專利名稱：用于凈化的噴射噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過一種噴嘴將流體噴射進(jìn)氣體。本發(fā)明特別涉及將溶液噴射進(jìn)熱氣中，其中本發(fā)明的一個特殊的用法與除去柴油發(fā)動機(jī)的廢氣中的NOx有關(guān)。
背景技術(shù)：
噴嘴廣泛應(yīng)用于將一種流體噴射進(jìn)另一種流體中，也與除去發(fā)動機(jī)的廢氣中的NOx有關(guān)。
在WO96/36797專利申請中，Hofmann等公開了將尿素溶液/空氣混合物噴射進(jìn)機(jī)動車的廢氣中?；旌衔飪H僅在接近管壁的管內(nèi)被噴射進(jìn)廢氣管中，以致溶液在噴灑入氣體之前不會變得太熱。當(dāng)從廢氣管的橫截面看時，噴射液體的分布不是均勻的。
Tsuneaki在JP2001152831中公開了另一個廢氣凈化體系。此處，也是通過將尿素溶液噴射進(jìn)機(jī)動車的廢氣中而使氮氧化物減少。噴射噴嘴穿過廢氣管壁插入其中，從內(nèi)表面僅延伸一小段距離，這樣造成不均勻的流動模式。
Kupper等在專利US4,502,196中公開了一種用于燃料的噴射噴嘴，該噴嘴包括兩個帶有窄隙中填滿絕熱材料的共軸管。為了保持燃料在焦炭開始形成的溫度以下，外管環(huán)繞在噴嘴尖端周圍形成一個護(hù)罩。燃料通過一個孔被噴射出，僅通過內(nèi)管和護(hù)罩以與噴嘴同軸的方向噴射。
Zauderer在專利US6,048,510中描述了另一種氣體凈化方法。通過噴射包含溶解的尿素或氨的空氣霧化水滴，使燃煤鍋爐煙道氣中的氮氧化物含量減少。在溫度處于最佳之處噴射水滴，通過噴嘴結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)水滴尺寸以適應(yīng)該溫度。
然而，這些噴嘴容易堵塞，并且沒有一種噴射方法保證噴射物質(zhì)非常高程度的平均分布。
本發(fā)明的一般目標(biāo)是提供用于噴射鹽的水溶液的一種方法和一種噴嘴，來得到一種穩(wěn)定和良好分布的噴射。該噴射致力于必須能夠在所有的條件下運(yùn)行而不會因為噴嘴的堵塞而發(fā)生中斷。同時，它必須在噴射進(jìn)氣體中的噴射流體高度平均分布的情況下運(yùn)行。
現(xiàn)在已經(jīng)找到了一種方法和噴嘴，使得當(dāng)噴嘴根據(jù)本發(fā)明設(shè)計時，尿素溶液能噴射入機(jī)動車的廢氣中，并在廢氣中得到非常均勻的分布。本發(fā)明的噴嘴長時間運(yùn)行也不會堵塞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種借助于包括噴嘴頭和被與內(nèi)供應(yīng)管在空間上互相隔離的外套管同心環(huán)繞著的內(nèi)供應(yīng)管的噴射噴嘴在高溫下將液流均勻噴射進(jìn)氣流的方法和設(shè)備。它包括使液流從內(nèi)管和噴嘴頭通過，以及通過在內(nèi)管和外管之間的環(huán)形空間的至少一部分提供絕熱而使內(nèi)管的液流保持溫度。此外，它還包括在出口末端堵住噴嘴頭使內(nèi)管和噴嘴頭保持持續(xù)的液流，以及通過許多在噴嘴頭上的噴嘴孔將液流噴射出去，所述噴嘴孔鄰近噴嘴頭的出口末端。它也包括通過與氣流方向基本上成直角方向并鄰近氣流通道的中軸的噴嘴孔噴射液流，最后通過鄰近噴嘴頭區(qū)域內(nèi)的一個外套管的圓錐形變窄區(qū)域，使噴射的液流在氣流中均勻分布。
優(yōu)選的絕熱材料是陶瓷，絕熱材料由材料的薄層形成，并利用有機(jī)膠卷成所需形狀。
內(nèi)管可能在外管端和內(nèi)管端之間帶有90°彎曲。
所述流體可以是一種空氣和尿素水溶液的混合物，所述尿素水溶液含20-50重量％的尿素，優(yōu)選為30-35重量％，最優(yōu)選為32.5重量％。
