一種柴油機尾氣凈化的柔性集成裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種柴油機尾氣凈化柔性集成裝置及其方法。由DOC柴油機氧化催化器、DPF柴油機顆粒捕集器、SCR選擇性催化還原裝置、尾氣閥、氣流控制閥、排氣管和連接管等組成，氣流控制閥分別連接DOC后端管、DPF前端管和SCR前端管，DPF前端管連接DPF柴油機顆粒捕集器，管中設有可旋轉的DPF尾氣閥，SCR前端管連接SCR選擇性催化還原裝置，管中設有可旋轉的SCR尾氣閥，SCR選擇性催化還原裝置后端通過連接管與柴油機顆粒捕集器的后端相連。本發(fā)明根據(jù)柴油機負荷的不同，柔性調整經DOC柴油機氧化催化器后廢氣氣流通過DPF柴油機顆粒捕集器和SCR選擇性催化還原裝置的先后順序，最大程度發(fā)揮各自布置方案的優(yōu)點，有效提高柴油機廢氣中顆粒和氮氧化物排放的綜合凈化效果。
【專利說明】一種柴油機尾氣凈化的柔性集成裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于柴油機尾氣后處理【技術領域】，具體涉及一種柴油機尾氣凈化的D0C+DPF+SCR (柴油機氧化催化器+柴油機顆粒捕集器+選擇性催化還原裝置)柔性集成裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]柴油機以其良好的經濟性和動力性，廣泛地應用于交通運輸、農業(yè)機械和工程機械等領域。柴油機的尾氣中主要包括一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HO、顆粒(PM)和氮氧化物(NOx)等有害污染物，其中顆粒(PM)和氮氧化物(NOr)的排放較高，對環(huán)境和人體都有很大的危害，因此各國排放法規(guī)對于柴油機PM和NCk的排放限制越來越嚴格。除了采用必要的機內措施改善燃燒之外，還必須對柴油機廢氣中的PM和NCk采取機外后處理凈化措施，才能有效降低二者的有害排放量。
[0003]在諸多技術方案中，柴油機氧化催化器DOC(Diesel Oxidation Catalyst)是降低CO和HC的主要后處理技術之一,柴油機顆粒捕集器DPF(Diesel Particulate Filter)是降低PM排放的主要后處理技術措施之一,選擇性催化還原裝置SCR(Selective CatalyticReduction)是降低NCk排放的主要后處理技術措施之一。而要滿足未來日益嚴格的排放法規(guī)如歐六排放法規(guī)，僅靠單個尾氣后處理技術已無法滿足要求，需要采取不同后處理技術的集成組合，在柴油機排氣系統(tǒng)中同時加裝DOC、DPF以及SCR。
[0004]在同時使用D0C、DPF和SCR技術時，將DOC布置在整個組合的最前端，在其氧化CO和HC的同時，能夠將一部分NO氧化成NO2，提高NO2比例，從而加快SCR反應速率。
[0005]廢氣首先通過D0C，而DPF和SCR具體位置的布置則存在先后問題。一般來說有兩種方案:
(I)DPF前置，即廢氣先通過DPF再通過SCR。對于該方案，廢氣先通過DOC氧化HC和CO，再通過DPF將廢氣中的顆粒進行過濾捕集，凈化顆粒后的廢氣最后進入SCR。這樣可以減少碳煙顆粒等在SCR內的沉積，保證SCR中NCk的反應面積及其工作性能；并且廢氣進入DPF時溫度較高，有利于DPF再生，可以有效地改善其被動再生性能，減少主動再生的次數(shù)，提高整機的經濟性。缺點是廢氣經過DPF再進入SCR時，廢氣本身溫度有所下降，這對需要一定溫度才能有良好NOr轉換效率的SCR系統(tǒng)不利。
