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用于排氣設施的混合器及SCR系統.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510923511.5

申請日:

2015.12.11

公開號:

CN105464764A

公開日:

2016.04.06

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F01N 3/28申請日:20151211|||公開
IPC分類號: F01N3/28 主分類號: F01N3/28
申請人: 濰柴動力股份有限公司
發明人: 李志杰; 王作峰; 馮佳佳; 唐蛟; 高翔
地址: 261061山東省濰坊市高新技術產業開發區福壽東街197號甲
優先權:
專利代理機構: 北京路浩知識產權代理有限公司11002 代理人: 李相雨
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510923511.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.04.03|||2016.05.04|||2016.04.06

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種用于排氣設施的混合器及SCR系統。該用于排氣設施的混合器包括:氣體旋流器和液體分散器;所述氣體旋流器的形狀為殼體,所述氣體旋流器包括進氣口,所述氣體旋流器在與所述進氣方向垂直的方向設有相對的第一孔和第二孔;所述液體分散器的一端穿過所述第二孔與所述氣體旋流器垂直連接;所述氣體旋流器的第一孔用于導入由噴嘴噴出的還原劑;所述液體分散器設有至少一個影響氣體流向的葉片,所述葉片位于所述氣體旋流器的內部;所述液體分散器設有多個通孔,所述通孔位于所述氣體旋流器的外部,用于分散由氣體旋流器導入的還原劑。本發明使還原劑分布均勻,避免結晶,提高了選擇性催化還原反應的效率。

權利要求書

1.一種用于排氣設施的混合器,其特征在于,包括:
氣體旋流器(71)和液體分散器(72);
所述氣體旋流器(71)的形狀為殼體,所述氣體旋流器(71)包
括進氣口(711),所述氣體旋流器(71)在與進氣方向垂直的方向設
有相對的第一孔(712)和第二孔(713);
所述液體分散器(72)的一端穿過所述第二孔(713)與所述氣
體旋流器(71)垂直連接;
所述氣體旋流器(71)的第一孔(712)用于導入由噴嘴噴出的
還原劑;
所述液體分散器(72)靠近所述氣體旋流器(71)的一端設有至
少一個影響氣體流向的葉片(721),所述葉片(721)位于所述氣體
旋流器(71)的內部;
所述液體分散器(72)遠離所述氣體旋流器(71)的一端設有多
個通孔(722),所述通孔(722)位于所述氣體旋流器(71)的外部,
用于分散由氣體旋流器(71)導入的還原劑。
2.根據權利要求1所述的用于排氣設施的混合器,其特征在于,
所述液體分散器(72)的形狀為圓柱形殼體;
相應地,所述氣體旋流器(71)包括第一區域(711’)和第二區
域(712’);
所述進氣口(711)位于所述第一區域(711’)的遠離所述第二
區域(712’)的一側;
所述第二區域(712’)設有相對的第一孔(712)和第二孔(713),
所述第一孔(712)和第二孔(713)的形狀為圓形。
3.根據權利要求2所述的用于排氣設施的混合器,其特征在于,
所述液體分散器(72)設有多個葉片(721),所述多個葉片(721)
均勻地分布于所述液體分散器(72)的圓周方向。
4.根據權利要求2所述的用于排氣設施的混合器,其特征在于,
所述葉片(721)相對于所述液體分散器(72)的圓周切線方向
的傾斜角可調。
5.根據權利要求2所述的用于排氣設施的混合器,其特征在于,
所述液體分散器上(72)的多個通孔(722)均勻地分布于所述
液體分散器(72)的壁面上。
6.根據權利要求2所述的用于排氣設施的混合器,其特征在于,
還包括:流場控制導流孔(714);
所述流場控制導流孔(714)位于所述氣體旋流器(71)的第二
區域(712’)靠近所述葉片(721)的側壁上,所述流場控制導流孔
(714)為所述側壁上的通孔。
7.根據權利要求6所述的用于排氣設施的混合器,其特征在于,
所述流場控制導流孔(714)的形狀為長方形。
8.根據權利要求1所述的用于排氣設施的混合器,其特征在于,
還包括:氣體加速管;
所述氣體加速管位于所述氣體旋流器設有進氣口的一端,用于加
速所述混合器內的氣體流動。
9.根據權利要求8所述的用于排氣設施的混合器,其特征在于,
所述氣體加速管位于所述氣體旋流器的內部或外部。
10.一種SCR系統,其特征在于,包括權利要求1-9任一項所述
的用于排氣設施的混合器。

