后处理系统和处理废气的方法与流程

1.本发明涉及后处理系统。更具体地，本发明涉及一种具有发动机和后处理系统的发动机系统，以及处理离开发动机的废气的方法。


背景技术：

2.为了符合排放规定标准，发动机系统包括用于减少和转化可能在废气中存在的氮氧化物(nox)的后处理系统。在废气排出到大气中之前，后处理系统处理并减少在废气中存在的nox。
3.进一步地，从燃烧氨作为主要燃料的发动机排出的废气包括较高浓度的nox和氨。目前在工业中正在研究的用于处理离开这种以氨为燃料的发动机的废气的后处理系统通常包括双床系统。双床系统包括氧化催化剂和选择性催化还原(scr)设备。氧化催化剂将氨氧化成nox。进一步地，离开氧化催化剂的废气包括较高浓度的nox，而氨浓度最小或没有。然后废气通过scr设备，scr设备将废气中的nox减少为双原子氮(n2)和水(h2o)。
4.在废气进入scr设备之前，还原剂通常被定量供给到通过后处理系统的废气中。在以氨为燃料的发动机中，这种双床系统需要较大的scr设备和较大量的还原剂，还原剂在废气通过scr设备之前由于氧化催化剂中产生的nox而被定量供给到废气中。还原剂的量的增加又会增加后处理系统的总操作成本，这是不期望的。
5.美国专利第8,889,587号描述了一种包括第一催化组合物的催化剂系统，第一催化组合物包括设置在金属无机载体上的第一催化材料。金属无机载体具有孔和至少一种促进金属。催化剂系统还包括第二催化组合物，其包括沸石或设置在第一基材上的第一催化材料，第一催化材料包括选自钨、钛和钒组成的组中的元素。催化剂系统进一步包括第三催化组合物。催化剂系统包括配置成输送还原剂和任选的共还原剂的输送系统。还提供了包括第一催化组合物、第二催化组合物和第三催化组合物的催化剂系统。


技术实现要素：

6.在本发明的一方面中，提供了一种用于处理离开发动机的废气的后处理系统。后处理系统包括第一选择性催化还原(scr)设备，其与发动机流体连通并且在废气流动路径中定位在发动机的下游。第一scr设备接收离开发动机的废气，用于减少废气中存在的第一数量的氮氧化物(nox)。后处理系统还包括氧化催化剂，其与第一scr设备流体连通并且在废气流动路径中定位在第一scr设备的下游。氧化催化剂接收离开第一scr设备的废气，用于将废气中存在的氨氧化成第二数量的nox。后处理系统进一步包括第二scr设备，其与氧化催化剂流体连通并且在废气流动路径中定位在氧化催化剂的下游。第二scr设备接收离开氧化催化剂的废气以减少第二数量的nox。
7.在本发明的另一方面中，提供了一种发动机系统。发动机系统包括在其操作期间燃烧氨作为主要燃料的发动机。发动机系统还包括用于处理离开发动机的废气的后处理系统。后处理系统包括第一scr设备，其与发动机流体连通并且在废气流动路径中定位在发动
机的下游。第一scr设备接收离开发动机的废气，用于减少废气中存在的第一数量的nox。后处理系统还包括氧化催化剂，其与第一scr设备流体连通并且在废气流动路径中定位在第一scr设备的下游。氧化催化剂接收离开第一scr设备的废气，用于将废气中存在的氨氧化成第二数量的nox。后处理系统进一步包括第二scr设备，其与氧化催化剂流体连通并且在废气流动路径中定位在氧化催化剂的下游。第二scr设备接收离开氧化催化剂的废气以减少第二数量的nox。
8.在本发明的又一方面，提供了一种处理离开发动机的废气的方法。发动机在其操作期间燃烧氨作为主要燃料。方法包括通过后处理系统的第一scr设备接收离开发动机的废气以减少废气中存在的第一数量的nox。第一scr设备与发动机流体连通并且在废气流动路径中定位在发动机的下游。方法还包括通过后处理系统的氧化催化剂接收离开第一scr设备的废气，以将废气中存在的氨氧化成第二数量的nox。氧化催化剂与第一scr设备流体连通并且在废气流动路径中定位在第一scr设备的下游。方法进一步包括通过后处理系统的第二scr设备接收离开氧化催化剂的废气以减少第二数量的nox。第二scr设备与氧化催化剂流体连通并且在废气流动路径中定位在氧化催化剂的下游。
