專利名稱：具有高銨含量和低凝固點的柴油機排氣處理液制劑的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及尿素的制劑，所述制劑具有低凝固點和更高的氨含量，適合用于減少在通過燃燒產生的柴油機排氣中的NOx (氮的氧化物)。
背景技術：
柴油發動機是優選的產生扭矩的設備，廣泛用于從運輸中的用途如重型卡車和火車、越野型農業和采礦設備到大規模就地生產電力等的應用。它們的實際上無可匹敵的功率與質量的比率以及它們的燃料的相對安全性使得它們成為用于諸如長途貨運卡車、拖拉機、推土機、聯合收割機、露天采礦設備、非電力機車、高容量應急發電機等的應用的幾乎唯一的選擇。柴油發動機在高內部溫度下運行。它們的高運行溫度的一個結果是，至少一部分 存在于發動機內的氮在燃燒時可以與氧結合而形成NOx，包括諸如NO和NO2的物質。它們的高運行溫度的另一個結果是，在發動機的出口點或其附近的柴油機排氣是非常熱的。諸如NOx的化合物是成問題的，因為它容易與大氣中的揮發性有機化合物結合形成煙霧。NOx被認為是一種污染物，并且實際上所有工業化國家都管制著能夠合法地排入大氣的水平。控制NOx排放物的規章制度預期將變得更加嚴格。幸運的是，發動機和設備生產商已經開發了用于減少通過柴油機燃料燃燒而產生并釋放到環境中的NOx的水平的系統。盡管如此，隨著對于可以被排入大氣中的這些化合物的量的更加嚴厲的限制，仍然需要改進的用于減少NOx水平的材料和方法；本發明的一些方面解決了這一需求。

發明內容
一些實施方案提供了一種包含尿素、氨基甲酸銨和水的水溶液，所述水溶液在柴油機排氣的處理中用作還原劑。一些實施方案提供了柴油機排氣處理液(Diesel ExhaustFluid) (DEF)制劑，所述制劑可以在選擇性催化還原(SCR)系統中使用，以減少通過柴油機燃料燃燒產生并另外被釋放到大氣中的NOx的水平。本文中公開的DEF包含尿素、氨基甲酸銨和水。在一些實施方案中，所述制劑包含約15. O重量％至約40. O重量％之間的尿素；約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和約40. O重量％至約60. O重量％之間的水。一些實施方案提供了一種水溶液，所述水溶液包含作為標準柴油機排氣處理液的全年的替代品適合的氨基甲酸銨和尿素濃度。另一些其它實施方案包括在寒冷天氣運行期間可以特別有用的DEF制劑。一些實施方案包括用于減少氮的氧化物的制劑，所述制劑包含約19. O重量％至約30. O重量％之間的尿素；約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和約40. O重量％至約60. O重量％之間的水。在一些實施方案中，所述制劑包含約19. O重量％至約25. O重量％之間的尿素；約20. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和約45. O重量％至約55. O重量％之間的水。并且，在另一些其它實施方案中，所述制劑包含約19. O重量％至約22. O重量％之間的尿素；約30. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和約45. O重量％至約50. O重量％之間的水。又一些其它實施方案包括用于減少氮的氧化物的方法，所述方法包括以下步驟提供制劑，其中所述制劑包含尿素、氨基甲酸銨和水，且適合用于NOx的SCR。在一些實施方案中，所述制劑包含約15. O重量％至約40. O重量％之間的尿素；約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和約40. O重量％至約60. O重量％之間的水。又一些其它實施方案包括將氨基甲酸銨以易溶的粉末形式添加至已經含有標準DEF的罐中。在一些實施方案中，這些方法包括以下步驟提供預包裝量的粉末狀氨基甲酸銨，所述粉末狀氨基甲酸銨可以被加入到含有尿素的還原劑罐中。在一些實施方案中，這些方法包括以下步驟確定所述還原劑的組成，以確保在還原劑系統中水、尿素和氨基甲酸銨的相對水平適合于在SCR中使用并且所述新混合物顯示出比常規DEF更低的凝固溫度。在一些實施方案中，用于減少氮的氧化物的方法包括以下步驟提供至少一種SCR催化劑；并且使所述SCR催化劑與所述制劑接觸。一些實施方案包括測量所述制劑的組 成的步驟。而另一些其它實施方案包括以下另外的步驟向還原劑制劑中添加一部分氨基甲酸銨。一些實施方案提供了適用于減少NOx排氣排放物的方法和/或系統的DEF制劑，所述制劑包含約15. O重量％至約40. O重量％之間的尿素；約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和約40. O重量％至約60. O重量％之間的水。