专利名称：一种分段式固体尿素分解制氨装置的利记博彩app
技术领域：
本发明属于柴油机尾气净化领域，具体涉及一种分段式固体尿素分解制氨装置，该装置可应用于机动车尾气处理。
背景技术：
机动车尾气排放污染物中的NOx占全球NOx污染总量的20%，为了消除这些污染，满足日益严格的尾气排放标准，柴油车尾气后处理技术成为目前人们亟需发展的技术。目前，氨选择催化还原技术(SCR脱硝技术)被认为是最有效的去除机动车尾气中技术。SCR脱硝技术是在富氧的条件下，在催化剂的作用下，利用NH3作为还原剂，与尾气中的NOx发生如下氧化还原反应4NH3+4N0+02 = 4N2+6H20常见的氨气制备系统所使用的原料为液氨和氨水，是以氨的液态和水合物的形式存在，只要加热即可通过蒸发或者分解过程获得氨气，但是由于氨气有毒，不易储存，在运输过程中一旦泄露就会造成重大的安全事故。近年来，人们逐渐开发液态尿素选择催化还原技术，使用尿素溶液作为SCR反应的还原剂，希望通过如下两个反应来制备氨气直接应用在SCR反应中(I)尿素的热解反应，温度高于152°C H2N-CO-NH2 (s) = = NH3 (g) +HNCO (g)(2)异氰酸的水解反应HNC0+H20 = = NH3 (g) +CO2 (g)但是尿素水溶液在低温的情况下，容易结冰，不易储存；并且在尿素水溶液热解过程中，为使尿素中的水蒸发，会消耗大部分能量。同时尿素会在分解过程中形成沉积物，沉积在SCR催化器表面,容易使催化剂失活。Catalysis B Environmental70 (2007) 91-99中的研究内容表明异氰酸水解催化剂在遇到尾气中的NOx时催化剂表面会沉积硝酸盐，导致水解催化剂失活。固体尿素选择催化还原技术(SSCR)利用固体尿素产生氨气，进入SCR催化器还原NOx,既继承了液态SCR技术的诸多优点，又解决了液态SCR的一系列问题，因此SSCR技术具有巨大的开发价值和市场应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于机动车尾气脱硝SSCR系统中的分段式固体尿素分解制氨装置及方法。本发明所述的装置是一种可以适合于柴油车尾气后处理技术中的尿素制氨装置，采用化学催化的方法，在水的作用下将尿素分解成二氧化碳和氨气。本发明利用尿素热解催化剂(Pt、Ag或Pd)加速尿素的热解过程，将尿素快速热解成含有氨气和异氰酸的混合气体=H2N-CO-NH2(S) = NH3(g)+HNCO(g);生成的异氰酸气体在异氰酸水解催化剂(固体酸催化剂SiO2-Al2O3)的催化下，与水蒸汽反应生成氨气和二氧化碳HNC0+H20 =NH3 (g)+CO2 (g)。随着经济的发展，国民汽车保有量持续增高，尾气排放量日益增加，去除尾气中的氮氧化物成为尾气后处理技术的主要要求，本发明创造正符合此要求。本发明所述的分段式尿素分解制氨装置由氨气反应罐2、按气流方向依次设置于氨气反应罐内的尿素热解催化装置3和异氰酸水解催化装置6组成；氨气反应罐2是内径为5 15厘米、厚度为4 8毫米、长度为10 20厘米的不锈钢罐，氨气反应罐2的前端设置有尿素进料口 1，后端设置有氨气输出口 10，在尿素进料口 I的旁边设置有水蒸汽输送导管9 (水蒸汽来自于汽车尾气)；在尿素热解催化装置3对应位置的氨气反应罐2的内侧设置有第一电加热装置4和第一温度传感器5 ;在异氰酸水解催化装置对应位置的氨气反应罐2的内侧设置有第二电加热装置7和第二温度传感器8 ;金属丝网与金属蜂窝载体焊接固定在反应te内部。
