CN103726912B - 一种柴油机尾气净化的柔性集成装置及其方法 - Google Patents

一种柴油机尾气净化的柔性集成装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柴油机尾气净化柔性集成装置及其方法。由DOC柴油机氧化催化器、DPF柴油机颗粒捕集器、SCR选择性催化还原装置、尾气阀、气流控制阀、排气管和连接管等组成，气流控制阀分别连接DOC后端管、DPF前端管和SCR前端管，DPF前端管连接DPF柴油机颗粒捕集器，管中设有可旋转的DPF尾气阀，SCR前端管连接SCR选择性催化还原装置，管中设有可旋转的SCR尾气阀，SCR选择性催化还原装置后端通过连接管与柴油机颗粒捕集器的后端相连。本发明根据柴油机负荷的不同，柔性调整经DOC柴油机氧化催化器后废气气流通过DPF柴油机颗粒捕集器和SCR选择性催化还原装置的先后顺序，最大程度发挥各自布置方案的优点，有效提高柴油机废气中颗粒和氮氧化物排放的综合净化效果。

Description

一种柴油机尾气净化的柔性集成装置及其方法
技术领域
本发明属于柴油机尾气后处理技术领域，具体涉及一种柴油机尾气净化的DOC+DPF+SCR（柴油机氧化催化器+柴油机颗粒捕集器+选择性催化还原装置）柔性集成装置及其方法。
背景技术
柴油机以其良好的经济性和动力性，广泛地应用于交通运输、农业机械和工程机械等领域。柴油机的尾气中主要包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、颗粒(PM)和氮氧化物(NOx)等有害污染物，其中颗粒(PM)和氮氧化物(NOx)的排放较高，对环境和人体都有很大的危害，因此各国排放法规对于柴油机PM和NOx的排放限制越来越严格。除了采用必要的机内措施改善燃烧之外，还必须对柴油机废气中的PM和NOx采取机外后处理净化措施，才能有效降低二者的有害排放量。
在诸多技术方案中，柴油机氧化催化器DOC(DieselOxidationCatalyst)是降低CO和HC的主要后处理技术之一，柴油机颗粒捕集器DPF(DieselParticulateFilter)是降低PM排放的主要后处理技术措施之一，选择性催化还原装置SCR(SelectiveCatalyticReduction)是降低NOx排放的主要后处理技术措施之一。而要满足未来日益严格的排放法规如欧六排放法规，仅靠单个尾气后处理技术已无法满足要求，需要采取不同后处理技术的集成组合，在柴油机排气***中同时加装DOC、DPF以及SCR。
在同时使用DOC、DPF和SCR技术时，将DOC布置在整个组合的最前端，在其氧化CO和HC的同时，能够将一部分NO氧化成NO2，提高NO2比例，从而加快SCR反应速率。
废气首先通过DOC，而DPF和SCR具***置的布置则存在先后问题。一般来说有两种方案：
(1)DPF前置，即废气先通过DPF再通过SCR。对于该方案，废气先通过DOC氧化HC和CO，再通过DPF将废气中的颗粒进行过滤捕集，净化颗粒后的废气最后进入SCR。这样可以减少碳烟颗粒等在SCR内的沉积，保证SCR中NOx的反应面积及其工作性能；并且废气进入DPF时温度较高，有利于DPF再生，可以有效地改善其被动再生性能，减少主动再生的次数，提高整机的经济性。缺点是废气经过DPF再进入SCR时，废气本身温度有所下降，这对需要一定温度才能有良好NOx转换效率的SCR***不利。
(2)SCR前置，即废气先通过SCR再通过DPF。对于该方案，则与前述方案刚好相反。废气先通过DOC对HC和CO进行氧化，再通过SCR以降低NOx排放，此时进入SCR的废气温度较高，这对保证其中NOx的催化转换效率是十分有利的。但缺点是废气中的颗粒会有部分沉积在SCR的内壁，对其工作性能有所影响。最后废气再进入DPF，对其颗粒进行捕集净化，此时废气温度有所降低。如果其再生技术使用的是主动再生技术如电加热或喷油等技术，对其再生效果影响不大；但如果采用的是被动再生技术如催化再生或添加剂再生，由于再生需要一定的排气温度，因此再生效果将会受到影响。