本發(fā)明對于噴射進(jìn)柴油機(jī)熱廢氣中的尿素水溶液的均勻分布特別有利，其中，水可能會煮沸導(dǎo)致尿素結(jié)晶。本發(fā)明特別適用于大型鐵路貨車和載重貨車中。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的直噴嘴的橫截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的90°彎曲噴嘴的橫截面圖。
圖3是帶有本發(fā)明噴嘴嘴的排放管的橫截面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的90°彎曲噴嘴的額切面圖。
具體實施例方式
在驅(qū)動機(jī)動車的柴油發(fā)動機(jī)中，以一定量的過量空氣進(jìn)行燃燒。這導(dǎo)致廢氣中的氮氧化物，NOx的形成，這是對環(huán)境的嚴(yán)重污染。
NOx能通過氨來還原，氨(NH3)很難在機(jī)動車中儲存，因此用尿素(H2NCONH2)水溶液作還原劑。
根據(jù)下述的反應(yīng)，當(dāng)尿素噴射出并與熱廢氣混合時，尿素分解，氨因此形成
只有當(dāng)溫度超過200℃時，尿素才能完全分解。因此，200℃是尿素能噴射進(jìn)廢氣中的最低溫度。
然后使廢氣和還原劑(氨)的混合物通過催化劑，其中，根據(jù)下述反應(yīng)，氮氧化物，一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)與氨反應(yīng)形成氮氣和水，和在普通的操作中，所述廢氣應(yīng)當(dāng)并且將會非常熱，同時，重要的是噴射噴嘴中的尿素溶液的溫度不能超過水蒸發(fā)從而導(dǎo)致尿素結(jié)晶并堵塞噴射噴嘴的溫度。
本發(fā)明此外還提供了一種用于將尿素溶液/空氣混合物噴射進(jìn)熱廢氣而不會使尿素結(jié)晶的噴嘴。該噴射噴嘴包括外套管，同軸的內(nèi)供應(yīng)管和在兩管之間環(huán)形空隙中的絕熱材料。這防止熱廢氣使尿素水溶液的溫度升高至水蒸發(fā)和尿素結(jié)晶的溫度。
在出口區(qū)域處，內(nèi)管有帶有塞子的噴嘴頭。在非?？拷又?，有噴嘴孔。這保證了在內(nèi)管的整個容積中溶液的流動，因此，避免了“死容積”，否則，會加熱導(dǎo)致尿素結(jié)晶。為了清潔內(nèi)管，塞子可以移除。
通過該噴嘴尖的設(shè)計，溶液能以與噴嘴的軸成直角地流出，以保證良好的分布，并且不會有形成固體尿素和堵塞噴嘴的風(fēng)險。
當(dāng)尿素溶液/空氣混合物通過噴嘴孔流出，氣溶膠就同時形成。當(dāng)熱廢氣加熱氣溶膠時，尿素轉(zhuǎn)換成氨，氨在安置于噴嘴下游的催化劑上使廢氣中的氮氧化物還原為氮。
由于催化劑是安置于廢氣管道放大部分的全部截面面積中，管道中尿素/氨的均勻分布對氮氧化物的轉(zhuǎn)換而言非常重要。
本發(fā)明的性能和設(shè)計通過下述附圖的詳細(xì)介紹將會更加清晰。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案由附圖1公開，附圖1中是一個直噴射噴嘴。該噴嘴包括噴嘴頭1，外套管2和共軸的供應(yīng)內(nèi)管3，其中管之間的環(huán)形空隙填滿了絕熱材料4。絕熱材料4形成固體環(huán)形，裝在內(nèi)管3和外管2之間。
噴嘴頭1的末端是平頭螺釘5。與平頭鄰接鉆有噴嘴孔6，這樣在沒有流動時消除噴嘴容積。外管的末端是圓錐部分7，其縮小部分鄰近噴嘴頭1連在內(nèi)管3上。尿素溶液/空氣混合物8保持在水不會蒸發(fā)并且尿素不會結(jié)晶的低溫下流經(jīng)內(nèi)管3?；旌衔?穿過噴嘴孔6流出，這時氣溶膠形成。在熱廢氣中尿素溶液轉(zhuǎn)化為氨和二氧化碳。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案顯示于圖2中，除了噴嘴頭以外它基本上與上述噴射噴嘴等同，它的噴嘴頭帶有90°的彎曲10，彎曲與噴嘴孔6之間的5mm是直的。