如图I所示，氨气反应罐2为不锈钢材料制作而成；熔融装置0内部通过电加热控制温度在130 150°C之间，粉末状或粒状的尿素通过熔融装置0加热至熔融状，由尿素进料口 I喷射进氨气反应罐2中的尿素热解催化装置3内；尿素热解催化装置3由涂覆有玻璃涂层及担载尿素热解催化剂(Pt、Ag或Pd)的多层金属丝网载体构成，玻璃涂层及尿素热解催化剂(Pt、Ag或Pd)的质量和为金属丝网载体质量的I 5%;在玻璃涂层及尿素热解催化剂中，Pt的质量百分含量为0. I 0. 5 %、Ag的质量百分含量为I 5 %或Pd的质量百分含量为0. I 0. 5%，其余为SiO2和Al2O3组成的玻璃涂层，玻璃涂层中SiO2质量百分含量为60 80% ;尿素热解催化装置3通过环绕设置于氨气反应罐内侧的第一加热装置4进行加热，第一加热装置4为电磁加热线圈，电磁加热线圈采用漆包线制成，单层平铺；匝数为40 60之间，每根漆包线的直径2 6mm。第一加热装置4由电子调节与控制单元E⑶通过指令传导线401进行控制，E⑶可以选用EDC7-6DL2，并且可以根据实际车型情况选用不同型号的E⑶。只有E⑶下达指令时，加热装置4才会开始加热。第一温度传感器5 (可以使用数字温度传感器，光纤温度传感器等)实时监测尿素热解催化装置3内部的温度，当装置中温度低于尿素热解温度(152°C )时，温度传感器通过指令传导线501传送信号至ECU，ECU就会立刻通过指令传导线401将反馈信号传送至第一加热装置4，使第一加热装置4开始加热。当装置中温度高于预先设定的极限值时，ECU通过指令传导线401控制加热装置停止加热。整个系统通过ECU和第一温度传感器5以及第一加热装置4之间的相互协调作用可以使尿素热解催化装置3内的温度维持在尿素热解温度范围内(152 400°C )。异氰酸水解催化装置6由涂覆异氰酸水解催化剂(SiO2-Al2O3)的金属蜂窝载体构成，异氰酸水解催化剂(SiO2-Al2O3)的质量为金属蜂窝载体质量的I 5%,异氰酸水解催化剂由SiO2和Al2O3组成，其中SiO2的质量百分含量为50% 60% ;异氰酸水解催化装置6内部同样设置有环绕于氨气反应罐内侧的第二加热装置7 (同样采用电磁加热线圈加热)和第二温度传感器8，都通过ECU进行控制和调节，当异氰酸水解催化装置6内的温度低于300°C时，第二温度传感器8就会将信号通过指令传导线801传送至E⑶，E⑶就会通过指令传导线701将信号反馈给第二加热装置7开启电加热程序进行加热，当第二温度传感器8测得水解装置6内部温度高于预先设定的温度值时，通过信号传送ECU就会发送指令使第二加热装置7停止加热。整个系统通过ECU和第二温度传感器8以及第二加热装置7之间的相互协调作用可以使异氰酸水解催化装置6内的温度维持在异氰酸水解温度范围内(300 500。。)。
图中9为水蒸汽输送导管，输送进氨气反应罐内部的水蒸汽通过尿素热解催化装置3，与尿素热解生成的含有异氰酸的混合气体混合后进入异氰酸水解催化装置6，水蒸汽与异氰酸在异氰酸水解催化装置6内通过异氰酸水解催化剂的催化作用反应生成氨气和二氧化碳。通入氨气反应罐内的水蒸汽的量与尿素进料口进入的尿素量的摩尔比为I
I.5 : I。尿素热解催化装置内的金属丝网以及异氰酸水解催化装置内金属蜂窝载体选用的金属载体均为北京北冶功能材料有限公司出售的耐高温(700 900°C )的Ni-Cr-Fe合金材料，其中Ni质量含量35 %，Cr质量含量20 %，Fe质量含量45 %，金属丝网孔径密度为300目，金属蜂窝载体孔径密度为300目。金属丝网以及金属蜂窝载体的直径与反应装置相匹配，金属蜂窝载体长度为5 15厘米。尿素热解催化剂选用Pt、Ag或Pd，异氰酸水解催化剂选用固体酸催化剂SiO2-Al2O315金属载体(包括金属丝网载体与金属蜂窝载体)的预处理I)首先将金属载体用氨水、过氧化氢与去离子水的混合溶液按体积比5 I I混合后碱洗0. 5 I小时；2)然后将金属载体用盐酸、过氧化氢与去离子水的混合溶液按体积比5 I I混合后进行酸洗5 10分钟；3)最后将金属载体在800 900°C高温下灼烧2 5小时。在预处理过的金属丝网载体上涂覆尿素热解催化剂的过程I、在金属丝网上载体上涂覆玻璃涂层I)以蒸馏水为溶剂，配制质量浓度为5 38%的九水硝酸铝(Al (NO3) 39H20)溶液；2)称取质量浓度为85 99%的乙醇4 20毫升、蒸馏水I 10毫升和质量浓度为65%的硝酸0. I 0. 