柴油机尾气净化及热回收复合系统技术领域
本发明涉及尾气净化领域，特别涉及一种柴油机尾气净化及热回收复合系统。
背景技术
柴油机以其动力大、热效率高等优点，而被广泛应用于交通运输、工程及农林机械
等领域。但是柴油机由于其排放污染物较多，一般柴油机废气有害物排放水平在以下范围：
CO浓度50-5000ppm；NOx浓度：直喷式100-3000ppm，分隔式100-1500ppm；HC浓度10-
1500ppm，烟度0.2-2.0波许单位，颗粒物浓度0.01-0.8g/m3，SO2浓度0-200ppm，醛类浓度10-
200ppm，苯芘0.5-30微克/m3。二氧化碳、氮氧化物和烟尘等有害物质，如果直接排放，这些
污染物极大地污染了我们的生活的环境，对我们人类的健康构成了极大地威胁，出于此，极
大地制约着柴油机的进一步发展。此外，工业用大功率柴油机、柴油发电机及动力设备等排
出的烟气蕴含大量的热量，其值约占燃油总热量的18％左右，排出的烟气温度可高达700摄
氏度以上，这部分能量的浪费使得柴油机整体的经济性有所降低，如果对这部分能量进行
回收利用，将极大地提高柴油机的经济性，同时也可以产生巨大的经济价值。另外排除烟气
中含有的二氧化碳、氮氧化物和烟尘等有害物质(如：碳烟颗粒物、烃类、CO和NOx等)，如果
直接排放，将会对个人和环境产生巨大危害。同时也制约着柴油机的进一步发展及应用。
柴油机废气排放近年来一直是人们关注的焦点之一，也是环境工程学和内燃机学
中的非常具有挑战性的课题，对柴油机的发展以及柴油机的进一步推广普及应用具有重大
意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种柴油机尾气净化及热回收复合系统，能够
有效实现柴油机尾气的净化，同时能够将热能进行回收利用，节约热能损耗。
本发明的柴油机尾气净化及热回收复合系统，包括沿尾气流动方向依次设置的催
化氧化装置、脱硫装置、热能回收装置及脱硝装置；所述催化氧化装置包括壳体Ⅰ及设在壳
体Ⅰ内的蜂窝状陶瓷载体，所述蜂窝状陶瓷载体包括具有平行并列排布的多个气道的蜂窝
体和对应任意相邻两个气道之间错位式固定于每个气道内的挡板；蜂窝体内分隔于任意相
邻两气道之间的部分设有堇青石过滤体；所述堇青石过滤体上设有催化剂涂层。
进一步，所述催化剂涂层包括γ-Al2O3、稀土-过渡金属复合氧化物和贵金属活性
组分；所述贵金属活性组分包括Pt、Rh及Pd；所述催化剂涂层包括附着在所述堇青石过滤体
上的γ-Al2O3涂层，附着在γ-Al2O3涂层表面上的Pt涂层，附着在Pt涂层上的Pd、Rh、γ-
Al2O3及稀土-过渡金属复合氧化物混合涂层，附着在Pd、Rh、γ-Al2O3及稀土-过渡金属复合
氧化物混合涂层上的Rh、γ-Al2O3、稀土-过渡金属复合氧化物混合涂层。
进一步，所述贵金属活性组分的成分及含量为Pt15-25重量份，Rh4-6重量份及
Pd15-20重量份；
所述稀土-过渡金属复合氧化物包括30-70重量份的ZrO2，30-80重量份的CeO2，15-
25重量份的La2O3、Y2O3、Pr6O11、Nd2O3中的一种或几种；
所述Pd、Rh、γ-Al2O3及稀土-过渡金属复合氧化物混合涂层中的稀土-过渡金属复