圖3中顯示了優(yōu)選的裝置模式。帶有90°彎曲的噴嘴與廢氣管11成直角地插入管壁，其尖端指向廢氣流動的方向，并且同軸安裝在廢氣管11的中央。這樣，尿素溶液經(jīng)過噴嘴孔6流出時，與廢氣流動方向成直角，并且在廢氣的中央，這樣導(dǎo)致它非常好的分布。
當(dāng)通過噴嘴孔6噴射時，尿素水溶液被轉(zhuǎn)化為氨和二氧化碳；廢氣流流動至催化劑12，在此處氨將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮氣和水。只有將氨在廢氣管中適當(dāng)分布才能得到在催化劑上的最佳轉(zhuǎn)化。
圖4顯示了當(dāng)噴射噴嘴帶有4個噴嘴時這些噴嘴孔的位置。當(dāng)它們以與垂直方向呈45°鉆孔時，噴射噴嘴的垂直部分不會干擾從噴嘴后部流來的廢氣流。
本發(fā)明特別適用于驅(qū)動輪船、火車、鐵路貨車、載重貨車等類似的交通工具的柴油發(fā)動機(jī)中，其中會形成上述有毒氣體，為了不污染空氣必須要將其除去。由于這些氣體對人類，動物甚至建筑都有害，因此，除去有毒氣體將會在越來越多的國家成為政府的要求。
實施例為使氨在廢氣管中均勻分布，噴射噴嘴的尺寸很重要。
以如下尺寸制造本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案。這些尺寸對應(yīng)于如下所述的空氣和溶液流量/消耗量，并且這些數(shù)字對應(yīng)于本發(fā)明在帶有柴油發(fā)動機(jī)的常規(guī)鐵路貨車中的應(yīng)用。
當(dāng)運(yùn)行發(fā)動機(jī)時，20Nl/min的空氣流量是適當(dāng)?shù)摹Ｄ蛩厝芤旱南牧客ㄟ^調(diào)節(jié)與廢氣中的NOx的含量相適應(yīng)，然而，7.5l/hr的溶液流量是典型的。尿素水溶液的尿素含量是20-50重量％，優(yōu)選是30-35重量％，更優(yōu)選是32.5wt％。
與噴射噴嘴相適應(yīng)的內(nèi)管有6mm的外徑和1.5mm的壁厚，外管有25mm的外徑和1.22mm的壁厚，并且在這些管之間裝入陶瓷材料。噴嘴帶有四個每個孔徑為0.55mm并且等距分開的孔。對于其他流量而言，孔的數(shù)量和尺寸進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，通常用八個孔徑為0.39mm的孔。
本發(fā)明一個特殊的實施方案中，圓錐部分7的內(nèi)表面的角度為30°，并且圓錐部分的長度為44.4mm。已經(jīng)證明這些尺寸能使還原劑非常好的分布在廢氣中。
在管之間的空隙中的絕熱材料是陶瓷材料，它被卷成希望的形狀并且通過有機(jī)粘結(jié)劑將其保持該形狀。所述陶瓷材料是從Keramax a/s，Tllse，Denmark購買的名稱為“Isovac”商品。
除了絕熱材料，適當(dāng)?shù)膰娮旖Y(jié)構(gòu)材料是不銹鋼SS 316。
檢測結(jié)果已經(jīng)證明本發(fā)明的噴嘴對應(yīng)用于噴射進(jìn)熱廢氣中的尿素水溶液時特別有益，尤其是包含氮氧化物的柴油機(jī)廢氣。
2003年9月，為進(jìn)行現(xiàn)場測試，在帶有4L 150hp柴油發(fā)動機(jī)的大客車中安裝了一個尿素選擇催化還原體系。用于尿素噴射的噴嘴在現(xiàn)場測試的開始僅僅是一個不帶任何絕熱材料的管道。大客車在倫敦城市交通的真實條件下運(yùn)行。
在2個工作日的短時期后，發(fā)現(xiàn)體系不能再工作了。其原因在于尿素堵塞了噴嘴。