3毫升，将三种溶液混合并均匀搅拌，再称取6 40克的正硅酸乙酯溶液，缓慢的将正硅酸乙酯以每I分钟3 5ml的速度倒入本步骤的混合溶液中并强力搅拌，最终形成透明澄清的溶液；3)取10 30g步骤2)制备的溶液缓缓注入到20 40g步骤I)的溶液中，同时强力搅拌0. 5 I小时，陈化8 15小时，得到玻璃涂层溶胶溶液；将预处理过的金属丝网载体浸入到玻璃涂层溶胶溶液中5 10分钟，然后取出，用吹风机吹干；重复浸入、取出、吹干过程3 5遍，然后在空气中于室温下利用脱脂棉、滤纸等吸附材料使金属丝网载体阴干2 12小时,最后在烘干箱里于空气中在60°C 180°C温度下干燥2 4个小时，随炉冷却，取出，从而得到表面涂有玻璃涂层的金属丝网载体。2、在金属丝网载体上涂覆催化剂I)将涂有玻璃涂层的金属丝网载体浸入贵金属银、钼或钯的硝酸盐的蒸馏水溶液中(先配制贵金属硝酸盐的蒸馏水溶液，浓度为硝酸银5 30wt%，硝酸钯I IOwt %，硝酸钼I IOwt% )5 10分钟，然后取出用吹风机吹干；重复上述浸入、取出、吹干过程3 5遍，然后在空气中于室温下利用脱脂棉、滤纸等吸附材料使金属丝网载体阴干2 12小时，最后在烘干箱里于空气中在60°C 150°C温度下干燥2 4个小时，随炉冷却，取出；2)将上述金属丝网载体在高温炉中，随炉升温到300 750°C温度下锻烧I 5个小时，随炉冷却，取出，从而制备得到涂覆尿素热解催化剂的金属丝网载体。图3、图4为制备的涂覆尿素热解催化剂的金属丝网载体的SEM照片。由照片可以看出尿素热解催化剂均匀的涂覆在金属丝网载体表面。在预处理过的金属蜂窝载体上涂覆异氰酸水解催化剂的过程 I)以蒸馏水为溶剂，配制质量浓度为5 38%的九水硝酸铝(Al (NO3) 3 9H20)溶液；2)称取质量浓度为85 99%的乙醇4 20毫升、蒸馏水I 10毫升和质量浓度为65%的硝酸0. I 0. 3毫升，将三种溶液混合并均匀搅拌，再称取6 40克的正硅酸乙酯溶液，缓慢的将正硅酸乙酯以每I分钟3 5ml的速度倒入本步骤的混合溶液中并强力搅拌，最终形成透明澄清的溶液；3)取10 30g步骤2)制备的溶液缓缓注入到40 60g步骤I)的溶液中，同时强力搅拌0. 5 I小时，陈化8 15小时，制成玻璃涂层凝胶溶液；将金属蜂窝载体浸入玻璃涂层溶液中5 10分钟，然后取出用吹风机吹干；重复上述浸入、取出、吹干过程3 5遍，再在空气中于室温下利用脱脂棉、滤纸等吸附材料使金属蜂窝载体阴干2 12小时，然后在烘干箱里于空气中在60V 180°C温度下干燥2 4个小时，随炉冷却，取出，得到表面涂有SiO2-Al2O3催化剂的金属蜂窝催化载体。图5为采用同种材质的金属片按照上述步骤涂覆SiO2-Al2O3催化剂后的SEM图片，由图中可以看出水解催化剂均匀涂覆在金属薄片载体表面。本发明专利有以下几个优点I、本发明装置采用分段式结构，该结构有效的将尿素的分解和异氰酸的水解过程分开，通过对温度的严格控制，减少副产物的产生。2、本发明中使用尿素热解催化剂和异氰酸水解催化剂，使尿素制氨的每一阶段都进行催化，降低反应温度，加速反应的进行，节省能量。
图I :分段式固体尿素分解制氨装置示意图图2 :分段式固体尿素分解装置应用于尾气排放系统方案示意图图3 :涂覆尿素热解催化剂的金属丝网载体的SEM照片；图4 :涂覆尿素热解催化剂的金属丝网载体的SEM照片；图5 :涂覆水解催化剂的金属薄片载体的SEM照片。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图以及实验，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例I :
