本發(fā)明涉及一種非熱等離子體強化尿素-SCR脫除柴油車尾氣中NO_x的系統(tǒng)和方法，具體地說是一種利用非熱等離子體強化低溫工況下尿素催化分解制氨以及預(yù)氧化尾氣中部分NO以提高尿素-SCR低溫脫除柴油車尾氣中NO_x效率的系統(tǒng)和方法，屬于柴油機尾氣排放污染物控制技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

為改善燃油經(jīng)濟性，柴油發(fā)動機通常在貧燃(富氧)條件下運行，排放的尾氣中含有過量的O₂(一般高于5％)和較高濃度的NO_x(主要是NO)。目前我國柴油車保有量僅占汽車總保有量的百分之十幾，但排放的NO_x接近汽車排放總量的70％。為了消除污染，滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，在機內(nèi)凈化的基礎(chǔ)上采用高效的尾氣后處理技術(shù)減少柴油車NO_x排放勢在必行。

氨選擇性催化還原(NH₃-SCR)被認(rèn)為是最有希望廣泛應(yīng)用于柴油車尾氣脫硝的技術(shù)。其中還原劑氨氣可直接來源于液氨，也可通過氨水或尿素間接制備。由于液氨和氨水具有爆炸性、強腐蝕性和較大的毒性，運輸與儲存均存在安全隱患，目前已開發(fā)的柴油車尾氣脫硝系統(tǒng)主要采用安全性更高的尿素(水溶液)作為NH₃的來源。通常認(rèn)為，尿素水溶液(AdBlue，含32.5wt.％尿素)噴入到高溫排氣管中時，水分快速蒸發(fā)，而尿素發(fā)生熱分解反應(yīng)生成NH₃和HNCO(異氰酸)；HNCO在氣相中非常穩(wěn)定，但在特定的催化劑(水解催化劑)表面能快速發(fā)生水解反應(yīng)，生成NH₃和CO₂。在尿素水解催化劑下游的SCR催化劑表面，尿素分解形成的NH₃將尾氣中的NO_x還原成N₂和H₂O。

雖然尿素-SCR脫硝技術(shù)已在歐美國家重型柴油車尾氣脫硝中獲得實驗性應(yīng)用，但該技術(shù)的推廣尚面臨柴油機冷啟動、怠速(市區(qū)行駛)以及低負(fù)荷狀況下排氣溫度遠低于200℃時尿素難以分解以及NO_x還原效率低的瓶頸問題。Catalysis Science&Technology 3(2013)942-951中的研究表明，ZrO₂、TiO₂、Al₂O₃等催化劑可同時催化尿素?zé)峤馀cHNCO水解產(chǎn)氨過程，但由于尿素?zé)峤膺^程是速控步驟，實現(xiàn)尿素完全分解制氨尚需反應(yīng)溫度高于200℃。

非熱等離子體由于具有低溫(室溫)下引發(fā)各類化學(xué)反應(yīng)以及激活催化劑的特性，近年來得到廣泛關(guān)注。通過在SCR反應(yīng)器之前增設(shè)等離子體預(yù)處理裝置氧化尾氣中部分NO為NO₂，使NO和NO₂摩爾比接近1:1以實現(xiàn)快速SCR脫硝是解決低溫下NO_x還原效率低的有效途徑。中國專利CN 101344026B中公開了一種低溫等離子體預(yù)氧化輔助NH₃-SCR凈化柴油機NO_x的系統(tǒng)，低溫工況下(100～250℃)借助介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的OH、HO₂、O和O₃等活性基團氧化尾氣中的部分NO為NO₂，從而提高低溫下SCR脫硝的效率，實現(xiàn)在100～550℃的寬溫度窗口內(nèi)高效降低NO_x排放，但該系統(tǒng)僅僅是對尾氣的預(yù)氧化，未涉及如何解決低溫下尿素分解制氨效率低的問題。

