 5 испарения мочевины испарительного модуля. В предпочтительном варианте подпотоки проходят вокруг инжекционной головки 53 и тангенциально смещены для создания завихрения горячего газа в трубке 5 испарения мочевины. Распределительная трубка 5, показанная на фиг. 2 и 5, имеет длину, приблизительно равную длине компактной системы СКВ-реактора. В других вариантах длина распределительной трубки составляет часть, предпочтительно больше единицы, приблизительной длины СКВ-реактора. На фиг. 6 приведено схематическое изображение варианта испарительного модуля в котором трубка испарения мочевины имеет длину, равную приблизительно двукратной длине системы СКВ.

Поток горячего чистого газа в испарительной трубке 5 имеет скорость от 2 до 20 м/с, чтобы время нахождения достигало прибл. 100 мс. Специалистам понятно, что и время нахождения, и температура газа в испарительной трубке 5 являются важными факторами для обеспечения испарения раствора и преобразования мочевины в аммиак. На основе этих факторов время нахождения пара можно регулировать для обеспечения необходимого преобразования мочевины в аммиак, специфичного для рабочих условий камеры сгорания и требований к преобразованию. Массовый расход отобранного чистого газа может быть меньше 10% от полного массового расхода. Водный раствор мочевины прокачивается в сопло 56 в инжекционной головке 53 и выходит из сопла 56 в трубку 5 испарения мочевины в форме капель. Концентрация водного раствора мочевины поддерживается на уровне, подходящем для хранения и транспортировки без осаждения и других проблем. Концентрация мочевины в водном растворе может составлять от 5% до 55%, предпочтительно от прибл. 15% до прибл. 45%, более предпочтительно, от прибл. 30% до прибл. 40%. Внутри трубки 5 испарения мочевины вода и мочевина испаряются и мочевина разлагается, образуя аммиак. Время нахождения воды/мочевины/аммиака в испарительной трубке задается прибл. на 50-200 мс, предпочтительно, прибл. 100 мс. Газ, загруженный аммиаком, подается в трубки 54 и 55 распределения аммиака (фиг. 2). Температура в распределительных трубках должна поддерживаться на уровне по меньшей мере 150°С, предпочтительно по меньшей мере 200°С. Предпочтительная температура составляет от прибл. 300°С до прибл. 450°С. Применение чистого газа дает средство управления и/или регулирования скорости газа с аммиаком или другим восстановителем и трубке 5 испарения мочевины и в трубках 54, 55 распределения аммиака, минимизирует побочные реакции продуктов разложения мочевины с составляющими необработанного выхлопного газа, такими как углеводороды, сера и пр., и, следовательно, позволяет управлять временем испарения/разложения водного раствора мочевины и, следовательно, дает возможность добиться максимально возможного снижения NOx при снижении до минимума части аммиака, не участвующей в реакции.

Трубки распределения аммиака содержат средство для соединения загруженного аммиаком газа с потоком выхлопного газа, поступающего из проточных каналов 11, 12 для образования потока выхлопного газа, содержащего аммиак. В одном варианте средство для соединения загруженного аммиаком газа с потоком выхлопного газа содержит множество отверстий, разнесенных по меньшей мере по части трубок 54, 55 распределения аммиака в области, где поток газа из проточных каналов 11, 12 может соединяться с загруженным аммиаком газом. В предпочтительном варианте каждая из трубок 54, 55 распределения аммиака содержит множество отверстий, ориентированных так, чтобы отверстия в трубки 54 были направлены к рубке 55, а отверстия в трубке 55 были направлены к трубке 54. Количество, размер, положение и ориентация отверстий могут меняться в зависимости от расхода выхлопного газа и конфигурации компактной системы СКВ. Отверстия сконструированы так, чтобы на каждой стороне потока возникал приблизительно одинаковый массовый расход, что является функцией потери давления в испарительной трубке 5. Применение небольшого избыточного давления, создаваемого компрессором горячего воздуха или турбонагнетателем и пр., позволяет управлять потоком горячих газов, содержащих реагент. В варианте, где имеется только один проточный канал, достаточно одной трубки распределения аммиака. Поток выхлопного газа с хорошо распределенным в нем аммиаком затем направляется в секцию 3 СКВ-реактора, где он проходит через СКВ-катализатор и преобразуется в чистый выхлопной газ. В предпочтительном варианте в компактной системе СКВ не используется решетка для впрыска аммиака, которая часто применяется или необходима в традиционных процессах СКВ. В одном варианте перед или после точки впрыска мочевины установлен нагнетатель атмосферного воздуха для создания достаточного давления для введения бокового потока в основной поток.

