УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИСПАРЕНИЯ РЕАГЕНТА
DEVICE AND METHOD OF REAGENT EVAPORATION

Изобретение относится к устройству и способу испарения реагента, прежде всего предшественника восстановителя или раствора предшественника восстановителя. Особенно предпочтительной областью применения изобретения является обеспечение восстановителями для селективного каталитического восстановления (СКВ) оксидов азота в отработавших газах (ОГ), образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Изобретение может прежде всего использоваться для испарения водного раствора мочевины.
x
Отработавшие газы, образующиеся при работе двигателей внутреннего сгорания, содержат вещества, выброс которых в окружающую среду нежелателен, и поэтому во многих странах существуют стандарты на токсичность ОГ. Так, например, в отработавших газах, образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания, часто присутствуют оксиды азота (NO), относительное содержание которых в ОГ можно сократить, с одной стороны, путем принятия конструктивных мер, заключающихся во внесении изменений во внутреннее устройство ДВС, например, путем подбора наиболее приемлемой его рабочей точки, а с другой стороны, путем обработки ОГ с целью снижения их токсичности. Одним из известных способов сокращения относительного содержания оксидов азота в отработавших газах, образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания, является селективное каталитическое восстановление оксидов азота, при котором используется избирательно действующий на оксиды азота восстановитель, например, аммиак.
Часто аммиак добавляют в ОГ в виде его предшественника, от которого может отщепляться аммиак или который может превращаться в аммиак в результате химической реакции. При этом обычно используют водный раствор мочевины, который прост и безопасен в хранении и который можно даже возить на автомобилях и иных подвижных средствах с двигателями внутреннего сгорания. Однако добавление такого раствора в ОГ в жидком виде может вызвать повреждение компонентов системы выпуска ОГ, например, носителей каталитических нейтрализаторов, поскольку относительно холодный водный раствор приводит к точечному охлаждению таких компонентов. Во избежание этого восстановитель, соответственно его предшественник можно также добавлять в ОГ в виде пара. Подобные процессы испарения предъявляют исключительно высокие требования к технике регулирования высокодинамичных систем, в которых относительное содержание оксидов азота в ОГ может быстро изменяться и в которых поэтому подача восстановителя в ОГ должна также происходить в высокодинамичном режиме.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ и устройство, которые обеспечивали бы возможность простого регулирования процесса испарения реагента.
Указанная задача решается с помощью устройства и способа, заявленных в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты выполнения предлагаемого в изобретении устройства и варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемое в изобретении устройство для испарения по меньшей мере одного из следующих реагентов: а) раствора предшественника восстановителя, б) предшественника восстановителя, имеет по меньшей мере одну нагревательную зону с электронагревом. Согласно изобретению нагревательная зона имеет по меньшей мере один электрический нагреватель с нагревательным резистором. Такой нагревательный резистор является саморегулирующимся около значимой температуры и характеризуется кривой изменения его электрического сопротивления в зависимости от температуры, которая (кривая) имеется по меньшей мере одна точка перегиба. Под саморегулирующимся подразумевается нагревательный резистор, который за счет изменения своего электрического сопротивления поддерживает определенную температуру, так называемую значимую или номинальную температуру. Речь при этом идет прежде всего о так называемых терморезисторах с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), на характеристике изменения сопротивления которых в зависимости от температуры имеется температурный интервал, в котором их сопротивление резко возрастает с увеличением температуры, и прежде всего температурный интервал, в котором подобное возрастание их сопротивления изменяется. Под восстановителем согласно изобретению в первую очередь подразумевается восстановитель для селективного каталитического восстановления оксидов азота. Особенно предпочтительно при этом применение аммиака в качестве такого восстановителя, и поэтому под предшественником восстановителя подразумеваются все те вещества, которые могут превращаться в аммиак в результате химической реакции или от которых может отщепляться аммиак. Под таким предшественником восстановителя прежде всего подразумевается водный раствор по меньшей мере одного предшественника аммиака. Речь при этом может идти, например, о водных растворах мочевины, выпускаемых под наименованием "AdBlue", или же о растворах мочевины и/или формиата аммония, выпускаемых, в частности, под наименованием "Denoxium".