說明書

用于排氣設施的混合器及SCR系統

技術領域

本發明涉及尾氣處理領域,尤其涉及一種用于排氣設施的混合器
及SCR系統。

背景技術

選擇性催化還原(SelectiveCatalyticReduction,SCR)技術是一
種利用氨、氨水、尿素或烴類為還原劑,在氧濃度高出氮氧化物濃度
兩個數量級以上的條件下,高選擇性地優先把氮氧化物還原為氮氣的
技術。通過SCR系統處理后,使柴油機尾氣滿足排放法規。催化的作
用是降低分解反應的活化能,使其反應溫度降低至合適的溫度區間。

選擇性催化還原轉化器也被稱為降氮氧化物(DeNOx)催化轉化
器。在車用柴油機上最常用的催化劑和還原劑分別是V2O5/TiO2基金
屬氧化物型催化劑和尿素水溶液。尿素溶液噴霧與排氣的混合、噴霧
的蒸發及分解是SCR系統工作的一個重要環節,對SCR系統中結晶、
尿素利用率、NOx轉化效率都有著很大的影響。以尿素作為還原劑還
原NOx,尿素不僅以氨氣的形式參加還原反應,而且它分解的副產物
異氰酸(HNCO)也能還原NOx,同時尿素分解過程中產生的水蒸氣
有助于抑制高溫下NH3被直接氧化為NOx的幾率。

SCR技術的基本原理是向排氣中噴射燃油或者添加其他還原劑,
選擇合適的催化劑,促進還原劑與NOx反應,同時抑制還原劑被排氣
中的氧氣氧化。現有SCR技術按照還原劑的種類可以分為以尿素分解
產生的NH3作為還原劑的尿素SCR技術和以碳氫作為還原劑的碳氫
SCR技術兩類。目前碳氫SCR技術仍在進一步的研究當中,實際應用
不多;而尿素SCR技術較為成熟,實際應用較多。

圖1示出了現有的尿素SCR系統的結構示意圖。如圖1所示,現有
的尿素SCR系統包括:空氣壓縮機1、空氣罐2、尿素箱3、尿素泵4、
控制單元5、DOC6、混合器7、氨氧化催化器8、尿素水溶液溫度傳
感器9、液位傳感器10、質量傳感器11、排溫傳感器12、NOx傳感器
13和NH3傳感器14。

混合器對于SCR系統性能有重要影響,混合器不僅可以促進尿素
和排氣混合,優化尿素分布,還能減少沉積物的生成和氨泄漏,此外
設計混合器時還要考慮排氣流經混合器使得壓力損失和混合器的制
造方便性,即混合器評價指標包括:還原劑分布均勻性、系統NOx轉
化效率的提高、壓力損失、機械耐久性和熱應力分析、加工方便性與
沉積物生產量。

實際應用中,在發動機實際運行中,排氣溫度、排氣流速、噴嘴
安裝位置、噴束水溶液噴射速率、噴霧特性及管壁內壁面是否粗糙等
多個因素均會影響到尿素的分解以及沉積物的生成。尿素水溶液以噴
霧的形式噴射到混合腔內與排氣混合。噴霧中的液滴受熱蒸發分解,
在此過程中一部分液滴主要與排氣換熱,直接吸收排氣的熱量完成蒸
發分解,也有一部分液滴會碰到壁面上并與壁面換熱,直接吸收壁面
的熱量。

根據SCR系統的結構不同,可將SCR系統分為集成式SCR系統和
分體式SCR系統。集成式SCR系統指將混合器與載體部分封裝在一個
箱體中的封裝形式;分體式SCR系統混合器安裝在SCR箱前面的管路
上,箱體中只有載體部分的封裝形式。圖1中示出的是分體式SCR系
統的結構示意圖。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是:現有的混合器中還原劑分布不均
勻、容易結晶導致的選擇性催化還原反應效率低的問題。

為解決上述技術問題,本發明一方面提出了一種用于排氣設施的
混合器,該用于排氣設施的混合器包括:

氣體旋流器和液體分散器;

所述氣體旋流器的形狀為殼體,所述氣體旋流器包括進氣口,所
述氣體旋流器在與進氣方向垂直的方向設有相對的第一孔和第二孔;

所述液體分散器的一端穿過所述第二孔與所述氣體旋流器垂直
連接;

所述氣體旋流器的第一孔用于導入由噴嘴噴出的還原劑;

所述液體分散器靠近所述氣體旋流器的一端設有至少一個影響
氣體流向的葉片,所述葉片位于所述氣體旋流器的內部;