В одном варианте компактная система СКВ далее содержит средство для доступа в СКВ-реактор для замены катализатора. В предпочтительном варианте это средство является дверцей, расположенной сверху или сбоку на реакторе.

В одном варианте компактная система СКВ далее содержит один или более датчик NO_x и/или датчик аммиака (NH₃) Датчики NO_x и NH₃ соединены с узлом, который управляет количеством мочевины и чистого газа, которые подаются в испарительный модуль и, затем, в выхлопной газ. В одном варианте датчик NH_х расположен во впуске выхлопного газа в проточный канал. В другом варианте для управления с обратной связью можно использовать датчик NH_х или NH₃, расположенный после СКВ-катализатора. В другом варианте нижний по потоку датчик NH_х расположен в потоке чистого газа, который подается от компрессора горячего воздуха в испарительную трубку. В еще одном варианте система далее содержит датчик NH_х на впуске перед проточным каналом. В еще одном варианте система задает время движения необработанного выхлопного газа в системе перед введением смеси чистого газа с аммиаком так, чтобы можно было обеспечить своевременный впрыск, например при изменении нагрузки, то есть, чтобы электронный блок управления имел достаточно времени для расчета и подачи необходимого количества мочевины т.е., (время датчика NH_х+время электронной обработки+время нахождения мочевины в трубке 5)=(время, необходимое выхлопному газу на прохождение от датчика NO_x для трубки распределения аммиака).

В предпочтительном варианте компактная система СКВ содержит один или два впускных фланца для пропускания выхлопных газов от одного или двух рядов цилиндров (напр., от V-образного блока цилиндров) двигателя внутреннего сгорания мощностью от 500 до 4500 кВт. В предпочтительном варианте фланцы являются круглыми.

В предпочтительных вариантах система имеет два проточных канала, расположенных с каждой стороны реактора (как показано на фиг. 1), испарительную трубку длиной приблизительно равной длине реактора, две трубки распределения аммиака с гидравлически оптимизированными отверстиями для получения одинаковых потоков в обеих трубках, и наклонную пластину (как показано на фиг. 4), где поток выхлопного газа течет вдоль пластины (в отличие от пластины, наклоненной в другую сторону, т.е., из верхнего левого угла к нижнему правому углу, где проточный канал выходит в секцию 3 реактора). Катализатор, применяемый в этих вариантах может иметь разную плотность пор, в зависимости от разных факторов, включая тип применяемого топлива и количество примесей в топливе).

В одном варианте система СКВ далее содержит катализатор окисления, расположенный перед впуском мочевины в каждом проточном канале для восстановления снижения количества углеводородов, которые могут снижать активность СКВ. Катализатор окисления также окисляет СО, ароматические соединения и пр.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ снижения количества оксидов азота, образующихся в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания, при котором пропускают выхлопной газ через систему СКВ, содержащую СКВ-реактор, впускную проточную систему и испарительный модуль, где:

a. СКВ-реактор содержит по меньшей мере один СКВ-катализатор и сообщается с впускной проточной системой и испарительным модулем,

b. впускная проточная система содержит один или более впуск для выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания, в котором впуск выполнен с возможностью распределять поток газов по меньшей мере одному проточному каналу, расположенному вокруг СКВ-реактора, в котором поток выхлопных газов по проточным каналам вокруг СКВ[-реактора] подает теплоту на испарительный модуль, в котором мочевина или предшественник аммиака вводится в испарительный модуль для преобразования в аммиак перед подачей в СКВ-реактор, и поток газов в каждом из проточных каналов подается в СКВ-реактор после введения потока загруженного аммиаком газа и после прохождения через множество дефлекторов для создания приблизительно равномерной скорости газа и профиля концентрации по сечению СКВ-реактора, и

с. испарительный модуль содержит средство для вверения мочевины или предшественника аммиака в нагретую часть модуля, в которой она по меньшей мере частично разлагается и, затем, подается в поток выхлопного газа перед введения потока выхлопного газа в СКВ-реактор.

Вышеприведенное описание направлено на помощь специалисту в реализации изобретения. Оно не описывает детали всех возможных модификаций и изменений, которые очевидны специалисту из изучения настоящего описания. Однако все такие модификации и изменения входят в объем изобретения, описанного выше, который определяется приложенной формулой.