9.根据以下描述和附图，本发明的其它特征和方面将是显而易见的。
附图说明
10.图1是根据本发明的具有发动机和后处理系统的发动机系统的示意图；
11.图2是根据本发明的具有发动机和后处理系统的另一发动机系统的示意图；以及
12.图3是用于处理离开发动机的废气的方法的流程图。
具体实施方式
13.只要可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的零件。只要可能，在所有附图中使用相应或相似的附图标记来表示相同或相应的零件。
14.图1示出了根据本发明的实施例的发动机系统100的示意图。发动机系统100可以用于多种机器(未示出)，包括但不限于诸如建筑机器的移动式机器，诸如泵或发电机的固定式机器等。发动机系统100包括发动机102。发动机102可以是内燃发动机，诸如往复活塞式发动机。
15.进一步地，发动机102在其操作期间燃烧氨作为主要燃料。更具体地，作为主要燃料的氨的燃烧产生用于驱动安装有发动机系统100的机器的机械动力。在一个示例中，氨可以构成发动机102的总燃料需求的至少80％。在一些示例中，氨可以构成发动机102的总燃料需求的90％-95％，或甚至高达100％。发动机102还可以在其操作期间被供应有二次燃料，诸如柴油、汽油等。
16.发动机102包括多个部件(未示出)，诸如曲轴、燃料系统、进气歧管、进气口、废气口等。进一步地，发动机102包括限定一个或多个燃烧室的多个气缸104。此外，基于氨的燃烧产生的废气被引导到发动机102的废气歧管106中。废气歧管106与气缸104流体连通。应当注意，离开发动机102的废气包括一定量的氨和氮氧化物(nox)，诸如存在于其中的一氧化氮(no)、一氧化二氮(n2o)和二氧化氮(no2)。
17.发动机系统100还包括用于处理离开发动机102的废气的后处理系统108。后处理
系统108用于在废气进入大气之前减少/消除废气中氨和nox的浓度。后处理系统108与发动机102的废气歧管106流体连通。废气沿着废气流动路径“f”流动通过后处理系统108。进一步地，后处理系统108可以包括各种部件(未示出)，诸如用于减少废气中的颗粒物含量的颗粒过滤器、氨逃逸催化剂(asc)等。
18.后处理系统108包括第一选择性催化还原(scr)设备110，其与发动机102流体连通并且在废气流动路径“f”中定位在发动机102的下游。第一scr设备110经由第一导管112与废气歧管106流体连通。在一些示例中，一个或多个混合器/挡板可以设置在第一导管112中，用于在废气通过第一scr设备110之前促进废气的混合。
19.离开发动机102的废气包括存在于其中的第一数量的nox和一定量的氨。第一scr设备110接收离开发动机102的废气，用于减少废气中存在的第一数量的nox。第一scr设备110包括滤毒罐和设置在滤毒罐内的一种或多种催化剂，用于促进从通过其中的废气中反应、减少和除去nox。催化剂可以由氧化钒、玻璃珠材料、沸石等制成，而不限制本发明的范围。第一scr设备110将nox转化为双原子氮(n2)和水(h2o)。本文所述的第一scr设备110体现为“被动scr阶段”，其中在废气中不引入氨的情况下促进nox的减少。更具体地，由于进入第一scr设备110的废气已经包括一定量的氨，因此在废气通过第一scr设备110之前没有还原剂被定量供给到废气中。当废气通过第一scr设备110时，废气中存在的氨与nox反应以在废气中产生n2和h2o。
