[发明专利]用于将尿素转化成氨的催化装置

说明书

技术领域

本发明的领域涉及用于内燃机的废气后处理装置。尤其地，本发明的领域涉及包括适合在工业过程、在移动式和固定式柴油、天然气及其它发动机的应用中使用的用于内燃机废气的选择性催化还原(SCR)系统。

背景技术

源于内燃机的废气典型地包括氮的氧化气体，如一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)和一氧化二氮(N₂O)，氮的氧化气体共同地称为“NOx”。因为NOx会是一种环境危害，多个系统已经被开发以通过选择性催化还原(SCR)从废气中去除NOx。

在工业过程，还有在固定式柴油发动机的应用中，氮氧化物(NOx)的选择性催化还原(SCR)使用还原剂是已熟知的。氨是在SCR系统中普遍使用的还原剂。NOx与氨反应，并通过SCR催化还原成氮气(N₂)，伴有作为副产物的水。该反应通常可以表示如下：

NOx+NH₃→N₂+H₂O

该反应可被称为“SCR催化剂”的催化剂所催化。

因为氨是有危害的物质，通常氨不被直接引入到SCR系统。相反地，通过引入较少危害的产氨源到SCR系统，原位产生氨。一种常用的产氨源是尿素水(aqueous urea)。在SCR系统中，尿素水在SCR的上游被注入到废气气流。源于注入溶液的小滴中的水蒸发留下尿素，尿素在高温中分解(即，热解)成异氰酸和氨。在水中，异氰酸然后水解生成氨和二氧化碳。这些反应通常能表示如下：

CO(NH₂)₂+热量→HNCO+NH₃

HNCO+H₂O→NH₃+CO₂

这些反应可被称为“热解催化剂”和“水解催化剂”的催化剂分别催化。因此形成的氨可在SCR反应中反应并还原NOx。

用于移动式应用的SCR催化剂的使用是有问题的。一个妨碍是移动式应用在尺寸上是相对较小的。这使得在废气到达SCR催化剂之前，在SCR催化剂的上游注入尿素溶液到废气并将尿素溶液完全分解和水解成氨(和获得足够高的氨与NOx的比率)很困难。在低的柴油发动机排气温度和高气体流速下(例如，大约每秒20米)，在注入器和SCR催化剂之间需要几米的距离(即，0.1到0.3秒的时间)用于尿素水溶液喷出蒸发，用于尿素分解和水解成氨和二氧化碳，和用于在氨进入催化剂以前变得实用均匀地横跨流前端分布。尽管对于这个问题的各种各样的解决办法已经被提出(见，例如，美国专利号6,928,807；6,361,754；和6,203,770；和美国公开申请号2006/0115402)，这些解决办法包括在SCR系统之外产生氨和直接将氨引入到废气流。在这些系统中，如果SCR催化剂在这种氨引入之前没有预热，氨将通过SCR催化剂并污染空气。因此，存在适用于移动式应用的改进的SCR系统的需求。

发明内容

所披露的是用于处理废气的设备、系统和方法。所披露的设备、系统和方法典型地包括或采用用于将尿素水溶液转化成氨的催化装置。

所披露的用于处理废气的设备和系统可包括外壳，该外壳具有用于接纳废气的上游入口和用于排放废气的下游出口，其中所述外壳限定废气的轴向流动路径(axial flow path)。所披露的设备和系统可进一步包括注入器，注入器被配置以将尿素溶液注入到废气。所披露的设备和系统典型地包括用于将尿素转化成氨的催化装置，催化装置被放置在轴向流动路径中，位于注入器的的下游(例如，可渗透的催化装置)。所述催化装置具有上游面，上游面放置成与轴向流动路径呈一个角度(例如，与轴向流动路径呈大约20-70度的角度，优选地与轴向流动路径呈大约30-50度的角度)。所述催化装置典型地被配置以在上游面接纳源于注入器的尿素溶液。所披露的设备和系统可进一步包括选择性催化反应器(SCR)，选择性催化反应器用于在氨存在下将NOx转化成氮气和水，其中SCR放置在所披露的催化装置的下游。