所述液體分散器遠離所述氣體旋流器的一端設有多個通孔,所述
通孔位于所述氣體旋流器的外部,用于分散由氣體旋流器導入的還原
劑。

可選地,所述液體分散器的形狀為圓柱形殼體;

相應地,所述氣體旋流器包括第一區域和第二區域;

所述進氣口位于所述第一區域的遠離所述第二區域的一側;

所述第二區域設有相對的第一孔和第二孔,所述第一孔和第二孔
的形狀為圓形。

可選地,所述液體分散器設有多個葉片,所述多個葉片均勻地分
布于所述液體分散器的圓周方向。

可選地,所述葉片相對于所述液體分散器的圓周切線方向的傾斜
角可調。

可選地,所述液體分散器上的多個通孔均勻地分布于所述液體分
散器的壁面上。

可選地,該混合器還包括:流場控制導流孔;

所述流場控制導流孔位于所述氣體旋流器的第二區域靠近所述
葉片的側壁上,所述流場控制導流孔為所述側壁上的通孔。

可選地,所述流場控制導流孔的形狀為長方形。

可選地,該混合器還包括:氣體加速管;

所述氣體加速管位于所述氣體旋流器設有進氣口的一端,用于加
速所述混合器內的氣體流動。

可選地,所述氣體加速管位于所述氣體旋流器的內部或外部。

本發明另一方法提出了一種包括上述用于排氣設施的混合器的
SCR系統。

本發明提出的用于排氣設施的混合器及SCR系統,通過提高混
合器壁面附近內外兩側的氣體流速,使還原劑均勻分布,降低了壁面
附近結晶風險;通過提高空氣流速,增加了空氣中液滴的蒸發速度,
提高蒸發率及還原劑利用率,提高了選擇性催化還原反應的效率。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特征和優點,附圖是示
意性的而不應理解為對本發明進行任何限制,在附圖中:

圖1示出了現有的尿素SCR系統的結構示意圖;

圖2示出了本發明一個實施例的用于排氣設施的混合器結構示意
圖;

圖3示出了氣體旋流器的俯視結構示意圖;

圖4示出了氣體旋流器的仰視圖;

圖5示出了本發明一個實施例的用于排氣設施的混合器的局部結
構示意圖;

圖6示出了本發明一個實施例的用于排氣設施的混合器的局部結
構示意圖;

圖7示出了本發明一個實施例的SCR系統的結構示意圖。

圖8示出了圖7的剖視圖。

圖1-圖8中:

1空氣壓縮機、2空氣罐、3尿素箱、4尿素泵、5控制單元、6DOC、
7混合器、8氨氧化催化器、9尿素水溶液溫度傳感器、10液位傳感器、
11質量傳感器、12排溫傳感器、13NOx傳感器、14NH3傳感器;

71氣體旋流器、72液體分散器;

711進氣口、712第一孔、713第二孔、714流場控制導流孔;

721葉片、722通孔;

711’第一區域、712’第二區域。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的實施例進行詳細描述。

圖2-圖6示出本發明一個實施例的用于排氣設施的混合器的結構
示意圖。如圖2-圖6所示,該用于排氣設施的混合器包括:

氣體旋流器71和液體分散器72;

氣體旋流器71的形狀為殼體,氣體旋流器71包括進氣口711,氣
體旋流器71在與進氣方向垂直的方向設有相對的第一孔712和第二孔
713;

液體分散器72的一端穿過第二孔713與氣體旋流器71垂直連接;

氣體旋流器71的第一孔712用于導入由噴嘴噴出的還原劑;

液體分散器72靠近氣體旋流器71的一端設有至少一個影響氣體
流向的葉片721,葉片721位于氣體旋流器71的內部;

液體分散器72遠離氣體旋流器71的一端設有多個通孔722,所述
通孔722位于氣體旋流器71的外部,用于分散由氣體旋流器71導入的
還原劑。

本實施例的用于排氣設施的混合器在工作時,噴嘴通過第一孔向
混合器噴射還原劑,例如尿素。葉片對混合器迎風平面傾斜一個角度,
混合器葉片的導流作用較大,使氣流形成大的渦流;混合器與尿素噴
嘴垂直安裝放置,噴霧的噴射方向與排氣流動方向垂直,混合器首先
對排氣造成強烈的擾流,再通過氣流帶動尿素噴霧來產生促進混合的
作用,混合的動力來源是氣流的擾動。氣體旋流器大大促進了混合器
固體壁面附近氣體流速,渦流的行程與液體分散器的結合,大大降低
尿素沉積形成結晶的風險。尿素噴霧在氣體旋流器與液體分散器的作
用下,在混合器中均勻分布,并通過液體分散器上的通孔被進一步分
散、混合,減少結晶,提高了選擇性催化還原反應的效率。