又一些其它實施方案包括用于減少發動機排氣中的氮的氧化物的系統，所述系統包括包含還原劑的制劑，其中所述制劑包含約19. O重量％至約30. O重量％之間的尿素；約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和約40. O重量％至約60. O重量％之間的水；SCR催化劑，其中所述催化劑催化NOx被所述還原劑還原以形成含有N2的產物。在一些實施方案中，用于減少NOx排放物的系統包括還原劑制劑，所述還原劑制劑具有約19. O重量％至約25. O重量％之間的尿素；約20. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和約45. O重量％至約55. O重量％之間的水。在一些實施方案中，在所述系統中的制劑包含約19. O重量％至約22. O重量％之間的尿素；約30. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和約45. O重量％至約50. O重量％之間的水。在另一些其它的實施方案中，用于減少從柴油機排氣中釋放到大氣中的NOx的系統還包括用于測量在DEF儲存罐中的尿素的水平的探針。在一些實施方案中，所述系統可以包括用于調節在DEF混合物中的以下化合物中至少一種的水平的裝置，其中所述化合物選自尿素、氨基甲酸銨和水。可以使用泵、粉末輸送機等或通過向DEF儲存罐和/或系統中手工添加各種組分而調節這些組分的水平，目的是以控制的方式改變罐中材料的組成。


圖I是用于柴油發動機的代表性SCR排氣處理系統的示意圖。
具體實施例方式為了促進對于本新型技術的原理的理解，現在參考其優選的實施方案，并且將使用具體的語言描述所述實施方案。不過應理解，由此不意在限制本新型技術的范圍，預期通常會被本新型技術相關領域的技術人員想到的本新型技術的原理的這些變更、修改以及進一步的應用在本公開和要求保護的范圍內。除非暗指或另外明確說明，如本文所使用的術語“約”指的是包括所述值正負百分之10的值范圍，例如，約I. O包括值O. 9至I. I的范圍。大多數工業化國家對可以被柴油發動機釋放到大氣中的NOx的水平進行了限制。在美國，環境保護局(EPA)是負責管制柴油發動機排氣排放的聯邦政府機關。EPA提出了控制可以被柴油發動機動力越野設備合法地排入大氣的NOx的水平的新規章制度。這些新的規章制度稱為‘Final Tier4’。EPA的Final Tier 4標準要求將越野運行的柴油發動機的NOx排放物限制在不多于O. 4g/kW-h。當前可獲得的用于減少從柴油機排氣煙霧中排放的NOx排放物的量的技術包括選擇性催化還原(SCR)。這一技術廣泛應用于減少來自重型柴油發動機的NOx排放物，并且利用柴油機排氣煙霧中存在的高溫。通過SCR催化劑催化的典型的化學反應是NOx如NO2或NO還原為N2和H20。在基于SCR的排氣處理系統中，氮的氧化形式與化合物如氨(NH3)反
4NH3+4N0+02 — 4N2+6H20 方程式 I ;2NH3+N0+N02 — 2N2+3H20 方程式 2 ；8NH3+6N02 — 7N2+12H20 方程式 3 ；典型的SCR催化劑包括大的表面積且包含被至少一種穩定的催化材料涂覆的惰性熱載體(substrate)。用于這樣的催化劑的載體包括陶瓷材料；典型的催化材料包括金屬和/或金屬氧化物如銅、鐵、釩等。用于特定應用的催化表面材料和載體的特定組合部分地取決于許多因素如被燃燒的燃料的組成，包括例如燃料中硫的量，排氣溫度，所需的NOx降低水平，所用的還原劑，在排氣煙霧中存在的其它化合物的水平和類型等。無水氨在環境條件下主要以氣體形式存在，而氨水通過將氨和水接觸形成。如果裝得不恰當，無水氨是難于處理且危險的。與無水氨相比，氨載體如尿素是更加安全且更加易于處理、儲存和運輸的。尿素加水在標準溫度和壓力以液體形式存在。對于汽車應用而言，DEF是特別有用的還原劑，因為它與無水氨相比更易于處理、儲存和運輸，并且它與典型的氨水制劑相比通常具有更高的氮體積的比率。因此，DEF是在汽車應用如重型卡車和越野工程和農業設備中應用的SCR柴油機排氣處理系統中常用的還原劑。在典型的基于SCR的排氣處理系統中，將SCR催化劑安置在柴油發動機的排氣流中。安置所述催化劑，使得接觸催化劑表面的排氣煙霧的溫度足夠高，以維持排氣煙霧中NOx與還原劑的反應，但不高到致使通過發動機和在排氣流中發生的化學反應產生的熱損壞所述催化劑。現在參考圖1，即典型的重型柴油機排氣處理系統2的示意圖。將SCR催化劑4安置在排氣管6中。所述排氣管有兩個末端。一個末端8連接至NOx源10,而另一個末端12通向大氣14。典型的系統還可以包括任選的附加催化劑對16和18，其被安置在所述SCR催化劑4之前16和之后18。所述氧化催化劑對在排氣流中包括有機分子和未反應氨在內的各種化合物的氧化進行催化。因為所述SCR系統需要還原劑如氨或尿素,所以所述SCR系統包括用于儲存還原劑和向所述催化劑傳輸所述還原劑的系統。仍然參照圖I，還原劑儲存容器20連接至第一傳輸管22。第一傳輸管I具有兩個末端，管22的第一末端即入口 24連接至儲存容器20，而管22的第二末端即出口 26連接至控制從管22至第二傳輸管30的還原劑流的還原劑傳輸閥28。