專利名稱：在控制NOx中儲(chǔ)存和注入氨的制作方法
背景技術(shù)：
在我們?cè)缙诘膶＠?224346和5992141中，我們描述的試驗(yàn)顯示通過注入與氮氧化物反應(yīng)生成氮?dú)夂退陌?NH3)，可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的氮氧化物(NO和NO2)或NOX的量。一個(gè)實(shí)際問題是如何儲(chǔ)存要注入廢氣流中的氨。氨可以在約150psi的壓力下作為液體儲(chǔ)存，因?yàn)楫?dāng)氨在減壓下離開容器時(shí)變?yōu)闅怏w。在較高壓力下儲(chǔ)存氨通常是不可取的，因?yàn)榇嬖诒ǖ奈ｋU(xiǎn)，還可能快速泄漏氨。儲(chǔ)存氨的另一種方法是作為尿素(H2NCONH2)水溶液的形式儲(chǔ)存，然后將其注入廢氣流。但與氨相比，尿素與氮氧化物反應(yīng)變成氮?dú)夂退枰L(zhǎng)的時(shí)間。因?yàn)楫?dāng)廢氣經(jīng)廢氣管進(jìn)入大氣時(shí)，廢氣流的溫度下降得非常快，所以希望反應(yīng)能夠非常快地進(jìn)行，使它們能夠在廢氣總管內(nèi)及其附近的高溫下進(jìn)行，從而使大部分注入的材料(氨或尿素)能夠與氮氧化物反應(yīng)。一種很有價(jià)值的系統(tǒng)是不需高壓就能夠儲(chǔ)存氨(NH3)，從而能夠直接將氨注入熱廢氣中并與氮氧化物快速反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，本發(fā)明提供一種儲(chǔ)存氨并將其注入發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠安全儲(chǔ)存氨，并且能夠?qū)⑵渥⑷霃U氣中與氮氧化物快速反應(yīng)。氨作為氨和水的液體混合物儲(chǔ)存。優(yōu)選將氨作為每100g水中有30-70g氨的混合物儲(chǔ)存。通過一個(gè)導(dǎo)管將該液體混合物從容器中抽出。在一個(gè)系統(tǒng)中，用廢氣加熱該導(dǎo)管，將氨與水分離。在另一個(gè)系統(tǒng)中，將氨和水的混合物直接注入廢氣。
本發(fā)明的新特征具體體現(xiàn)在附加的權(quán)利要求書中。當(dāng)參考附圖閱讀下面的說明書時(shí)，可以對(duì)本發(fā)明有最好的理解。


圖1是簡(jiǎn)化的裝有本發(fā)明的減少污染裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖。
圖2的圖線作為溫度函數(shù)示出氨在水中的飽和質(zhì)量變化。
圖3與圖2類似，但該圖線作為溫度函數(shù)示出氨在氨和水的混合物中的飽和百分?jǐn)?shù)(質(zhì)量)的變化。
圖4是圖1系統(tǒng)的局部放大圖，該圖示出將氨和水的液體混合物分離成氣態(tài)氨和水蒸汽。
圖5是圖2所示裝置的局部剖視圖。
圖6是簡(jiǎn)化的本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出本發(fā)明的系統(tǒng)10，其中發(fā)動(dòng)機(jī)12具有汽缸，燃料和空氣在其中燃燒后驅(qū)動(dòng)機(jī)軸14。燃燒產(chǎn)生的熱廢氣經(jīng)廢氣管16進(jìn)入大氣。廢氣管包括與多個(gè)汽缸連接的用于收集排出的廢氣的總管20。沿廢氣管設(shè)置的催化轉(zhuǎn)化器22廣泛用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)中以減少污染。
圖1示出氨注入系統(tǒng)30，其包括氨源32。注入器裝置33包括計(jì)量閥34和管36，管36在40處具有管段62和噴嘴。來自氨源32的氨經(jīng)由計(jì)量閥34由管36進(jìn)入氨注入位置40，氨在此處被注入廢氣管16與熱廢氣混合。位置40位于廢氣總管20內(nèi)或其附近，使氨能夠遇到非常熱的廢氣(在高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下通常高于1100°F)，以促進(jìn)氨和廢氣的反應(yīng)，從而將氮氧化物還原。