合氧化物包括50-60重量份的ZrO2，25-35重量份的CeO2，15-25重量份的La2O3、Y2O3、Pr6O11、
Nd2O3中的一种或几种；
所述Rh、γ-Al2O3、稀土-过渡金属复合氧化物混合涂层中的稀土-过渡金属复合氧
化物包括25-75重量份的ZrO2，25～35重量份的CeO2，20-30重量份的La2O3、Y2O3、Pr6O11、Nd2O3
中的一种或几种。
进一步，所述壳体Ⅰ设有位于下端的进气口Ⅰ及位于上端的排气口Ⅰ，所述蜂窝状陶
瓷载体设在进气口Ⅰ与排气口Ⅰ之间；所述脱硫装置包括壳体Ⅱ及设在壳体Ⅱ中的固体状的
钠碱吸收剂层；所述壳体Ⅱ设有位于上端的进气口Ⅱ及位于下端的排气口Ⅱ，所述进气口
Ⅱ与排气口Ⅰ通过通气管Ⅰ相连通，所述钠碱吸收剂层设在进气口Ⅱ与排气口Ⅱ之间。
进一步，所述壳体Ⅱ内从上往下设有多层钠碱吸收剂层，每一钠碱吸收剂层均由
位于该钠碱吸收剂层上方的上金属网及位于该钠碱吸收剂层下方的下金属网夹持固定，且
对应同一钠碱吸收剂层的上金属网的网孔与下金属网的网孔错位分布；任一钠碱吸收剂层
的下金属网与相邻钠碱吸收剂层的上金属网紧密接触。
进一步，所述钠碱吸收剂层中的吸收剂包括以下重量份的原料组分：石灰石35-42
份、碳酸钠15-18份、乙醇胺化合物6-10份、碱性硫酸铝4-8份、氧化钙0.5-2.5份、氧化镁6-8
份。
进一步，所述热能回收装置包括第一换热器，所述第一换热器包括管壳及换热管，
管壳内部设有换热腔，换热管呈蛇形且两端分别设有进水口和出水口；所述换热管贯穿在
换热腔中，且穿过所述管壳的顶端面，使换热管的两端分别与管壳的外部相通；所述管壳设
有位于左端的进气口Ⅲ及位于右端的排气口Ⅲ，所述进气口Ⅲ与排气口Ⅱ通过通气管Ⅱ相
连通。
进一步，所述热能回收装置还包括第二换热器；所述第二换热器包括隔板以及隔
板分割成的互不相通的上腔和下腔，所述上腔和下腔平行设置；所述隔板上固定装有热管，
所述热管为内部充有工质两端密封的石墨管，其两端分别处在上腔和下腔中，所述热管外
壁上安装有翅片；所述上腔的左右两端分别设有进液口和出液口，所述下腔的左右两端分
别设有进气口Ⅳ和排气口Ⅳ，所述进气口Ⅳ与排气口Ⅲ相连通。
进一步，所述脱硝装置为设有反应腔的尿素溶液反应池，所述反应腔与排气口Ⅳ
通过通气管Ⅲ相连通；所述通气管Ⅲ伸入反应腔下端，使得尾气与反应腔中的尿素溶液反
应。
进一步，所述进水口设有用于控制水流量的第一控制阀，所述进液口设有用于控
制冷流体流量的第二控制阀，所述排气口Ⅳ中设有用于实时探测废气温度的温度传感器；
所述温度传感器的信号输出端与自动控制系统的控制器的信号输入端相连，所述第一控制
阀的信号输入端、第二控制阀的信号输入端分别与控制器的第一信号输出端、第二信号输
出端相连。
本发明的有益效果：本发明的柴油机尾气净化及热回收复合系统，共有四级结构，
催化氧化装置用于去除碳颗粒和碳氢化合物，脱硫装置用于除去二氧化硫，热能回收装置
将热能进行回收，脱硝装置用于去除氮氧化合物，从而能够有效实现柴油机尾气的净化，同
时能够将热能进行回收利用，节约热能损耗。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A-A剖视图；
图3为图2中B-B剖视图；
图4为图1中C处放大图；
图5为本发明的自动控制系统给的原理框图。