噴嘴用機(jī)械清洗干凈，體系再次開始運(yùn)行。
又過了2天，噴嘴再次被尿素殘渣完全堵塞。
用根據(jù)本發(fā)明的帶有絕熱材料環(huán)繞著噴射噴嘴的Haldor Topsφe A/S噴嘴代替常規(guī)噴嘴。
所述體系沒出現(xiàn)任何堵塞問題，運(yùn)行了整整5個月。
權(quán)利要求
1.一種借助于包括噴嘴頭和被與內(nèi)供應(yīng)管在空間上互相隔離的外套管同心環(huán)繞的內(nèi)供應(yīng)管的噴射噴嘴在高溫下將液流均勻噴射進(jìn)氣流的方法，該方法包括使液流從內(nèi)管和噴嘴頭通過，以及通過在內(nèi)管和外管之間的環(huán)形空間的至少一部分提供絕熱而使內(nèi)管的液流保持溫度；在出口末端堵住噴嘴頭使內(nèi)管和噴嘴頭保持持續(xù)的液流，以及通過許多在噴嘴頭上的噴嘴孔將液流噴射出去，所述噴嘴孔鄰近噴嘴頭的出口末端；通過與氣流方向基本上成直角方向并鄰近氣流通道的中軸的噴嘴孔噴射液流；和通過鄰近噴嘴頭區(qū)域內(nèi)的外套管的圓錐形變窄區(qū)域，使噴射到氣流中的液流均勻分布。
2.權(quán)利要求1的方法，其中氣流是從柴油發(fā)動機(jī)中排出的廢氣流，且液流是包含20-50重量％，優(yōu)選30-35重量％尿素的尿素水溶液。
3.權(quán)利要求2的方法，其中水溶液通過壓縮空氣通到噴嘴頭。
4.用于根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法的噴射噴嘴，其包括與液流供應(yīng)管連接的噴嘴頭，其中所述供應(yīng)管被外套管同心環(huán)繞，并且供應(yīng)管與外套管在空間上隔離；供應(yīng)管與套管之間的空隙至少部分被填入絕熱材料；外套管成圓錐形狹窄以致在鄰近噴嘴頭的區(qū)域與內(nèi)供應(yīng)管壁相鄰；噴嘴頭在出口末端被塞子堵塞；和所述噴嘴頭在鄰近噴嘴頭塞子的區(qū)域帶有許多等距分開的噴嘴孔。
5.權(quán)利要求4的噴射噴嘴，其中噴嘴頭外徑和內(nèi)徑的尺寸與供應(yīng)管外徑和內(nèi)徑的尺寸相等。
6.權(quán)利要求4的噴射噴嘴，其中噴嘴頭是一個在供應(yīng)管和噴嘴孔之間帶有90°彎曲的管道。
7.權(quán)利要求4的噴射噴嘴，其中絕熱材料是陶瓷化合物。
8.權(quán)利要求4的噴射噴嘴，其中外套管的圓錐形狹窄部分的內(nèi)表面的角度為30°。
9.權(quán)利要求4的噴射噴嘴，其中供應(yīng)管具有6mm的外徑和1.5mm的壁厚，外套管具有25mm的外徑和1.22mm的壁厚，以及噴嘴頭帶有4個等距的每個孔徑為0.55mm的孔，或帶有8個等距的每個孔徑為0.39mm的孔。
10.權(quán)利要求6的噴射噴嘴，其中在所述彎曲和噴嘴孔之間的噴嘴頭的直的部分的長度為5mm。
全文摘要
一種借助于包括噴嘴頭和被與內(nèi)供應(yīng)管在空間上互相隔離的外套管同心環(huán)繞著的內(nèi)供應(yīng)管的噴射噴嘴在高溫下將液流均勻噴射進(jìn)氣流的方法和設(shè)備。它包括使液流從內(nèi)管和噴嘴頭通過，以及通過在內(nèi)管和外管之間的環(huán)形空間的至少一部分提供絕熱而使內(nèi)管的液流保持溫度。此外，它還包括在出口末端堵住噴嘴頭使內(nèi)管和噴嘴頭保持持續(xù)的液流，以及通過許多在噴嘴頭上的噴嘴孔將液流噴射出去，所述噴嘴孔鄰近噴嘴頭的出口末端。
文檔編號F02M53/04GK1651728SQ20051005184
公開日2005年8月10日 申請日期2005年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月5日
發(fā)明者I·比約恩, P·加布里爾松 申請人:赫多特普索化工設(shè)備公司