管30也具有兩個末端，第一末端即入口 32連接至閥28的出口，而第二傳輸管30的第二末端即出口 34連接至排氣管6。第二傳輸管30的出口 34連接至排氣管6，使得在第二傳輸管30中的還原劑經過出口 34被傳輸至SCR催化劑4的表面上或附近。在一些實施方案中，所述SCR系統2可以包括用于保持在儲存容器20中的還原劑的溫度的裝置36。在一些結構中，第一還原劑傳輸管22、還原劑傳輸閥28和/或第二還原劑傳輸管30也可以裝備有幫助控制系統中的還原劑的溫度的裝置40。在本發明的一些實施方案中，所述用于控制還原劑溫度的裝置40可以選自隔熱材料(insulation)、加熱盤管或管套(sock);和/或冷卻或加熱夾套或它們的某些組合。在一些實施方案中，所述系統2還可以包括任選的混合裝置49，所述混合裝置被提供用于周期性地或連續地攪拌還原劑儲存容器20中的內容物。容器20還可以裝備溫度傳感器44以測量容器20的內容物的溫度。容器20還可以裝備探針46以測量容器20中儲存的物質的氮含量。在一些實施方案中，可以向所述系統提供控制器42，所述控制器42可以包括來自連接至排氣和/或SCR系統的傳感器的輸入端。所述控制器也可以裝備中央 處理器或專用的邏輯電路，其根據需要控制還原劑向系統中的散布，以將NOx的釋放保持在可接受的范圍內。所述控制器也可以用于監測溫度或還原劑傳輸系統，并也可用于控制專用于將還原劑維持在可接受的溫度范圍內的系統部分。在一些實施方案中，使用同樣的控制器控制與還原劑儲存罐相關的攪拌器的速率和/或頻率。在一些實施方案中，所述控制器可以用于監測還原劑儲存容器20中的還原劑的水平和/或還原劑的組成。可以用于監測在DEF制劑中的包括氨和尿素的化合物的水平的傳感器包括但不限于在2010年5月25日授權的美國專利號7，722，813中所述的那些，該文獻的全部內容通過引用結合在此。簡單地說，這些傳感器中的某些通過測量DEF制劑傳熱的能力并將此性質與系統中所述尿素的濃度相關聯而運行。在某些型式中，探針形式的傳感器被插入到DEF制劑中。在一些實施方案中，所述系統包括電路，其用于提供電流，所述電流被施加到位于浸沒于DEF中的探針的一部分中的加熱元件上以產生熱；以及也浸沒于DEF中的溫度感測裝置。必須被施加在加熱元件上以對溫度傳感器產生可識別的影響的電流的量受到探針尖端周圍液體的組成的影響。為了影響在探針的溫度傳感器處測得的溫度變化而必須施加的電流水平之間的關系可以被確定為在DEF中的所述尿素含量的函數。一旦對于給定的探針和具有特定組分的制劑，在電流和尿素含量之間的關系是已知的，則可以利用所述關系，以通過測量影響溫度變化所需的電流量來推斷DEF樣品中尿素的水平。任何可以用于確定或至少估算儲存罐中或SCR系統中其它地方的DEF的組成的方法均可以用于實踐本發明。標準DEF顯示出-11°C的凝固點。根據本發明的包含加入到尿素水溶液中的氨基甲酸銨，即防凍劑的DEF制劑，可以將DEF的凝固點降低至-34°C。此外，一些這種混合物的制劑顯示出O. 0262kg/kg的氨含量，這比標準DEF (O. 0184kg/kg)高30%。制備并表征了氨基甲酸銨和尿素的一些其它的混合物(見表I)。例如，含有28. 6重量％的尿素和4. 5重量％的氨基甲酸銨的水溶液提供了 _13°C的凝固點，以及類似于標準DEF的氨含量。表I.對氨基甲酸銨計算的氨含量。
權利要求
1.一種用于減少柴油發動機排氣中的氮的氧化物的制劑，所述制劑包含 尿素； 氨基甲酸銨；和 水。
2.根據權利要求I所述的制劑，所述制劑包含 約15. O重量％至約40. O重量％之間的尿素； 約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約40. O重量％至約60. O重量％之間的水，其中所述制劑適合用于柴油機排氣中的NOx的選擇性催化還原。
3.根據權利要求I所述的制劑，所述制劑包含 約19. O重量％至約35. O重量％之間的尿素； 約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約40. O重量％至約60. O重量％之間的水。
4.根據權利要求I所述的制劑，所述制劑包含 約19. O重量％至約30. O重量％之間的尿素； 約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約40. O重量％至約60. O重量％之間的水。
5.根據權利要求I所述的制劑，其中所述制劑包含 約19. O重量％至約25. O重量％之間的尿素； 約20. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約45. O重量％至約55. O重量％之間的水。
6.根據權利要求I所述的制劑，其中所述制劑包含 約19. O重量％至約22. O重量％之間的尿素； 約30. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約45. O重量％至約50. O重量％之間的水。