В предпочтительном варианте предлагаемое в изобретении устройство для испарения реагента является частью устройства, предназначенного для селективного каталитического восстановления оксидов азота, содержащихся в ОГ, образующихся при работе ДВС, и имеющего СКВ-катализатор, который по ходу потока расположен за этим устройством для испарения реагента. В этом случае между устройством для испарения реагента и СКВ-катализатором предпочтительно предусматривать катализатор гидролиза предшественника восстановителя до собственно восстановителя. Согласно изобретению под двигателем внутреннего сгорания подразумеваются стационарные двигатели внутреннего сгорания, применяемые, например, на блочных тепловых электростанциях, и нестационарные двигатели внутреннего сгорания, применяемые, например, на наземных, воздушных и водных транспортных средствах. Предлагаемое в изобретении устройство предпочтительно использовать на подвижных средствах, т.е. на наземных транспортных средствах, автомобилях, включая грузовые и легковые автомобили, двухколесных транспортных средствах с двигателем, квадроциклах, вездеходах и водных и воздушных транспортных средствах.
Под точкой перегиба подразумевается точка на кривой изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры, в которой указанная кривая изменяет направление своей кривизны. В таких точках вторая производная от кривой изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры равна нулю.
Значимая температура характеризуется тем, что при этой температуре на кривой изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры происходит значимое изменение электрического сопротивления. Под значимым прежде всего подразумевается изменение, которое в численном выражении превышает 1 Ом/К. Под значимой температурой согласно изобретению подразумевается регулируемая температура, около которой саморегулирующийся нагреватель регулирует температуру. В предпочтительном варианте значимая температура находится в диапазоне рабочей температуры предлагаемого в изобретении устройства, т.е. в основном находится в пределах ±5°С от рабочей температуры. Особое преимущество, связанное с тем характером, который кривая изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры носит в окрестности значимой температуры, проявляется в появлении у нагревателя свойства саморегулирования. В предпочтительном варианте кривая изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры имеет на этом участке, а также около точки перегиба положительный наклон. Связанное с этим особое преимущество состоит в получении саморегулирующегося нагревательного резистора, поскольку положительный наклон кривой изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры равнозначен возрастанию электрического сопротивления с увеличением температуры. В связи с тем, что мощность нагрева обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, с увеличением электрического сопротивления мощность нагрева снижается, в результате чего происходит снижение температуры в сторону заданной.
Кроме того, в предлагаемом в изобретении устройстве кривая изменения электрического сопротивления нагревательного резистора в зависимости от температуры имеет по меньшей мере одну точку перегиба, а кривая производной от этой кривой изменения электрического сопротивления имеет в области температуры, соответствующей указанной точке перегиба, полную ширину на уровне полумаксимума, численно равную температуре максимум 40 К. При такой полной ширине на уровне полумаксимума удается реализовать регулирующий контур с исключительно высоким быстродействием, поскольку столь быстрое изменение сопротивления с ростом температуры приводит к быстрому изменению температуры саморегулирующегося нагревательного резистора. Предпочтительно при этом, чтобы полная ширина на уровне полумаксимума составляла максимум 20 К, наиболее предпочтительно максимум 10 К.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства кривая изменения электрического сопротивления характеризуется наличием значимой температуры, которая соответствует рабочей температуре нагревательной зоны.