本發(fā)明將非熱等離子體與尿素分解催化劑相結(jié)合，利用等離子體中的大量高活性物種同時作用于氣體(含噴入的尿素)及催化劑，通過這種方法強化低溫下尿素的催化分解以及預(yù)氧化尾氣中的部分NO，保證柴油機冷啟動、怠速(市區(qū)行駛)以及低負(fù)荷狀況下尿素-SCR系統(tǒng)正常運行，實現(xiàn)在寬排氣溫度窗口(100～550℃)內(nèi)高效脫除柴油車尾氣中的NO_x，對于推動尿素-SCR技術(shù)在柴油車尾氣脫硝中的實際應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種非熱等離子體強化尿素-SCR脫除柴油車尾氣中NO_x的系統(tǒng)和方法，在柴油機排氣低溫工況下，利用非熱等離子體強化尿素的催化分解以及預(yù)氧化尾氣中的部分NO，大幅度提高尿素-SCR在柴油機冷啟動、怠速(市區(qū)行駛)以及低負(fù)荷狀況下NO_x的轉(zhuǎn)化效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種非熱等離子體強化尿素-SCR脫除柴油車尾氣中NO_x的系統(tǒng)，其特征在于，在柴油機排氣管尿素噴入點之后、SCR脫硝反應(yīng)器之前設(shè)置非熱等離子體/催化反應(yīng)器，其中非熱等離子體借助填充式介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生，填充的放電介質(zhì)為能催化尿素分解的催化劑，選自ZrO₂、TiO₂、Al₂O₃等；非熱等離子體/催化反應(yīng)器進出口用法蘭與柴油機排氣管相連接；本發(fā)明的非熱等離子體/催化反應(yīng)器采用的填充式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器為同軸式反應(yīng)器，主要由剛玉管、緊密纏繞在剛玉管外側(cè)的不銹鋼網(wǎng)低壓電極、置于剛玉管軸心處且與剛玉管同軸的不銹鋼棒高壓電極、填充于剛玉管內(nèi)壁與不銹鋼棒高壓電極之間的尿素分解催化劑、高壓高頻電源、電源控制開關(guān)、溫度傳感器構(gòu)成；剛玉管的兩端分別為非熱等離子體/催化反應(yīng)器進出口；不銹鋼網(wǎng)低壓電極的長度決定非熱等離子體/催化反應(yīng)器的有效放電區(qū)域長度，催化劑完全置于放電區(qū)域內(nèi)；高壓高頻電源的輸出端通過高壓接線柱與不銹鋼棒高壓電極電連接；溫度傳感器安裝在SCR反應(yīng)器的出口端，溫度傳感器的信號輸出端通過電源控制開關(guān)與高壓高頻電源電連接；通過溫度傳感器控制電源控制開關(guān)自動開閉高壓高頻電源；通過調(diào)節(jié)高壓高頻電源輸出的電壓和頻率調(diào)節(jié)輸入非熱等離子體/催化反應(yīng)器的放電功率。

SCR脫硝反應(yīng)器中設(shè)有SCR催化劑。

采用上述系統(tǒng)進行非熱等離子體強化尿素-SCR脫除柴油車尾氣中NO_x的方法，其特征在于，低排氣溫度(100～200℃)下啟動放電產(chǎn)生非熱等離子體以強化尿素的催化分解以及預(yù)氧化尾氣中部分NO；高排氣溫度(＞200℃)下關(guān)閉放電，尿素直接催化分解產(chǎn)氨；經(jīng)非熱等離子體/催化預(yù)處理后的排氣進入SCR反應(yīng)器以完成NO_x的還原。

當(dāng)柴油機冷啟動、怠速(市區(qū)行駛)以及低負(fù)荷運行時，低于200℃的排氣攜帶噴入的尿素液滴通過非熱等離子體/催化反應(yīng)器，溫度傳感器控制電源控制開關(guān)自動開啟高壓高頻電源，使尿素分解催化劑顆粒間隙中發(fā)生強烈放電，產(chǎn)生高濃度的非熱等離子體，強化尿素催化分解制氨的同時借助有氧氣氛下放電產(chǎn)生的OH、HO₂、O和O₃等活性基團氧化尾氣中的部分NO，增加NO_x中NO₂所占的比例，尿素分解形成的NH₃與NO_x(主要是NO和NO₂)一同進入SCR反應(yīng)器中，即可在SCR催化劑的作用下將NO_x還原成N₂和H₂O。

當(dāng)柴油機排氣溫度高于200℃時，排氣攜帶噴入的尿素液滴通過非熱等離子體/催化反應(yīng)器，溫度傳感器控制電源控制開關(guān)自動關(guān)閉高壓高頻電源以節(jié)約能耗，尿素在尿素分解催化劑的作用下發(fā)生分解，生成的NH₃與尾氣中的NO_x(主要是NO)一同進入SCR反應(yīng)器中，在SCR催化劑的作用下將NO_x還原成N₂和H₂O。借助非熱等離子體的強化作用有效解決了柴油機冷啟動、怠速(市區(qū)行駛)以及低負(fù)荷運行時尿素分解不徹底、SCR脫硝效率低的問題，實現(xiàn)了在寬排氣溫度窗口(100～550℃)內(nèi)高效脫除柴油車尾氣中的NO_x。

本發(fā)明有以下幾個優(yōu)點：

1、在柴油機冷啟動、怠速(市區(qū)行駛)以及低負(fù)荷運行時借助非熱等離子體強化尿素催化分解制氨的同時預(yù)氧化尾氣中的部分NO，大幅度提高了尿素-SCR在低排氣溫度(100～200℃)下還原NO_x的效率，從而達到在寬排氣溫度窗口(100～550℃)內(nèi)高效脫除柴油車尾氣中NO_x的目的。