1. Система селективного каталитического восстановления (СКВ), содержащая СКВ-реактор, впускную проточную систему и испарительный модуль, в которой:

а) СКВ-реактор содержит по меньшей мере один СКВ-катализатор и находится в сообщении с впускной проточной системой и испарительным модулем,

b) впускная проточная система содержит один или более впуск для выхлопных газов от двигателя, причем впуск выполнен с возможностью распределения потока газов через по меньшей мере один проточный канал, проходящий вокруг СКВ-реактора, причем поток выхлопных газов по проточному каналу вокруг СКВ подает теплоту на испарительный модуль, в котором мочевина или предшественник аммиака введены в испарительный модуль для преобразования в аммиак перед вводом в СКВ-реактор, и поток газов в каждом из проточных каналов введен в СКВ-реактор после введения потока загруженного аммиаком газа и после прохождения через множество пластинчатых дефлекторов для создания приблизительно равномерной скорости газа и равномерного профиля концентрации в поперечном сечении СКВ-реактора, и

с) испарительный модуль содержит средство для введения мочевины или предшественника аммиака в нагретый предварительный реактор, в котором она по меньшей мере частично разлагается и затем подается в поток выхлопных газов перед введением этого потока выхлопных газов в СКВ-реактор.

2. Система по п. 1, в которой нагретый предварительный реактор содержит часть испарительного модуля.

3. Система по п. 1 или 2, в которой нагретый предварительный реактор нагревается потоком очищенного выхлопного газа.

4. Система по пп. 1, 2 или 3, дополнительно содержащая сплошную пластину, установленную диагонально в соединительном проходе между по меньшей мере одним проточным каналом и секцией СКВ-реактора.

5. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой система выполнена с возможностью обеспечения приблизительно равномерной концентрации аммиака по сечению катализатора.

6. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой впускной поток газа разделяется по двум или более проточным каналам.

7. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере один из проточных каналов расположен на первой стороне СКВ-реактора и по меньшей мере один из других проточных каналов расположен на противоположной стороне СКВ-реактора.

8. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой пластинчатые дефлекторы расположены и ориентированы для равномерного распределения импульса потока выхлопного газа выше по потоку от катализатора и для увеличения времени прохождения выхлопного газа перед добавлением аммиака.

9. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой проточные каналы имеют прямоугольное поперечное сечение и длина проточных каналов приблизительно равна длине СКВ-реактора, и ширина и высота каждого проточного канала составляет приблизительно 1/8 или менее и 1/2 длины каждого проточного канала, соответственно.

10. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере один СКВ-катализатор имеет форму монолита, имеющего квадратное, прямоугольное или круглое сечение в совокупном направлении газового потока через монолит.

11. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой испарительный модуль содержит средство для отбора части чистого выхлопного газа, выходящего из СКВ-реактора, средство для сбора части чистого выхлопного газа под давлением, средство для подачи сжатого чистого выхлопного газа в испарительную трубку и средство для впрыска мочевины или предшественника аммиака в чистый выхлопной газ в испарительной трубке.

12. Система по п. 11, в которой средство для отбора части чистого газа, выходящего из СКВ-реактора, и сбора части чистого выхлопного газа под давлением является компрессором горячего воздуха или средством, использующим механическую энергию двигателя.

13. Система по п. 11 или 12, в которой массовый расход и температура чистого газа и время нахождения мочевины или предшественника аммиака в потоке горячего газа достаточны для полного испарения воды и термического разложения мочевины или предшественника аммиака.

14. Система по пп. 11, 12 или 13, в которой массовый расход отобранного чистого газа меньше, чем приблизительно 10% от полного массового расхода выхлопного газа.

15. Система по пп. 11, 12, 13 или 14, в которой испарительная трубка расположена по меньшей мере в одном из проточных каналов.

16. Система по любому из пп. 11-15, в которой загруженный аммиаком чистый газ равномерно распределяется в потоке выхлопного газа с помощью устройства, расположенного в середине каждого прохода между проточным каналом и реактором, где устройства/трубки содержат отверстия так, чтобы в прямоугольном проточном проходе каждого прохода возникал приблизительно одинаковый расход.

17. Способ снижения количества оксидов азота, образующихся в выхлопном газе двигателя, при котором выхлопной газ из двигателя пропускают через систему СКВ по любому из предшествующих пунктов.