具体实施方式
如图1至图4所示：本实施例的柴油机尾气净化及热回收复合系统，包括沿尾气流
动方向依次设置的催化氧化装置、脱硫装置、热能回收装置及脱硝装置；所述催化氧化装置
包括壳体Ⅰ11及设在壳体Ⅰ11内的蜂窝状陶瓷载体12，所述蜂窝状陶瓷载体12包括具有平行
并列排布的多个气道13的蜂窝体12a和对应任意相邻两个气道13之间错位式固定于每个气
道13内的挡板14；蜂窝体12a内分隔于任意相邻两气道13之间的部分设有堇青石过滤体15；
所述堇青石过滤体15上设有催化剂涂层；壳体Ⅰ11可呈圆柱形；蜂窝状陶瓷载体12具有三维
立体过滤结构，其过滤面积相对平面过滤材料可成几何倍数的增长，过滤效率高；挡板14位
于气道13的一端，“错位式”即在相邻的两个气道13中，挡板14分别位于两个气道13的两端；
这样，半封闭的气道13可收纳一定的粉尘，因此其容尘量比传统的平面过滤材料大幅度提
高，可大幅延长清灰周期，减少维护频率；挡板14还能够截断相应气道13内气流的流通，因
此进入蜂窝体12a内的气流在挡板14的阻挡作用下穿过相邻两气道13之间的堇青石过滤体
15进入相邻气道13，实现对全部气流进行有效的过滤，净化效率高，气道13内可设置多个挡
板14，使气流多次经过相邻气道13之间的壁面进行过滤，利用扩散、拦截和惯性碰撞机理，
将微粒沉淀于蜂窝状陶瓷载体12之内；催化氧化装置、脱硫装置、热能回收装置及脱硝装置
可通过法兰结构连接在一起，便于安装和拆卸，每部分独立工作效率高，共同工作可实现相
互促进；催化氧化装置用于去除碳颗粒和碳氢化合物，脱硫装置用于除去二氧化硫，热能回
收装置将热能进行回收，脱硝装置用于去除氮氧化合物，从而能够有效实现柴油机尾气的
净化，同时能够将热能进行回收利用，节约热能损耗。
本实施例中，所述催化剂涂层包括γ-Al2O3、稀土-过渡金属复合氧化物和贵金属
活性组分；所述贵金属活性组分包括Pt、Rh及Pd；所述催化剂涂层包括附着在所述堇青石过
滤体15上的γ-Al2O3涂层，附着在γ-Al2O3涂层表面上的Pt涂层，附着在Pt涂层上的Pd、Rh、
γ-Al2O3及稀土-过渡金属复合氧化物混合涂层，附着在Pd、Rh、γ-Al2O3及稀土-过渡金属
复合氧化物混合涂层上的Rh、γ-Al2O3、稀土-过渡金属复合氧化物混合涂层；γ-Al2O 3为
贵金属活性组分提供高的比表面积及增强对载体的附着性，因此需要所述γ-Al2O 3的比表
面积＞280m2/g，所述γ-Al2O 3涂层的厚度优选在20～40μm之间；稀土-过渡金属复合氧化
物作为储氧材料，优选为含铈锆的复合氧化物；所述贵金属活性组分的成分及含量为Pt15-
25重量份，Rh4-6重量份及Pd15-20重量份；所述稀土-过渡金属复合氧化物包括30-70重量
份的ZrO2，30-80重量份的CeO2，15-25重量份的La2O3、Y2O3、Pr6O11、Nd2O3中的一种或几种；所
述Pd、Rh、γ-Al2O3及稀土-过渡金属复合氧化物混合涂层中的稀土-过渡金属复合氧化物包
括50-60重量份的ZrO2，25-35重量份的CeO2，15-25重量份的La2O3、Y2O3、Pr6O11、Nd2O3中的一
种或几种；所述Rh、γ-Al2O3、稀土-过渡金属复合氧化物混合涂层中的稀土-过渡金属复合