可见，同时采用DOC+DPF+SCR技术可降低柴油机各有害污染物的排放，但由于后两者存在***布置的先后顺序问题，影响了其对柴油机尾气的后处理净化效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效降低有害污染物的柴油机尾气净化DOC+DPF+SCR（柴油机氧化催化器+柴油机颗粒捕集器+选择性催化还原装置）柔性集成装置及其方法，可以实时、在线、柔性的改变柴油机尾气进入DPF或者SCR的先后顺序。
本发明提出的柴油机尾气净化的DOC+DPF+SCR柔性集成装置，由柴油机排气管2、DOC柴油机氧化催化器3、DOC后端管4、气流控制阀5、DPF尾气阀6、SCR尾气阀7、DPF前端管8、SCR前端管9、DPF柴油机颗粒捕集器10、SCR选择性催化还原装置11和连接管12组成。其中，DOC柴油机氧化催化器3的一侧通过柴油机排气管2连接柴油机1，另一侧连接DOC后端管4一端，气流控制阀5的一侧连接DOC后端管4另一端，上侧连接DPF前端管8一端，下侧连接SCR前端管9一端，DPF前端管8另一端连接DPF柴油机颗粒捕集器10的前端，SCR前端管9另一端连接SCR选择性催化还原装置11的前端，DPF柴油机颗粒捕集器10的后端通过连接管12与SCR选择性催化还原装置11的后端相连；DPF前端管8中布置可旋转的DPF尾气阀6，DPF尾气阀6上侧与大气相通，SCR前端管9中布置可旋转的SCR尾气阀7，SCR尾气阀7下侧与大气相通；气流控制阀5设置有两个位置，同时配合DPF尾气阀6和SCR尾气阀7的转向，以决定气流进入DPF前端管8和SCR前端管9的先后顺序。
本发明提出的柴油机尾气净化的DOC+DPF+SCR柔性集成装置的使用方法，具体步骤如下：柴油机1排出的废气依次经过柴油机排气管2、DOC柴油机氧化催化器3和DOC后端管4后到达气流控制阀5处，气流控制阀5设置有两个位置，同时配合DPF尾气阀6和SCR尾气阀7的转向，以决定气流进入DPF前端管8和SCR前端管9的先后顺序；
(1)当柴油机处于负荷率大于等于50%运行时，柴油机颗粒排放量较高，排气温度也较高；切换气流控制阀5，同时关闭DPF尾气阀6和打开SCR尾气阀7。废气先进入DPF柴油机颗粒捕集器10以过滤净化颗粒，有利于DPF柴油机颗粒捕集器10的再生过程，同时减少了后续沉积在SCR选择性催化还原装置11内部的颗粒沉积量，有利于SCR选择性催化还原装置11反应的进行。然后，过滤颗粒后的废气经由连接管12进入SCR选择性催化还原装置11，由于高负荷时排气初始温度较高，经由DPF柴油机颗粒捕集器10再进入SCR选择性催化还原装置11时，SCR选择性催化还原装置11内仍具有一定温度以有利于NOx的催化还原过程。
(2)当柴油机处于负荷率小于50%运行时，柴油机颗粒排放量较低，排气温度也较低。切换气流控制阀5，同时关闭SCR尾气阀7和打开DPF尾气阀6。废气先进入SCR选择性催化还原装置11以降低NOx排放。由于此时颗粒排放量低，故沉积在SCR选择性催化还原装置11内壁的颗粒量较少，对其工作性能影响较小。然后废气经由连接管12进入DPF柴油机颗粒捕集器10，对其颗粒进行过滤捕集净化。此外，该方式还可以实现DPF柴油机颗粒捕集器10的反吹再生，即废气先进入DPF柴油机颗粒捕集器10时，长时间沉积在左侧通道内的、不能利用化学再生方式去除的颗粒，可以通过逆向的气流，对其进行清除。
本发明的有益效果在于：