[0006](2) SCR前置，即廢氣先通過SCR再通過DPF。對于該方案，則與前述方案剛好相反。廢氣先通過DOC對HC和CO進行氧化，再通過SCR以降低NOr排放，此時進入SCR的廢氣溫度較高，這對保證其中NOr的催化轉換效率是十分有利的。但缺點是廢氣中的顆粒會有部分沉積在SCR的內壁，對其工作性能有所影響。最后廢氣再進入DPF，對其顆粒進行捕集凈化，此時廢氣溫度有所降低。如果其再生技術使用的是主動再生技術如電加熱或噴油等技術，對其再生效果影響不大；但如果采用的是被動再生技術如催化再生或添加劑再生，由于再生需要一定的排氣溫度，因此再生效果將會受到影響。
[0007]可見，同時采用D0C+DPF+SCR技術可降低柴油機各有害污染物的排放，但由于后兩者存在系統(tǒng)布置的先后順序問題，影響了其對柴油機尾氣的后處理凈化效果。
【發(fā)明內容】
[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種有效降低有害污染物的柴油機尾氣凈化D0C+DPF+SCR(柴油機氧化催化器+柴油機顆粒捕集器+選擇性催化還原裝置)柔性集成裝置及其方法，可以實時、在線、柔性的改變柴油機尾氣進入DPF或者SCR的先后順序。
[0009]本發(fā)明提出的柴油機尾氣凈化的D0C+DPF+SCR柔性集成裝置，由柴油機排氣管2、DOC柴油機氧化催化器3、DOC后端管4、氣流控制閥5、DPF尾氣閥6、SCR尾氣閥7、DPF前端管8、SCR前端管9、DPF柴油機顆粒捕集器10、SCR選擇性催化還原裝置11和連接管12組成。其中，DOC柴油機氧化催化器3的一側通過柴油機排氣管2連接柴油機1，另一側連接DOC后端管4 一端，氣流控制閥5的一側連接DOC后端管4另一端，上側連接DPF前端管8 一端，下側連接SCR前端管9 一端，DPF前端管8另一端連接DPF柴油機顆粒捕集器10的前端，SCR前端管9另一端連接SCR選擇性催化還原裝置11的前端，DPF柴油機顆粒捕集器10的后端通過連接管12與SCR選擇性催化還原裝置11的后端相連；DPF前端管8中布置可旋轉的DPF尾氣閥6，DPF尾氣閥6上側與大氣相通，SCR前端管9中布置可旋轉的SCR尾氣閥7，SCR尾氣閥7下側與大氣相通；氣流控制閥5設置有兩個位置，同時配合DPF尾氣閥6和SCR尾氣閥7的轉向，以決定氣流進入DPF前端管8和SCR前端管9的先后順序。
[0010]本發(fā)明提出的柴油機尾氣凈化的D0C+DPF+SCR柔性集成裝置的使用方法，具體步驟如下:柴油機I排出的廢氣依次經過柴油機排氣管2、DOC柴油機氧化催化器3和DOC后端管4后到達氣流控制閥5處，氣流控制閥5設置有兩個位置，同時配合DPF尾氣閥6和SCR尾氣閥7的轉向，以決定氣流進入DPF前端管8和SCR前端管9的先后順序；
(I)當柴油機處于負荷率大于等于50%運行時，柴油機顆粒排放量較高，排氣溫度也較高；切換氣流控制閥5，同時關閉DPF尾氣閥6和打開SCR尾氣閥7。廢氣先進入DPF柴油機顆粒捕集器10以過濾凈化顆粒，有利于DPF柴油機顆粒捕集器10的再生過程，同時減少了后續(xù)沉積在SCR選擇性催化還原裝置11內部的顆粒沉積量，有利于SCR選擇性催化還原裝置11反應的進行。然后，過濾顆粒后的廢氣經由連接管12進入SCR選擇性催化還原裝置11，由于高負荷時排氣初始溫度較高，經由DPF柴油機顆粒捕集器10再進入SCR選擇性催化還原裝置11時，SCR選擇性催化還原裝置11內仍具有一定溫度以有利于NCk的催化還原過程。
[0011](2)當柴油機處于負荷率小于50%運行時，柴油機顆粒排放量較低，排氣溫度也較低。切換氣流控制閥5，同時關閉SCR尾氣閥7和打開DPF尾氣閥6。廢氣先進入SCR選擇性催化還原裝置11以降低NCk排放。由于此時顆粒排放量低，故沉積在SCR選擇性催化還原裝置11內壁的顆粒量較少，對其工作性能影響較小。然后廢氣經由連接管12進入DPF柴油機顆粒捕集器10，對其顆粒進行過濾捕集凈化。此外，該方式還可以實現(xiàn)DPF柴油機顆粒捕集器10的反吹再生，即廢氣先進入DPF柴油機顆粒捕集器10時，長時間沉積在左側通道內的、不能利用化學再生方式去除的顆粒，可以通過逆向的氣流，對其進行清除。