图2表示本发明的装置的一个具体实施方案，在这个方案中，本发明所述的尿素分解制氨装置安装在尾气排放管道中尾气处理装置前面。在本方案中，当汽车尾气开始排放，E⑶通过指令传导线401以及701开启电加热装置的加热程序，使电加热装置4、7开始加热。图中装置11代表水蒸汽流量计，可以控制通过水蒸汽输送导管9进入氨气反应罐2中的气体流量，其中通过水蒸汽流量计11的水蒸汽的流量大小通过ECU控制，水蒸汽流量计11将感测到的水蒸汽流量值通过指令传送导线111传送至E⑶，E⑶再将反馈信号通过指令传送导线112传送回水蒸汽流量计11，控制水蒸汽的流量，具体水蒸汽的流量的需求是工作人员预先设定进ECU，根据实际应用可调节。尿素通过尿素进料口 I进入氨气反应罐2之后，首先在尿素热解催化装置3上热解，生成含有氨气和异氰酸的混合气体，异氰酸气体同水蒸汽输送导管9中输送进的汽车尾气中的水蒸汽混合，共同进入异氰酸水解催化装置6，在异氰酸水解催化装置6上异氰酸水解催化剂的作用下发生水解反应，生成二氧化碳和氨气的混合气体，最后通过导管10进入尾气流 中，参加下一步的在12中进行的SSCR脱硝反应。实施例2 将4. 94g (Al (NO3) 39H20溶于20g蒸馏水中形成溶液A ；将5. 712g无水乙醇溶液，3毫升蒸馏水，0. 2毫升质量浓度为65%的硝酸混合均匀搅拌，再称量6. 7695g正硅酸乙酯溶液，缓慢的将正硅酸乙酯以每I分钟4ml的速度倒入本步骤的混合溶液中并强力搅拌，最终形成透明澄清的溶液B ；将B液以2ml/min的速度倒入溶液A中，不断的强力搅拌0. 5小时，陈化12小时，
最终形成玻璃涂层溶胶溶液。取镍铬铁金属丝网5块，每块金属丝网为边长为5cm的正方形，金属丝网孔径为300目，进行发明内容中所述的预处理，然后将金属丝网载体浸入前面制备的涂层溶胶溶液中，每次浸入10分钟，取出后用吹风机吹干，反复浸入、取出、吹干过程3次，最后在空气中于室温下利用脱脂棉、滤纸等吸附材料使其阴干3小时，然后在烘干箱里于空气中在80°C温度下干燥3个小时，随炉冷却，取出，得到表面涂有玻璃涂层的金属丝网载体。取硝酸钼的水溶液100ml (lwt% )浸溃上述金属丝网载体10分钟，然后取出用吹风机吹干；重复上述浸入、取出、吹干过程3遍，最后在空气中于室温下利用脱脂棉、滤纸等吸附材料使其阴干6小时，然后在烘干箱里于空气中在80°C温度下干燥3个小时，随炉冷却，取出；最后在高温炉中，随炉升温到600°C温度下锻烧4个小时，随炉冷却，取出，从而制备得到涂覆尿素热解催化剂的金属丝网载体，玻璃涂层及尿素热解催化剂(Pt)的质量和为金属丝网载体质量的3% ;在玻璃涂层及尿素热解催化剂(Pt)中，各组份的质量百分含量为钼0. 5 %、二氧化硅74.75%、三氧化二铝24.75%。表I 是在 200°c、25(rc、30(rc、35(rc、40(rc温度下，通过综合热分析仪 STA409PCLuxx测量的在含有上述涂覆催化剂的金属丝网载体和不含涂覆催化剂的金属丝网载体的作用下，尿素在各个温度点通过测量质量计算得到的转化效率，下表表明尿素在涂覆催化剂的金属丝网的催化作用下，尿素在各个温度点的转化效率均提高了。表I :尿素转化效率
权利要求
1.一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于由氨气反应罐(2)、按气流方向依次设置于氨气反应罐(2)内的尿素热解催化装置(3)和异氰酸水解催化装置(6)组成；氨气反应罐(2)的前端设置有尿素进料口(I)，后端设置有氨气输出口(10)，在尿素进料口(1)的旁边设置有水蒸汽输送导管(9);在尿素热解催化装置(3)对应位置的氨气反应罐(2)的内侧设置有第一电加热装置(4)和第一温度传感器(5);在异氰酸水解催化装置对应位置的氨气反应罐(2)的内侧设置有第二电加热装置(7)和第二温度传感器(8);尿素热解催化装置(3)由涂覆有玻璃涂层SiO2-Al2O3及担载尿素热解催化剂Pt、Ag或Pd的多层金属丝网载体构成；异氰酸水解催化装置出)由涂覆异氰酸水解催化剂SiO2和Al2O3的金属蜂窝载体构成。