本发明根据柴油机负荷的变化，实时、在线、柔性调整经过DOC柴油机氧化催化器3后废气气流通过DPF柴油机颗粒捕集器10和SCR选择性催化还原装置11的先后顺序，最大程度发挥各自布置方案的优点和避免各自布置方案的缺点，从而提高柴油机废气中颗粒和氮氧化物排放的综合净化效果。
附图说明
图1为本发明实施例1中当气流控制阀5处于下面位置时的结构图示，相当于DPF柴油机颗粒捕集器10前置。
图2为本发明实施例2中当气流控制阀5处于上面位置时的结构图示，相当于SCR选择性催化还原装置11前置。
图3为柴油机高负荷时，DPF柴油机颗粒捕集器10前置与SCR选择性催化还原装置11前置两种情况下，柴油机的NOX转化效率和颗粒净化率图。（a）为柴油机的NOX转化效率图，(b)为颗粒净化率图。
图4为柴油机低负荷时，DPF柴油机颗粒捕集器10前置与SCR选择性催化还原装置11前置两种情况下，柴油机的NOX转化效率和颗粒净化率图。（a）为柴油机的NOX转化效率图，(b)为颗粒净化率图。
图中标号：1为柴油机，2为柴油机排气管，3为DOC柴油机氧化催化器，4为DOC后端管，5为气流控制阀，6为DPF尾气阀，7为SCR尾气阀，8为DPF前端管，9为SCR前端管，10为DPF柴油机颗粒捕集器，11为SCR选择性催化还原装置，12为连接管。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：当柴油机处于高负荷(负荷率大于等于50%)时，采用DOC+DPF前置+SCR后置。
如图1所示，所述装置由柴油机排气管2、DOC柴油机氧化催化器3、DOC后端管4、气流控制阀5、DPF尾气阀6、SCR尾气阀7、DPF前端管8、SCR前端管9、DPF柴油机颗粒捕集器10、SCR选择性催化还原装置11和连接管12组成。DOC柴油机氧化催化器3一侧通过柴油机排气管2连接柴油机1，另一侧连接DOC后端管4一端，气流控制阀5一侧连接DOC后端管4另一端，上侧连接DPF前端管8一端，下侧连接SCR前端管9一端，DPF前端管8另一端连接DPF柴油机颗粒捕集器10的前端，SCR前端管9另一端连接SCR选择性催化还原装置11的前端，DPF柴油机颗粒捕集器10的后端通过连接管12与SCR选择性催化还原装置11的后端相连；DPF前端管8中布置可旋转的DPF尾气阀6，DPF尾气阀6上侧与大气相通，SCR前端管9中布置可旋转的SCR尾气阀7，尾气阀7下侧与大气相通。当柴油机工作在高负荷状态时，气流控制阀5处于下面位置且DPF尾气阀6与SCR尾气阀7处于如图1位置，经过DOC柴油机氧化催化器后的废气气流首先进入DPF前端管8，随后废气气流经由DPF柴油机颗粒捕集器10，经由连接管12流入SCR选择性催化还原装置11，再流经SCR前端管9，最终排入大气。
以一台排量为7升的柴油机为例，如图3所示，在高负荷下排气温度为500℃时，DPF柴油机颗粒捕集器10前置时NOX的转化效率约为84%，颗粒净化效率约为95%。而SCR选择性催化还原装置11前置时NOX的转化效率仅为70%，颗粒净化效率约为88%。表明高负荷下，DPF柴油机颗粒捕集器10前置时，NOx和颗粒的综合净化效果较好。
实施例2：当柴油机处于低负荷(负荷率小于50%)时，采用DOC+SCR前置+DPF后置。
采用实施例1所述装置，当柴油机工作在低负荷状态时，气流控制阀5处于上面位置且DPF尾气阀6与SCR尾气阀7处于如图2位置，经过DOC柴油机氧化催化器后的废气气流首先进入SCR前端管9，随后废气气流经由SCR选择性催化还原装置11，经由连接管12流入DPF柴油机颗粒捕集器10，再流经DPF前端管8，最终排入大气。
采用实施例1所述的排量为7升的柴油机，如图4所示，在低负荷下排气温度为200℃时，SCR择性催化还原装置11前置时NOX的转化效率约为55%，颗粒净化效率约为91%。而DPF柴油机颗粒捕集器10前置时NOX的转化效率仅为30%，颗粒净化效率约为90%。表明低负荷时，SCR择性催化还原装置11前置时，NOx和颗粒的综合净化效果较好。