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明根據(jù)柴油機負荷的變化，實時、在線、柔性調整經過DOC柴油機氧化催化器3后廢氣氣流通過DPF柴油機顆粒捕集器10和SCR選擇性催化還原裝置11的先后順序，最大程度發(fā)揮各自布置方案的優(yōu)點和避免各自布置方案的缺點，從而提高柴油機廢氣中顆粒和氮氧化物排放的綜合凈化效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明實施例1中當氣流控制閥5處于下面位置時的結構圖示，相當于DPF柴油機顆粒捕集器10前置。
[0014]圖2為本發(fā)明實施例2中當氣流控制閥5處于上面位置時的結構圖示，相當于SCR選擇性催化還原裝置11前置。
[0015]圖3為柴油機高負荷時，DPF柴油機顆粒捕集器10前置與SCR選擇性催化還原裝置11前置兩種情況下，柴油機的NOz轉化效率和顆粒凈化率圖。(a)為柴油機的NOz轉化效率圖，(b)為顆粒凈化率圖。
[0016]圖4為柴油機低負荷時，DPF柴油機顆粒捕集器10前置與SCR選擇性催化還原裝置11前置兩種情況下，柴油機的NOz轉化效率和顆粒凈化率圖。(a)為柴油機的NOz轉化效率圖，(b)為顆粒凈化率圖。
[0017]圖中標號:1為柴油機，2為柴油機排氣管,3為DOC柴油機氧化催化器,4為DOC后端管，5為氣流控制閥，6為DPF尾氣閥，7為SCR尾氣閥，8為DPF前端管，9為SCR前端管，10為DPF柴油機顆粒捕集器，11為SCR選擇性催化還原裝置，12為連接管。
【具體實施方式】
[0018]下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。
[0019]實施例1:當柴油機處于高負荷(負荷率大于等于50%)時，采用D0C+DPF前置+SCR后置。
[0020]如圖1所示，所述裝置由柴油機排氣管2、D0C柴油機氧化催化器3、D0C后端管4、氣流控制閥5、DPF尾氣閥6、SCR尾氣閥7、DPF前端管8、SCR前端管9、DPF柴油機顆粒捕集器10、SCR選擇性催化還原裝置11和連接管12組成。DOC柴油機氧化催化器3 —側通過柴油機排氣管2連接柴油機1，另一側連接DOC后端管4 一端，氣流控制閥5 —側連接DOC后端管4另一端,上側連接DPF前端管8 一端,下側連接SCR前端管9 一端，DPF前端管8另一端連接DPF柴油機顆粒捕集器10的前端，SCR前端管9另一端連接SCR選擇性催化還原裝置11的前端，DPF柴油機顆粒捕集器10的后端通過連接管12與SCR選擇性催化還原裝置11的后端相連；DPF前端管8中布置可旋轉的DPF尾氣閥6，DPF尾氣閥6上側與大氣相通，SCR前端管9中布置可旋轉的SCR尾氣閥7，尾氣閥7下側與大氣相通。當柴油機工作在高負荷狀態(tài)時，氣流控制閥5處于下面位置且DPF尾氣閥6與SCR尾氣閥7處于如圖1位置，經過DOC柴油機氧化催化器后的廢氣氣流首先進入DPF前端管8，隨后廢氣氣流經由DPF柴油機顆粒捕集器10，經由連接管12流入SCR選擇性催化還原裝置11，再流經SCR前端管9，最終排入大氣。
[0021]以一臺排量為7升的柴油機為例，如圖3所示，在高負荷下排氣溫度為500°C時，DPF柴油機顆粒捕集器10前置時NOz的轉化效率約為84%，顆粒凈化效率約為95%。而SCR選擇性催化還原裝置11前置時NOz的轉化效率僅為70%，顆粒凈化效率約為88%。表明高負荷下，DPF柴油機顆粒捕集器10前置時，NOx和顆粒的綜合凈化效果較好。[0022]實施例2:當柴油機處于低負荷(負荷率小于50%)時，采用DOC+ SCR前置+ DPF后置。
[0023]采用實施例1所述裝置，當柴油機工作在低負荷狀態(tài)時，氣流控制閥5處于上面位置且DPF尾氣閥6與SCR尾氣閥7處于如圖2位置，經過DOC柴油機氧化催化器后的廢氣氣流首先進入SCR前端管9，隨后廢氣氣流經由SCR選擇性催化還原裝置11，經由連接管12流入DPF柴油機顆粒捕集器10，再流經DPF前端管8，最終排入大氣。