2.如权利要求I所述的一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于玻璃涂层及尿素热解催化剂的质量和为金属丝网载体质量的I 5% ;在玻璃涂层及尿素热解催化剂中，Pt、Ag或Pd的质量百分含量为O. I O. 5%,1 5%或O. I O. 5%，其余为SiOjPAl2O3组成的玻璃涂层，玻璃涂层中SiO2质量百分含量为60 80 %。
3.如权利要求I所述的一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于异氰酸水解催化剂的质量为金属蜂窝载体质量的I 5%，异氰酸水解催化剂由SiO2和Al2O3组成，其中SiO2的质量百分含量为50% 60%。
4.如权利要求I所述的一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于第一加热装置(4)和第二加热装置(5)为电磁加热线圈，电磁加热线圈采用漆包线制成，单层平铺；匝数为40 60之间，每根漆包线的直径2 6mm。
5.如权利要求I所述的一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于第一加热装置(4)和第一温度传感器(5)由电子调节与控制单元ECU通过指令传导线进行控制，使尿素热解催化装置(3)内的温度维持在尿素热解温度152 400°C的范围内。
6.如权利要求I所述的一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于第二加热装置(7)和第二温度传感器(8)由电子调节与控制单元ECU通过指令传导线进行控制，使异氰酸水解催化装置出)内的温度维持在异氰酸水解温度300 500°C的范围内。
7.如权利要求I所述的一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于由水蒸汽输送导管(9)通入氨气反应罐内(2)的水蒸汽的量与尿素进料口(I)进入氨气反应罐内(2)的尿素量的摩尔比为I I. 5 I。
8.如权利要求I所述的一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于金属丝网和金属蜂窝载体为耐700 900°C高温的Ni-Cr-Fe合金材料，其中Ni质量含量35%，Cr质量含量20 %，Fe质量含量45 %，金属丝网孔径密度为300目，金属蜂窝载体孔径密度为300目。
9.如权利要求I所述的一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于金属丝网和金属蜂窝载体通过焊接固定在氨气反应罐(2)的内部。
10.如权利要求I所述的一种分段式固体尿素分解制氨装置，其特征在于尿素分解制氨装置安装在汽车尾气排放管道中尾气处理装置的前面。
全文摘要
本发明属于柴油机尾气净化领域，具体涉及一种分段式固体尿素分解制氨装置，该装置可应用于机动车尾气处理。该装置由氨气反应罐、按气流方向依次设置于氨气反应罐内的尿素热解催化装置和异氰酸水解催化装置组成；氨气反应罐的前端设置有尿素进料口，后端设置有氨气输出口，在尿素进料口的旁边设置有水蒸气输送导管；尿素热解催化装置由涂覆有玻璃涂层SiO2-Al2O3及担载尿素热解催化剂Pt、Ag或Pd的多层金属丝网载体构成；异氰酸水解催化装置由涂覆异氰酸水解催化剂SiO2-Al2O3的金属蜂窝载体构成。本发明使用尿素热解催化剂和异氰酸水解催化剂，对尿素制氨的每一阶段都进行催化，降低反应温度，加速反应的进行，节省能量。
文档编号B01D53/56GK102635427SQ20121012226
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者周亮, 张克金, 张苡铭, 张贺, 曹雅彬, 李骏, 王磊, 韩建, 韩旭, 韩炜 申请人:吉林大学