20.后处理系统108还包括氧化催化剂114，其与第一scr设备110流体连通并且在废气流动路径“f”中定位在第一scr设备110的下游。如图1所示，第一scr设备110经由第二导管116与氧化催化剂114流体连通。在一些示例中，一个或多个混合器/挡板可以设置在第二导管116中，用于在废气通过氧化催化剂114之前促进废气的混合。在一个示例中，后处理系统108可以包括设置在第一scr设备110和氧化催化剂114之间的传感器(未示出)，以确定离开第一scr设备110的在废气中存在的氨/nox的数量。传感器可以设置在第二导管116中。这种传感器可以用于确定第一scr设备110的性能的反馈系统中。
21.氧化催化剂114包括滤毒罐和设置在滤毒罐中用于促进氨氧化的一种或多种催化剂。催化剂可以由涂有铂族金属催化剂的整块蜂窝状基材制成。离开第一scr设备110的废气中含有存在于其中的一定量的氨。氧化催化剂114接收离开第一scr设备110的废气，用于将废气中存在的氨氧化成第二数量的nox。在一些示例中，氧化催化剂114可以氧化no以将no转化为no2，由此改变废气中的no：no2的比率。在一个示例中，氧化催化剂114氧化废气中存在的所有氨。在其它示例中，离开氧化催化剂114的废气可以包括存在于其中的痕量氨。
22.后处理系统108包括用于确定废气中存在的nox的量的一个或多个传感器118、120。在所示实施例中，一个或多个传感器118、120包括设置在氧化催化剂114和第二scr设备124之间的第一传感器118，用于确定离开氧化催化剂114的废气中存在的nox的第二数量。第一传感器118设置在提供氧化催化剂114和第二scr设备124之间的流体连通的第三导管122中。第一传感器118可以用于反馈系统中以确定氧化催化剂114的性能。
23.第一传感器118是nox传感器，其通常是构建成检测离开氧化催化剂114的废气中的nox浓度的高温设备。nox传感器可以由陶瓷型金属氧化物制成。应当注意，后处理系统108可以包括任何数量的传感器，而不限制本发明的范围。
24.后处理系统108还包括用于对离开氧化催化剂114的废气中的还原剂进行定量供
给的还原剂定量供给系统126。还原剂包括氨或尿素。应当注意，还原剂可以包括本领域普通技术人员已知的定量供给到废气中的任何其它类型的流体。在所示实施例中，还原剂定量供给系统126将水溶液形式的氨定量供给到废气中以减少废气中存在的nox。
25.还原剂定量供给系统126包括还原剂喷射器128以将还原剂喷射到离开氧化催化剂114的废气中。在各种示例中，还原剂定量供给系统126可以具有单个还原剂喷射器或多个还原剂喷射器。在所示示例中，示出了单个还原剂喷射器128，而不限制本发明的范围。应当注意，基于废气中存在的nox的量来改变供给到废气中的还原剂的量。在一个示例中，还原剂喷射器128可以经控制以改变还原剂(即氨)的量，其被定量供给到废气中。
26.还原剂喷射器128设置在氧化催化剂114的下游并且在第三导管122内突出。如图所示，还原剂喷射器128定位在第一传感器118和第二scr设备124之间。还原剂定量供给系统126还包括贮存器130。在所示实施例中，贮存器130是包含氨并且向发动机102供应氨的氨燃料箱。还原剂定量供给系统126进一步包括泵132，用于在需要时将还原剂引向还原剂喷射器128。
27.如图所示，后处理系统108包括与一个或多个传感器118、120和还原剂定量供给系统126连通的控制器134，控制器134用于控制废气中定量供给的还原剂的量。在所示实施例中，控制器134与第一传感器118和还原剂喷射器128连通，用于控制被定量供给到废气中的还原剂的量。在一些示例中，控制器134可以与泵132连通。由第一传感器118确定的废气中的nox量被当作控制器134的输入。进一步地，基于来自第一传感器118的输入，控制器134控制被定量供给到废气中的还原剂的量。
28.后处理系统108还包括第二scr设备124，其与氧化催化剂114流体连通并且在废气流动路径“f”中定位在氧化催化剂114的下游。氧化催化剂114和第二scr设备124经由第三导管122流体连通。在一些示例中，一个或多个混合器/挡板可以设置在第三导管122中，用于在废气通过第二scr设备124之前促进废气的混合。