В этом варианте температура нагревательного резистора постоянно стремится достичь значения, которое соответствует рабочей температуре нагревательной зоны. Под соответствием значимой температуры рабочей температуре нагревательной зоны подразумевается также, в частности, выбор значимой температуры таким образом, чтобы она с учетом конструктивного исполнения нагревателя, прежде всего с учетом возможных потерь тепла, обеспечивала наличие у нагревательной зоны рабочей температуры, когда нагревательный резистор, соответственно нагреватель имеет значимую температуру. Подобное условие можно также использовать, например, для целенаправленного отвода тепла от соответствующих нагревательных элементов, у которых температура, соответствующая точке перегиба, превышает рабочую температуру, вследствие чего значимой температуре нагревателя в основном соответствует рабочая температура нагревательной зоны.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства нагревательная зона имеет по меньшей мере одну из следующих структур:
а) испарительный объем, пригодный для испарения реагента, и
б) нагревательный объем, пригодный для нагрева превратившегося в пар реагента.
Так, в частности, нагрев реагента прежде всего позволяет также обеспечить по меньшей мере частичный пиролиз или термолиз, т.е. термическое разложение, предшественника восстановителя до восстановителя.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства кривая изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры имеет в области значимой температуры подъем, численно превышающий 1 Ом/К.
Подобное возрастание электрического сопротивления в функции температуры зарекомендовало себя как наиболее предпочтительное. При изменении же электрического сопротивления в зависимости от температуры на величину менее 1 Ом/К нагревательный резистор имеет слишком низкую скорость регулирования температуры.
В следующем предпочтительным варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства по меньшей мере один нагревательный резистор выполнен из по меньшей мере одного из следующих материалов:
а) материала, обладающего свойствами терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС),
б) титанатной керамики,
в) легированной титанатной керамики,
г) керамики на основе титаната бария.
3
Электрическое сопротивление терморезистора с положительным ТКС с увеличением температуры повышается по меньшей мере в определенном интервале температур. Титанатная керамика и прежде всего легированная титанатная керамика могут использоваться в качестве терморезистора с положительным ТКС прежде всего в своей поликристаллической форме. Под керамикой на основе титаната бария подразумевается прежде всего BaTiO.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства значимая температура на кривой изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры составляет от 140 до 180°С.
Особенно предпочтителен при этом интервал температур от 140 до 150°С. При более высоких температурах не исключена возможность закупоривания соответствующей нагревательной зоны из-за значительного увеличения количества продуктов протекающих в этом случае нежелательных побочных реакций. Рабочая температура в пределах от 140 до 150°С и соответствующим образом выбранные диапазоны температур, соответствующих точкам перегиба, зарекомендовали себя в качестве наиболее предпочтительных главным образом при применении водных растворов мочевины. При этом происходит в основном полное испарение водных растворов, под которым подразумевается прежде всего испарение водного раствора мочевины в количестве 95 мас.% и более.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства значимая температура на кривой изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры составляет по меньшей мере 300°С.
В этом случае речь в первую очередь идет о нагревательной зоне, которая может служить для нагрева уже превратившегося в пар раствора предшественника восстановителя или для нагрева предшественника восстановителя. При таких температурах прежде всего происходят по меньшей мере частичные термолиз и пиролиз предшественника восстановителя, и поэтому возможно предусмотренный далее по ходу потока ОГ катализатор гидролиза можно выполнять меньших размеров или даже можно полностью отказаться от его применения.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства оно имеет по меньшей мере один саморегулирующийся нагревательный резистор.
Под саморегулирующимся подразумевается нагревательный резистор, который без применения дополнительной техники регулирования позволяет принципиально поддерживать заданную температуру. Под саморегулирующимися нагревательными резисторами в первую очередь подразумеваются полупроводники с положительным ТКС или позисторы.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ испарения по меньшей мере одного из следующих реагентов: а) раствора предшественника восстановителя, б) предшественника восстановителя, осуществляемый с помощью описанного выше устройства. При этом реагент электрическим нагревателем с по меньшей мере одним нагревательным резистором, саморегулирующимся около значимой температуры, нагревают до заданной температуры, которая соответствует значимой температуре.
Преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в исключительно простом, быстром и эффективном регулировании тепловой мощности испарителя предшественника восстановителя и/или раствора предшественника восстановителя.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа по меньшей мере один нагревательный резистор является саморегулирующимся.
Наиболее предпочтителен вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа, в котором заданная температура, прежде всего при испарении водного раствора мочевины, составляет от 140 до 180°С, наиболее предпочтительно от 140 до 150°С.
Заданная температура, лежащая в указанных пределах, зарекомендовала себя как наиболее предпочтительная, поскольку при таких температурах происходит в основном полное испарение раствора предшественника восстановителя без образования отложений продуктов побочных реакций в нагревательной зоне.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа заданная температура составляет по меньшей мере 300°С.
Подобная температура зарекомендовала себя как предпочтительная прежде всего для нагрева превращенного в пар раствора предшественника восстановителя и тем самым для по меньшей мере частичного термолиза и/или пиролиза предшественника восстановителя до восстановителя.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа реагент представляет собой по меньшей мере одно из следующих веществ:
2
2
а) мочевину ((NH)CO),
4
б) формиат аммония (HCOONH),
2
4
в) карбамат аммония (HNCOONH),
4
2
3
г) карбонат аммония ((NH)СО),
4
3
д) бикарбонат аммония (NHHCO),
4
2
2
4
е) оксалат аммония ((NH)(CO)),
4
ж) гидроксид аммония (NHOH),
з) циановую кислоту (HOCN),
3
3
3
3
и) циануровую кислоту (CHNO),
к) изоциановую кислоту (HNCO),
3
л) аммиак (NH) и
м) предшественник аммиака.
Наряду с по меньшей мере одним из указанных веществ возможно, в частности, применение также их производных. Наряду с мочевиной предпочтительны при этом также те вещества, которые понижают температуру плавления ее водного раствора.
Рассмотренные выше частные особенности предлагаемого в изобретении устройства и варианты его выполнения могут относиться также к предлагаемому в изобретении способу и распространяться на него. И наоборот, все частные особенности предлагаемого в изобретении способа и варианты его осуществления могут относиться также к предлагаемому в изобретении устройству и распространяться на него.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, при этом изобретение не ограничено представленными на этих чертежах вариантами его осуществления. На прилагаемых к описанию схематичных чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - вид в разрезе выполненного по первому варианту предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.2 - предлагаемое в изобретении устройство в качестве части устройства для селективного каталитического восстановления,
на фиг.3 - вид в разрезе выполненного по второму варианту предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.4 - пример кривой изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры и
на фиг.5 - кривая производной от кривой изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры.
На фиг.1 схематично показано предлагаемое в изобретении устройство 1 для испарения реагента. Такое устройство 1 имеет нагревательную зону 2 с электронагревом. Для электронагрева нагревательной зоны используется по меньшей мере один нагреватель 3 с нагревательным резистором 4. Нагреватель 3 закреплен между внутренней трубкой 5 и наружной трубкой 6. Наряду с нагревательным резистором 4 нагреватель 3 может также иметь электроизоляционный материал 7, т.е. электрический изолятор. Каждая из трубок 5, 6 подсоединена к одному из разноименных полюсов 8, 9 системы электропитания. Нагреватель 3 представляет собой саморегулирующийся нагреватель, который более подробно рассмотрен ниже со ссылкой на фиг.4 и 5.