根據(jù)本發(fā)明，氨源32是盛放氨和水的混合物70的容器50。圖2包括圖線52，示出在不同溫度下氨在含100g水的溶液中飽和的氨的質(zhì)量。圖3包含類似的圖線54，示出氨在氨和水的溶液中的飽和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)?？梢钥闯霭卑俜?jǐn)?shù)(質(zhì)量)從32°F的47％開始，經(jīng)72°F的33％，直到降至212°F的0％。實(shí)際上，使用者可以根據(jù)氣溫變化氨的百分?jǐn)?shù)，但優(yōu)選設(shè)置為約25％的氨，除非混合物的溫度升到高于約105°F，否則氨不會(huì)從混合物中逸出。另外，該容器遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)，并用空氣將其冷卻，以避免將容器加熱。如果容器被加熱使得氣態(tài)氨在高壓下集聚且壓力超過某一極限值(如2psi)時(shí)，則安全閥60(圖1)將氣態(tài)氨慢慢地排放到大氣中。氨的排放速度非常慢，因此沒有危險(xiǎn)。抽出液體時(shí)，為了避免液體上方出現(xiàn)真空，止回閥61(圖1)可以讓空氣進(jìn)入。
輸送氨和水的混合物的管36具有纏繞在廢氣管16周圍的管段62，用于將流經(jīng)管36的氨和水的混合物快速加熱，并將部分氨輸送到注入位置40。
圖4示出在將氨注入廢氣管之前氨和水在分離段68是如何分離的。開始時(shí)，在如75°F的溫度下混合物70流經(jīng)管36，到達(dá)管段62，管段62和廢氣管是換熱的關(guān)系，從而管段62內(nèi)的物質(zhì)被快速加熱。氨的起始百分?jǐn)?shù)約為25％，在混合物到達(dá)溫度約為105°F的位置72之前，氨不會(huì)作為氣體釋放出來。隨著混合物溫度慢慢升高，逐漸有更多的氨釋放出來。在位置74處，混合物的溫度約為200°F，并且只有百分之幾的氨還保留在混合物中。在圖4中，用80表示的其余氨沿管端部82繼續(xù)前行，沿路徑83輸送氨到達(dá)84所示的注入器。注入器可以是我們的早期專利5992141中所述類型，在氨注入溫度很高的廢氣之前，該注入器能夠?qū)鈶B(tài)氨快速加熱，從而將氨活化(將一些氨分解成其組分)后注入廢氣流。
圖4中所示沿路徑91移動(dòng)的液體90只含有百分比非常低的氨，對(duì)該液體進(jìn)行處理。一種處理方法如圖1所示，氨的百分比非常低的液體沿管92移動(dòng)，在94處注入廢氣管。在位置94處，廢氣的溫度已經(jīng)降至約250°F，在這種情況下，少量的注入水蒸發(fā)后成為廢氣流的一部分，然后排入大氣。應(yīng)當(dāng)注意的是，在需要升壓的注入系統(tǒng)30中，可以設(shè)置小型泵。在圖1中，計(jì)量閥34受電路100控制，電路100還控制將燃料從燃料管線104注入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的燃料注入器102。正如在我們的早期專利5992141中所討論的那樣，這樣可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷改變氨的量，從而更有效地中和氮氧化物。
圖6示出系統(tǒng)110，其包括盛放有氨(NH3)和水(H2O)的混合物70的容器112?？梢韵蚧旌衔?0中加入其它成分，但申請(qǐng)人優(yōu)選的混合物是大部分是水和氨。需要氨還原氮氧化物，水用于保持氨，水是由于其良好的特性而易于處理的液體。在系統(tǒng)110中，申請(qǐng)人將可能有約25wt％氨和水的混合物70直接通向設(shè)置在在廢氣總管附近或其內(nèi)部的上游的廢氣管16中的噴嘴84。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是水和氨一起注入熱的廢氣中，這將更為快速地冷卻廢氣。但因?yàn)榘焙退牧糠浅Ｐ?，所以水的冷卻作用非常小。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)還有氨在注入廢氣流之前沒有被加熱太多，因此在注入之前只有很低百分?jǐn)?shù)的氨(如果有的話)被活化分解成其組分(NH2和NH)。但即使其還原氮氧化物的效果沒有那么大，這種簡(jiǎn)化的系統(tǒng)110也是有用的。
因此，本發(fā)明提供了一種通過將氨注入廢氣而減少發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的氮氧化物的系統(tǒng)，該系統(tǒng)有利于氨的儲(chǔ)存。氨作為氨和水的混合物(可以存在其它液體)儲(chǔ)存，為了避免產(chǎn)生加壓的氨氣，氨的百分?jǐn)?shù)優(yōu)選是約15％-50％。在一個(gè)系統(tǒng)中，將混合物加熱，使大部分氨轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并使其與仍為液體的水分離，將氣態(tài)氨進(jìn)一步加熱，從而將其至少一部分活化，然后在廢氣總管附近或在廢氣總管中將其注入熱的廢氣中。在一個(gè)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)中，氨和水的混合物15流向廢氣管，氨和水都被注入廢氣管中。