29.第二scr设备124包括滤毒罐和设置在滤毒罐内的一种或多种催化剂，用于促进从通过其中的废气中反应、减少和除去nox。催化剂可以由氧化钒、玻璃珠材料、沸石等制成，而不限制本发明的范围。更具体地，第二scr设备124接收离开氧化催化剂114的废气以减少第二数量的nox。本文描述的第二scr设备124体现为“主动scr阶段”，其中基于在废气通过第二scr设备124之前在废气中引入氨来促进nox的减少。更具体地，当废气通过第二scr设备124时，废气中存在的氨与废气中的nox反应以在废气中产生n2和h2o。
30.进一步地，在一个示例中，一个或多个传感器118、120包括设置在废气流动路径“f”中的第二scr设备124的下游的第二传感器120，用于确定离开第二scr设备124的废气中的nox的存在。第二传感器120与控制器134流体连通。第二传感器120是nox传感器，其通常是构建成检测离开第二scr设备124的废气中的nox浓度的高温设备。nox传感器可以由陶瓷型金属氧化物制成。在一个示例中，由第二传感器120检测到的nox的数量由控制器134用来精确地控制待定量供给到废气中的还原剂。此外，第二传感器120可以用于反馈系统中以确定第二scr设备124或后处理系统108本身的性能。
31.图2表示本发明的另一实施例。更具体地，图2示出了发动机系统200的示意图。在该实施例中，发动机系统200包括发动机202，其类似于与关于图1解释的发动机系统100相关联的发动机102。发动机系统200还包括用于处理离开发动机202的废气的后处理系统
208。后处理系统208包括第一scr设备210，其类似于与关于图1解释的发动机系统100相关联的第一scr设备110。第一scr设备210经由第一导管212联接到发动机202的废气歧管206。后处理系统208还包括氧化催化剂214和第二scr设备224，其类似于关于图1解释的与发动机系统100相关联的氧化催化剂114和第二scr设备124。氧化催化剂214经由第二导管216联接到第一scr设备210。
32.后处理系统208进一步包括第一传感器218、第二传感器220和控制器234，控制器234类似于关于图1解释的与发动机系统100相关联的第一传感器118、第二传感器120和控制器134。第一传感器218设置在氧化催化剂214的出口处，并突出到第三导管222内。后处理系统208还包括用于将还原剂定量供给到废气中的还原剂定量供给系统226。在该实施例中，还原剂为尿素。总体上，尿素为水溶液的形式。
33.如图2所示，还原剂定量供给系统226包括在其中储存尿素的贮存器230。进一步地，贮存器230经由泵232与还原剂喷射器228流体连通。还原剂喷射器228和泵232类似于关于图1解释的与发动机系统100相关联的还原剂喷射器128和泵132。进一步地，后处理系统208包括控制器234，控制器234类似于关于图1解释的与发动机系统100相关联的控制器134。控制器234基于废气中存在的nox的第二数量来控制被定量供给到离开氧化催化剂214的废气中的还原剂(即尿素)的量。尿素被喷射入流经第三导管222的废气中。
34.为了促进第二scr设备224中的nox减少，期望在废气进入第二scr设备224之前水解尿素。在废气通过水解催化剂236之前，将尿素定量供给到废气中。为了促进尿素的水解，后处理系统208包括设置在氧化催化剂214和第二scr设备224之间的水解催化剂236。水解催化剂236位于还原剂喷射器228附近。具体地，水解催化剂236设置在尿素定量供给位置和第二scr设备224之间。尿素定量供给位置可以限定为还原剂喷射器228定量供给尿素的位置。进一步地，水解催化剂236可以包括涂覆有包括但不限于钒、钨和二氧化钛的材料的金属或陶瓷基材。水解催化剂236允许尿素转化为氨。更具体地，在水解催化剂236中，尿素首先转化为异氰酸，然后转化为氨。