Claims (1)

1.一种柴油机尾气净化的柔性集成装置的使用方法，其特征在于所述柔性集成装置，由柴油机排气管(2)、DOC柴油机氧化催化器(3)、DOC后端管(4)、气流控制阀(5)、DPF尾气阀(6)、SCR尾气阀(7)、DPF前端管(8)、SCR前端管(9)、DPF柴油机颗粒捕集器(10)、SCR选择性催化还原装置(11)和连接管(12)组成，DOC柴油机氧化催化器(3)的一侧通过柴油机排气管(2)连接柴油机(1)，另一侧连接DOC后端管(4)一端，DOC柴油机氧化催化器(3)布置于柔性集成装置的最前端，能够将一部分NO氧化成NO2，提高NO2比例，从而加快SCR反应速率；气流控制阀(5)的一侧连接DOC后端管(4)另一端，上侧连接DPF前端管(8)一端，下侧连接SCR前端管(9)一端，DPF前端管(8)另一端连接DPF柴油机颗粒捕集器(10)的前端，SCR前端管(9)另一端连接SCR选择性催化还原装置(11)的前端，DPF柴油机颗粒捕集器(10)的后端通过连接管(12)与SCR选择性催化还原装置(11)的后端相连；DPF前端管(8)中布置可旋转的DPF尾气阀(6)，DPF尾气阀(6)上侧与大气相通，SCR前端管(9)中布置可旋转的SCR尾气阀(7)，SCR尾气阀(7)下侧与大气相通；气流控制阀(5)设置有两个位置，同时配合DPF尾气阀(6)和SCR尾气阀(7)的转向，以决定气流进入DPF前端管(8)和SCR前端管(9)的先后顺序；
其使用时的具体步骤如下：柴油机(1)排出的废气依次经过排气管(2)、DOC柴油机氧化催化器(3)和DOC后端管(4)后到达气流控制阀(5)处，气流控制阀(5)设置有两个位置，同时配合DPF尾气阀(6)和SCR尾气阀(7)的转向，以决定气流进入DPF前端管(8)和SCR前端管(9)的先后顺序，DOC柴油机氧化催化器(3)布置于柔性集成装置的最前端，能够将一部分NO氧化成NO2，提高NO2比例，从而加快SCR反应速率；当DPF尾气阀(6)置于垂直位置时，废气通过DOC柴油机氧化催化器之后直接排入大气；当SCR尾气阀(7)置于垂直位置，废气通过DOC柴油机氧化催化器之后直接排入大气；
(1)当柴油机处于负荷率大于等于50%运行时，柴油机颗粒排放量较高，排气温度也较高；切换气流控制阀(5)，同时关闭DPF尾气阀(6)和打开SCR尾气阀(7)；废气先进入DPF柴油机颗粒捕集器(10)以过滤净化颗粒，有利于DPF柴油机颗粒捕集器(10)的再生过程，同时减少了后续沉积在SCR选择性催化还原装置(11)的颗粒沉积量，有利于SCR选择性催化还原装置(11)反应的进行；然后，过滤颗粒后的废气经由连接管(12)进入SCR选择性催化还原装置(11)，由于高负荷时排气初始温度较高，经由DPF柴油机颗粒捕集器(10)再进入SCR选择性催化还原装置(11)时，SCR选择性催化还原装置(11)内仍具有一定温度以有利于NOx的催化还原过程；
(2)当柴油机处于负荷率小于50%运行时，柴油机颗粒排放量较低，排气温度也较低；切换气流控制阀(5)，同时关闭SCR尾气阀(7)和打开DPF尾气阀(6)；废气先进入SCR选择性催化还原装置(11)以降低NOx排放；由于此时颗粒排放量低，故沉积在SCR选择性催化还原装置(11)内壁的颗粒量较少，对其工作性能影响较小；然后废气经由连接管(12)进入DPF柴油机颗粒捕集器(10)，对其颗粒进行过滤捕集净化；废气经由连接管(12)进入DPF柴油机颗粒捕集器(10)，可实现DPF柴油机颗粒捕集器(10)的反吹再生，即废气先进入DPF柴油机颗粒捕集器(10)时，长时间沉积在左侧通道内的、不能利用化学再生方式去除的颗粒，可通过逆向的气流，对其进行清除。
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