盡管已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的特定實(shí)施方案進(jìn)行了描述和說明，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，很容易進(jìn)行一些變化和改動(dòng)，因此，應(yīng)當(dāng)理解權(quán)利要求書應(yīng)覆蓋這些改動(dòng)和等同物。
權(quán)利要求
1.發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(10)，包括用于在空氣中燃燒烴以產(chǎn)生功的裝置(12)，其中所述裝置還產(chǎn)生含氮氧化物的廢氣流，所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有廢氣管(16)，所述廢氣在排入大氣之前經(jīng)過廢氣管(16)，改進(jìn)之處包括氨源(32)；與所述源偶聯(lián)的注入器裝置(33)，用于從此接收氨并將氨注入所述廢氣管；所述氨源包括盛放氨(80)和水(90)的混合物的容器(50)。
2.權(quán)利要求1的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述氨和水的混合物相對(duì)每100g水含有25-70g氨。
3.權(quán)利要求1的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述注入器裝置包括管段(62)，該管段(62)與所述廢氣管換熱相關(guān)，從而用廢氣的熱量加熱所述氨和水的混合物。
4.權(quán)利要求3的發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括分離段(68)，該分離段接收所述被加熱的混合物，將液體水與氣態(tài)氨分離，并將引導(dǎo)它們通過不同的路徑(91，83)，并將氣態(tài)氨注入所述廢氣管。
5.權(quán)利要求1的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述注入器裝置包括管(36)和與該管偶聯(lián)的噴嘴(84)，所述管(36)輸送來自所述源的氨和水的混合物，所述噴嘴(84)將所述混合物注入所述廢氣管。
6.一種減少發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的氮氧化物的方法，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣存在下燃燒烴并產(chǎn)生廢氣流，該方法包括將氨和水的混合物(70)抽出容器(50，112)，并至少將所述氨注入所述廢氣流。
7.權(quán)利要求6的方法，其包括加熱部分抽出所述容器的所述混合物，從而使氨與水分離，進(jìn)一步加熱所述分離出的氨，并單獨(dú)將所述加熱后的氨注入所述廢氣流。
8.權(quán)利要求6的方法，其中所述注入步驟包括將所述混合物的水和氨都注入所述廢氣流。
9.權(quán)利要求6的方法，其包括儲(chǔ)存所述混合物，其中氨占所述混合物約20wt％。
全文摘要
描述了一種用于儲(chǔ)存氨并將其注入發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流中以減少氮氧化物的系統(tǒng)。將氨以氨與水的液體混合物(70)的形式儲(chǔ)存在容器(50)中。在一個(gè)系統(tǒng)中，該混合物流經(jīng)一個(gè)部分與廢氣管(16)接觸的管道(62)，將混合物加熱，并使氨與水分離，在噴嘴(84)處將氨進(jìn)一步加熱，從而在將氨注入廢氣管的上游部分之前使其活化。
文檔編號(hào)F01N3/08GK1659100SQ03812716
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月24日
發(fā)明者L·P·拜里曼, J·M·扎布斯科, L·S·西蒙斯 申請(qǐng)人:克林空氣系統(tǒng)公司