35.氧化催化剂214通过第三导管222与水解催化剂236流体连通。在所示示例中，水解催化剂236包括滤毒罐和设置在滤毒罐内的一种或多种催化剂。在其它示例中，水解催化剂236和第二scr设备224可以设置在相同的滤毒罐中，使得水解催化剂236沿废气流动路径“f”位于第二scr设备224的上游。进一步地，第二scr设备224经由第四导管238与水解催化剂236流体连通。在第二scr设备224中，在尿素在水解催化剂236中水解之后获得的氨与废气中的nox反应以产生n2和h2o，由此降低氨和nox的浓度。
36.工业实用性
37.将关于图1的发动机系统100解释当前部分。然而，应当注意，本文提供的细节同样适用于结合图2描述的发动机系统200。本发明涉及包括三床催化剂系统的后处理系统108。后处理系统108包括体现为被动scr设备的第一scr设备110，其不需要附加的还原剂剂量用于nox减少。进一步地，还原剂仅在体现为主动scr设备的第二scr设备124中添加。本文所述的后处理系统108利用较少量的氨来还原nox以降低废气中氨和nox的浓度。进一步地，定量供给的还原剂的量的减少又可以降低后处理系统108的操作成本和所有权。
38.而且，后处理系统108包括第一和第二传感器118、120以及控制器134，其允许精确控制被定量供给到废气中的还原剂的量。具体地，还原剂剂量基于废气中存在的nox的量。
该技术可以消除过量还原剂的剂量，并且还可以确保后处理系统108的改进的性能和与排放调节标准的一致性。进一步地，第一和第二传感器118、120允许确定废气中的nox浓度，这又允许后处理系统108的实时控制。而且，在还原剂是氨的示例中，氨可以容易地源自与发动机系统100相关联的燃料箱。
39.现在参见图3，示出了用于处理离开发动机102的废气的方法300的流程图。发动机102在其操作期间燃烧氨作为主要燃料。在步骤302，后处理系统108的第一scr设备110接收离开发动机102的废气，以用于减少废气中存在的第一数量的nox。进一步地，第一scr设备110与发动机102流体连通并且在废气流动路径“f”中定位在发动机102的下游。
40.在步骤304，后处理系统108的氧化催化剂114接收离开第一scr设备110的废气，以用于将废气中存在的氨氧化成第二数量的nox。进一步地，氧化催化剂114与第一scr设备110流体连通并且在废气流动路径“f”中定位在第一scr设备110的下游。
41.进一步地，后处理系统108的一个或多个传感器118、120确定废气中存在的nox的量。此外，后处理系统108的控制器134控制定量供给到废气中的还原剂的量。控制器134与一个或多个传感器118、120和还原剂定量供给系统126连通。
42.进一步地，还原剂定量供给系统126对离开氧化催化剂114的废气中的还原剂进行定量供给。还原剂包括氨或尿素。在还原剂是尿素的示例中，尿素被定量供给到离开氧化催化剂114的废气中，然后废气通过后处理系统108的水解催化剂136。水解催化剂136设置在尿素定量供给位置和第二scr设备124之间。
43.在步骤306，后处理系统108的第二scr设备124接收离开氧化催化剂114的废气以用于减少第二数量的nox。进一步地，第二scr设备124与氧化催化剂114流体连通并且在废气流动路径“f”中定位在氧化催化剂114的下游。
44.虽然已经参照上述实施例具体示出和描述了本发明的各方面，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所公开内容的精神和范围的情况下，可以通过对所公开的机器、系统和方法的修改来设想各种附加实施例。这样的实施例应当被理解为落入基于权利要求及其任何等同物确定的本发明的范围内。