[0024]采用實施例1所述的排量為7升的柴油機，如圖4所示，在低負荷下排氣溫度為200°C時，SCR擇性催化還原裝置11前置時轉化效率約為55%，顆粒凈化效率約為91%。而DPF柴油機顆粒捕集器10前置時NOz的轉化效率僅為30%，顆粒凈化效率約為90%。表明低負荷時，SCR擇性催化還原裝置11前置時，NOx和顆粒的綜合凈化效果較好。
【權利要求】
1.一種柴油機尾氣凈化的柔性集成裝置，由柴油機排氣管(2)、D0C柴油機氧化催化器(3)、D0C后端管(4)、氣流控制閥(5)、DPF尾氣閥(6)、SCR尾氣閥(7)、DPF前端管(8)、SCR前端管(9)、DPF柴油機顆粒捕集器(10)、SCR選擇性催化還原裝置(11)和連接管(12)組成，其特征在于:DOC柴油機氧化催化器(3)的一側通過柴油機排氣管(2)連接柴油機(1)，另一側連接DOC后端管(4) 一端，氣流控制閥(5)的一側連接DOC后端管(4)另一端，上側連接DPF前端管(8) —端，下側連接SCR前端管(9) 一端，DPF前端管(8)另一端連接DPF柴油機顆粒捕集器(10)的前端，SCR前端管(9)另一端連接SCR選擇性催化還原裝置(11)的前端，DPF柴油機顆粒捕集器(10)的后端通過連接管(12)與SCR選擇性催化還原裝置(11)的后端相連；DPF前端管(8)中布置可旋轉的DPF尾氣閥(6)，DPF尾氣閥(6)上側與大氣相通，SCR前端管(9)中布置可旋轉的SCR尾氣閥(7)，SCR尾氣閥(7)下側與大氣相通；氣流控制閥(5)設置有兩個位置，同時配合DPF尾氣閥(6)和SCR尾氣閥(7)的轉向，以決定氣流進入DPF前端管⑶和SCR前端管(9)的先后順序。
2.一種如權利要求1所述的柴油機尾氣凈化的柔性集成裝置的使用方法，其特征在于具體步驟如下:柴油機⑴排出的廢氣依次經過排氣管⑵、DOC柴油機氧化催化器(3)和DOC后端管(4)后到達氣流控制閥(5)處，氣流控制閥(5)設置有兩個位置，同時配合DPF尾氣閥(6)和SCR尾氣閥(7)的轉向，以決定氣流進入DPF前端管⑶和SCR前端管(9)的先后順序； (1)當柴油機處于負荷率大于等于50%運行時，柴油機顆粒排放量較高，排氣溫度也較高；切換氣流控制閥(5)，同時關閉DPF尾氣閥(6)和打開SCR尾氣閥(7);廢氣先進入DPF柴油機顆粒捕集器(10)以過濾凈化顆粒，有利于DPF柴油機顆粒捕集器(10)的再生過程，同時減少了后續(xù)沉積在SCR選擇性催化還原裝置(11)的顆粒沉積量，有利于SCR選擇性催化還原裝置(11)反應的進行；然后，過濾顆粒后的廢氣經由連接管(12)進入SCR選擇性催化還原裝置(11)，由于高負荷時排氣初始溫度較高，經由DPF柴油機顆粒捕集器(10)再進入SCR選擇性催化還原裝置(11)時，SCR選擇性催化還原裝置(11)內仍具有一定溫度以有利于NOr的催化還原過程；; (2)當柴油機處于負荷率小于50%運行時，柴油機顆粒排放量較低，排氣溫度也較低；切換氣流控制閥(5)，同時關閉SCR尾氣閥(7)和打開DPF尾氣閥(6);廢氣先進入SCR選擇性催化還原裝置(11)以降低NOr排放；由于此時顆粒排放量低，故沉積在SCR選擇性催化還原裝置(11)內壁的顆粒量較少，對其工作性能影響較小；然后廢氣經由連接管(12)進入DPF柴油機顆粒捕集器(10)，對其顆粒進行過濾捕集凈化；該方式還可實現(xiàn)DPF柴油機顆粒捕集器(10)的反吹再生，即廢氣先進入DPF柴油機顆粒捕集器(10)時，長時間沉積在左側通道內的、不能利用化學再生方式去除的顆粒，可通過逆向的氣流，對其進行清除。
【文檔編號】F01N3/28GK103726912SQ201310717742
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權日:2013年12月24日
【發(fā)明者】譚丕強, 俞銳康, 胡志遠, 樓狄明 申請人:同濟大學