2
На фиг.2 схематично показано предлагаемое в изобретении устройство 1, являющееся частью устройства 10 для селективного каталитического восстановления оксидов азота, содержащихся в ОГ, образующихся при работе ДВС 11. Наряду с предлагаемым в изобретении устройством 1 для испарения по меньшей мере одного реагента устройство 10 для селективного каталитического восстановления имеет также емкость 12 и подающее средство 13. В емкости 12 хранится запас реагента, т.е. прежде всего водный раствор мочевины, который подающим средством 13 подается на испарение в устройство 1. В устройстве 1 для испарения реагента происходит по меньшей мере частичное, а предпочтительно в основном полное испарение водного раствора мочевины. Пар, образовавшийся в результате испарения водного раствора мочевины, подается в катализатор 14 гидролиза, где происходит гидролиз мочевины до аммиака. Далее полученный аммиаксодержащий газ подается через впускное отверстие 15 в выпускной трубопровод 16, идущий от ДВС 11. В зоне этого впускного отверстия 15 необязательно может быть расположено направляющее средство 17, которое позволяет улучшить условия подачи аммиаксодержащей газовой смеси. По ходу потока перед впускным отверстием 15 расположен катализатор 18 окисления, обеспечивающий возможность окисления моноксида азота (NO) до диоксида азота (NO). Тем самым дополнительно повышается степень превращения оксидов азота.
По ходу потока за впускным отверстием 15 расположен СКВ-катализатор 19, на котором происходит селективное каталитическое восстановление оксидов азота. Из СКВ-катализатора выходит поток 20 нейтрализованных ОГ. Катализаторы 14, 18, 19 в предпочтительном варианте в виде каталитически активного покрытия нанесены на носители, прежде всего на сотовые элементы.
На фиг.3 схематично показано выполненное по второму варианту предлагаемое в изобретении устройство 1 для испарения реагента. На этом чертеже все элементы и детали, функционально и/или конструктивно идентичные таковым, показанным на фиг.1, обозначены теми же позициями. В отличие от первого варианта в данном случае нагревательный резистор 4 нагревателя 3 выполнен в виде слоя, заполняющего собой весь промежуток между внутренней трубкой 5 и наружной трубкой 6. В этом варианте внутренняя 5 и наружная 6 трубки также подсоединены к соответствующим полюсам 8, 9 системы электропитания. Испаряемый реагент, соответственно уже превратившийся в пар реагент проходит при этом через испарительный объем 21.
На фиг.4 в качестве примера показана кривая 22 изменения сопротивления R в произвольных единицах в зависимости от температуры Т в произвольных единицах. Речь при этом идет о сопротивлении R нагревательного резистора 4. С увеличением температуры Т кривая 22 после первого горизонтального участка 23 резко поднимается на участке 24. Переход от первого горизонтального участка 23 к поднимающемуся участку 24 соответствует значимой температуре 30. При дальнейшем повышении температуры к поднимающемуся участку 24 примыкает второй горизонтальный участок. На поднимающемся участке 24 кривая 22 имеет точку 26 перегиба, которой соответствует температура 27. Согласно изобретению значимая температура 30 соответствует заданной температуре, при которой реагент испаряется.
Для водных растворов мочевины указанная заданная температура их испарения преимущественно составляет от 140 до 150°С, а температура по меньшей мере частичного термолиза, соответственно пиролиза водного раствора мочевины составляет 350°С и выше.
На фиг.5 схематично показана кривая 28 производной от кривой 22 по температуре. Такая кривая 28 имеет максимум, приходящийся на температуру 27, соответствующую точке 26 перегиба. В окрестностях максимума кривая 28 имеет полную ширину на уровне полумаксимума кривой 28, численно равную температуре 40 К и менее. В точке, соответствующей значимой температуре 30, начинается резкий подъем кривой. Для получения такой характеристики нагревательные резисторы 4 изготавливают из соответствующих материалов, например, из проводников с положительным ТКС. В качестве примера соответствующего материала можно назвать легированную примесными атомами титанатную керамику.
Преимущество предлагаемых в изобретении способа и устройства 1 для испарения реагента состоит в возможности простого регулирования процесса испарения прежде всего водного раствора мочевины для обеспечения восстановителем, используемым главным образом в СКВ-процессе. Используемые для такого испарения нагревательные резисторы 4 характеризуются значимой температурой 30, которая соответствует регулируемой температуре нагревательного резистора. Наличие соответственно крутого подъема кривой 22 на этом участке позволяет отказаться от применения дополнительной регулирующей электроники.