7.一種用于減少柴油機排氣中的氮的氧化物的方法，所述方法包括以下步驟 提供制劑，其中所述制劑包含 尿素； 氨基甲酸銨；和 水，其中所述制劑適合用于柴油發動機排氣中的NOx的選擇性催化還原。
8.根據權利要求7所述的方法，所述方法還包括 提供催化氨與NOx的組合以形成N2的選擇性催化還原催化劑；以及 使所述制劑的至少一部分與所述催化劑接觸。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述制劑包含 約15. O重量％至約40. O重量％之間的尿素； 約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約40. O重量％至約60. O重量％之間的水，其中所述制劑適合用于柴油機排氣中的NOx的選擇性催化還原。
10.根據權利要求7所述的方法，其中所述制劑包含約19. O重量％至約35. O重量％之間的尿素； 約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約40. O重量％至約60. O重量％之間的水。
11.根據權利要求7所述的方法，其中所述制劑包含 約19. O重量％至約25. O重量％之間的尿素； 約20. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約45. O重量％至約55. O重量％之間的水。
12.根據權利要求7所述的方法，其中所述制劑包含 約19. O重量％至約22. O重量％之間的尿素； 約30. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約45. O重量％至約50. O重量％之間的水。
13.根據權利要求7所述的方法，所述方法還包括以下步驟 確定所述制劑的組成。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述確定步驟包括測量所述制劑中的尿素的量。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述確定步驟包括使用傳感器并且其中所述傳感器與所述制劑接觸。
16.根據權利要求7所述的方法，所述方法還包括以下步驟 通過將至少一種化學品添加到所述制劑中，調節所述制劑的組成，其中所述至少一種化學品選自尿素、氨基甲酸銨和水。
17.一種用于減少通過柴油機燃料的燃燒而釋放到大氣中的NOx的水平的系統，所述系統包括 制劑，其中所述制劑包含 尿素； 氨基甲酸銨；和 水；其中所述制劑適合用于柴油機排氣中的NOx的選擇性催化還原；和 用于容納所述制劑的儲罐。
18.根據權利要求17所述的系統，所述系統還包括選擇性催化還原催化劑，其中所述催化劑催化氨和NOx生成N2的反應。
19.根據權利要求17所述的系統，其中所述制劑包含 約15. O重量％至約40. O重量％之間的尿素； 約15. O重量％至約40. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約40. O重量％至約60. O重量％之間的水。
20.根據權利要求17所述的系統，其中所述制劑包含 約19. O重量％至約35. O重量％之間的尿素； 約20. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約45. O重量％至約55. O重量％之間的水。
21.根據權利要求17所述的系統，其中所述制劑包含 約19. O重量％至約22. O重量％之間的尿素；約30. O重量％至約35. O重量％之間的氨基甲酸銨；和 約45. O重量％至約50. O重量％之間的水。
22.根據權利要求17所述的系統，所述系統還包括 用于測量所述制劑的組成的裝置。
23.根據權利要求17所述的系統，其中所述系統還包括要添加到所述制劑中的氨基甲酸銨的儲罐。
全文摘要
本發明提供一種具有高銨含量和低凝固點的柴油機排氣制劑。配制一種尿素、水和氨基甲酸銨的混合物用于柴油機排氣中氮的氧化物的催化還原。可以配制所述混合物以將所述混合物中的還原劑的量以及所述制劑的凝固點優化。這些制劑與選擇性催化還原系統結合是特別有用的，并且非常地適合用于重型卡車和越野用重型設備。這些制劑中的某些包含約15.0重量％至約40.0重量％之間的尿素；約15.0重量％至約40.0重量％之間的氨基甲酸銨；和約40.0重量％至約60.0重量％之間的水。可以監測所述制劑的氨含量和/或凝固點，并且可以調節所述制劑的組成以優化所述凝固點和氨含量。
文檔編號B01D53/79GK102895874SQ20121026536
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月27日 優先權日2011年7月29日
發明者托馬斯·M·哈里斯, 波奈雅·阿揚潘, 達南·竇 申請人:迪爾公司