2、柴油機正常運行排氣溫度高于200℃時自動關(guān)閉放電電源，僅利用排氣余熱實現(xiàn)尿素的催化分解及NO_x的還原，有利于節(jié)約能耗。

3、通過對現(xiàn)有尿素-SCR系統(tǒng)進行簡單改造即可實施本發(fā)明，易于推廣使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明非熱等離子體強化尿素-SCR脫除柴油車尾氣中NO_x裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明非熱等離子體/催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1為尿素噴射裝置，2為非熱等離子體/催化反應(yīng)器，3為尿素分解催化劑，4為高壓高頻電源，5為電源控制開關(guān)，6為SCR反應(yīng)器，7為溫度傳感器，8為不銹鋼棒高壓電極，9為剛玉管，10為不銹鋼網(wǎng)低壓電極。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步描述。但本發(fā)明并不限于以下實施例。

實施例1

如圖1所示，在柴油機排氣管尿素噴入點之后、SCR脫硝反應(yīng)器之前設(shè)置非熱等離子體/催化反應(yīng)器，其中非熱等離子體借助填充式介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生，填充的放電介質(zhì)為具有催化尿素分解活性的催化劑，選自ZrO₂、TiO₂、Al₂O₃等；非熱等離子體/催化反應(yīng)器進出口用法蘭與排氣管相連接；低排氣溫度(100～200℃)下啟動放電產(chǎn)生非熱等離子體以強化尿素的催化分解以及預(yù)氧化尾氣中部分NO；高排氣溫度(＞200℃)下關(guān)閉放電，尿素直接催化分解產(chǎn)氨；經(jīng)非熱等離子體/催化預(yù)處理后的排氣進入SCR反應(yīng)器以完成NO_x的還原。

本發(fā)明的非熱等離子體/催化反應(yīng)器采用的填充式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器為同軸式反應(yīng)器，主要由剛玉管、緊密纏繞在剛玉管外側(cè)的不銹鋼網(wǎng)低壓電極、置于剛玉管軸心處且與剛玉管同軸的不銹鋼棒高壓電極、填充于剛玉管內(nèi)壁與不銹鋼棒高壓電極之間的尿素分解催化劑、高壓高頻電源、電源控制開關(guān)、溫度傳感器構(gòu)成；剛玉管的兩端分別為非熱等離子體/催化反應(yīng)器進出口；不銹鋼網(wǎng)低壓電極的長度決定非熱等離子體/催化反應(yīng)器的有效放電區(qū)域長度，催化劑完全置于放電區(qū)域內(nèi)；高壓高頻電源的輸出端通過高壓接線柱與不銹鋼棒高壓電極電連接；溫度傳感器安裝在SCR反應(yīng)器的出口端，溫度傳感器的信號輸出端通過電源控制開關(guān)與高壓高頻電源電連接；通過溫度傳感器控制電源控制開關(guān)自動開閉高壓高頻電源；通過調(diào)節(jié)高壓高頻電源輸出的電壓和頻率調(diào)節(jié)輸入非熱等離子體/催化反應(yīng)器的放電功率。

當(dāng)柴油機冷啟動、怠速(市區(qū)行駛)以及低負(fù)荷運行時，低于200℃的排氣攜帶噴入的尿素液滴通過非熱等離子體/催化反應(yīng)器，溫度傳感器控制電源控制開關(guān)自動開啟高壓高頻電源，使尿素分解催化劑顆粒間隙中發(fā)生強烈放電，產(chǎn)生高濃度的非熱等離子體，強化尿素催化分解制氨的同時借助有氧氣氛下放電產(chǎn)生的OH、HO₂、O和O₃等活性基團氧化尾氣中的部分NO，增加NO_x中NO₂所占的比例，尿素分解形成的NH₃與NO_x(主要是NO和NO₂)一同進入SCR反應(yīng)器中，即可在SCR催化劑的作用下將NO_x還原成N₂和H₂O。

當(dāng)柴油機排氣溫度高于200℃時，排氣攜帶噴入的尿素液滴通過非熱等離子體/催化反應(yīng)器，溫度傳感器控制電源控制開關(guān)自動關(guān)閉高壓高頻電源以節(jié)約能耗，尿素在尿素分解催化劑的作用下發(fā)生分解，生成的NH₃與尾氣中的NO_x(主要是NO)一同進入SCR反應(yīng)器中，在SCR催化劑的作用下將NO_x還原成N₂和H₂O。

采用Al₂O₃作為尿素分解催化劑進行的尿素分解測試結(jié)果表明，非熱等離子體協(xié)同Al₂O₃可在100℃的低溫下高效分解尿素，無論放電氣氛中是否存在O₂，尿素分解主要產(chǎn)物皆為NH₃和CO₂。采用Al₂O₃作為尿素分解催化劑、V₂O₅-MO₃/TiO₂作為SCR催化劑進行的柴油車尾氣脫硝測試結(jié)果表明，排氣溫度在100～200℃之間時，開啟放電產(chǎn)生非熱等離子體可大幅提高NO_x的脫除效率，放電功率不低于30W時，NO_x去除率不低于90％。借助非熱等離子體的強化作用有效解決了柴油機冷啟動、怠速(市區(qū)行駛)以及低負(fù)荷運行時尿素分解不徹底、SCR脫硝效率低的問題，實現(xiàn)了在寬排氣溫度窗口(100～550℃)內(nèi)高效脫除柴油車尾氣中的NO_x。