本實施例提出的用于排氣設施的混合器,通過提高混合器壁面附
近內外兩側的氣體流速,使還原劑均勻分布,降低了壁面附近結晶風
險;通過提高空氣流速,增加了空氣中液滴的蒸發速度,提高蒸發率
及還原劑利用率,提高了選擇性催化還原反應的效率。

在一種可選的實施方式中,液體分散器72的形狀為圓柱形殼體;

相應地,氣體旋流器71包括第一區域711’和第二區域712’;

進氣口711位于第一區域711’的遠離第二區域712’的一側;

第二區域712’設有相對的第一孔712和第二孔713,第一孔712和
第二孔713的形狀為圓形。

圓柱形構造的混合器能使尿素噴霧分布更加均勻。

進一步地,液體分散器72設有多個葉片721,多個葉片721均勻地
分布于液體分散器72的圓周方向。

優選地,葉片721相對于液體分散器72的圓周切線方向的傾斜角
可調。

葉片結構可直接由鐵板剪切加工而成,簡單易行,結構牢固可靠。

在實際應用中,可根據空氣流場的需要設置葉片相對液體分散器
的圓周切線方向的傾斜角。

液體分散器上72的多個通孔722均勻地分布于液體分散器72的壁
面上。

多個葉片均勻地分布于液體分散器的圓周方向,與360度通孔相
配合,使混合效果達到最佳,混合腔內尿素水溶液噴霧粒徑明顯減小,
在相同條件下噴霧液滴粒徑越小,噴霧蒸發分解越快,尿素溶液得到
充分利用,在顯著提升氮氧轉化效率的情況下,實現了避免尿素過度
沉積的目的。

該實施方式的用于排氣設施的混合器還包括:流場控制導流孔
714;

流場控制導流孔714位于氣體旋流器71的第二區域712’靠近葉片
721的側壁上,流場控制導流孔714為所述側壁上的通孔。

優選地,流場控制導流孔714的形狀為長方形。

葉片周圍根據混合器所安裝的空間結構不同布置合適的開孔角
度及寬度的流場控制導流孔,形成較為合適的混合流場。

本實施方式充分考慮空氣動力學,葉片周圍的流場控制導流孔可
以將一部分氣流分流,可以實現降低混合器壓損以及靈活控制混合器
外部混合空間內流場的目的。

進一步地,該實施方式的用于排氣設施的混合器還包括:氣體加
速管(圖中未示出);

所述氣體加速管位于氣體旋流器71設有進氣口711的一端,用于
加速所述混合器內的氣體流動。

氣體加速管可以根據實際需要設于氣體旋流器71的內部或外部。

氣體流速的增加大大促進了尿素水溶液的蒸發速度,進而提升
NH3的生成速率,有助于提升尿素利用率及NOx的轉化效率。

圖7示出了本發明一個實施例的SCR系統的結構示意圖,圖8是其
剖視圖。如圖8所示,該SCR系統包括上述用于排氣設施的混合器。
圖8中混合器與載體部分封裝在一個箱體中,為集成式SCR系統。在
實際應用中,根據合理的空間布置,上述混合器還可以應用于分體式
的SCR系統中。

本發明的SCR系統在工作時,流場控制導流孔加速混合器內外兩
側氣流旋轉速度的同時,通過導流孔外側過去的空氣控制混合器出來
的氣體或尿素粒子在SCR箱內的流向,優化混合路徑,相對于目前存
在的混合裝置:通過提高壁面附近內外兩側的氣體流速,降低了壁面
附近結晶風險;通過提高空氣流速,增加了空氣中液滴的蒸發速度,
提高最終的蒸發率及尿素利用率;由于蒸發比較快,在整個混合路徑
中增加了水解及熱解的時間,NH3與排氣有更加充分的混合時間,進
而提高了均勻度,提高了載體本身的利用率,相同邊界條件下提高
NOx轉化效率及催化劑載體的壽命。

本發明提出用于排氣設施的混合器及SCR系統,通過提高混合
器壁面附近內外兩側的氣體流速,使還原劑均勻分布,降低了壁面附
近結晶風險;通過提高空氣流速,增加了空氣中液滴的蒸發速度,提
高蒸發率及還原劑利用率,提高了選擇性催化還原反應的效率。

雖然結合附圖描述了本發明的實施方式,但是本領域技術人員可
以在不脫離本發明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型,這樣
的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的范圍之內。

關 鍵 詞:
用于 排氣 設施 混合器 SCR 系統
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