氧化物包括25-75重量份的ZrO2，25～35重量份的CeO2，20-30重量份的La2O3、Y2O3、Pr6O11、
Nd2O3中的一种或几种；该催化剂通过对多孔陶瓷载体、γ-Al2O 3的性质进行选择，能够使
贵金属活性组分保持高度分散性并保持稳定的催化效果，进一步的通过贵金属活性组分的
成分及比例的合理调控，配合稀土-过渡金属复合氧化物进行不同涂层的组合，既能满足储
氧能力，也能保证催化还原氮氧化合物的高活性和贵金属活性组分的抗高温老化能力，达
到更好的催化效果，从而使得应用该催化剂的产品能满足高标准排放要求。
本实施例中，所述壳体Ⅰ11设有位于下端的进气口Ⅰ11a及位于上端的排气口Ⅰ11b，
所述蜂窝状陶瓷载体12设在进气口Ⅰ11a与排气口Ⅰ11b之间；所述脱硫装置包括壳体Ⅱ21及
设在壳体Ⅱ21中的固体状的钠碱吸收剂层22；所述壳体Ⅱ21设有位于上端的进气口Ⅱ21a
及位于下端的排气口Ⅱ21b，所述进气口Ⅱ21a与排气口Ⅰ11b通过通气管Ⅰ81相连通，所述钠
碱吸收剂层22设在进气口Ⅱ21a与排气口Ⅱ21b之间；进气口Ⅰ11a与柴油机的尾气排放口9
相连；钠碱吸收剂层22主要采用Na2CO3作为起始吸收剂，与尾气中的SO2和H2O发生化学反应
生成Na2SO3，然后再与SO2反应生成NaHSO3；运用钠碱法，采用固体吸收剂，碱的来源限制小，
便于运输、储存，而且由于阳离子为非挥发性的，不存在吸收剂在洗涤气体过程中的挥发，
产生铵雾问题，因而碱耗小；同时，由于液体吸收剂会吸收尾气的热量，从而降低后续尾气
热回收的效率，而使用固体的钠碱吸收剂就避免了这个问题，与使用钾碱的方法相比，钠碱
比钾碱来源丰富且价格要便宜的多；钠碱吸收剂吸收能力大，吸收剂用量少，可获得较好的
处理效果。
本实施例中，所述壳体Ⅱ21内从上往下设有多层钠碱吸收剂层22，每一钠碱吸收
剂层22均由位于该钠碱吸收剂层22上方的上金属网23及位于该钠碱吸收剂层22下方的下
金属网24夹持固定，且对应同一钠碱吸收剂层22的上金属网23的网孔与下金属网24的网孔
错位分布；任一钠碱吸收剂层22的下金属网24与相邻钠碱吸收剂层22的上金属网23紧密接
触；钠碱吸收剂层22例如可为5-8层；壳体Ⅱ21呈圆筒状，钠碱吸收剂层22垂直于壳体Ⅱ21
的轴线设置；钠碱吸收剂层22固定在上金属网23与下金属网24之间，实现有效固定，且防止
固体状的钠碱吸收剂脱落；本实施例中，所述钠碱吸收剂层22中的吸收剂可包括以下重量
份的原料组分：石灰石35-42份、碳酸钠15-18份、乙醇胺化合物6-10份、碱性硫酸铝4-8份、
氧化钙0.5-2.5份、氧化镁6-8份。优选地，该组分可为石灰石38份、碳酸钠16份、乙醇胺化合
物8份、碱性硫酸铝6份、氧化钙1.5份、氧化镁7份。制造时，只需将各组分研磨，粒度小于
5mm，搅拌均匀即可；石灰石、碳酸钠在高温下分解为氧化钙和氧化钠，这两种物质均能与硫
结合，成为吸收硫份的主要物质；乙醇胺化合物作为缓蚀剂，减少对金属的腐蚀；氧化镁具
有对含硫物质进行包容的性质。该吸收剂具有表面活性，催化氧化脱硫能力强，能包容硫物
质。
本实施例中，所述热能回收装置包括第一换热器，所述第一换热器包括管壳31及
换热管32，管壳31内部设有换热腔33，换热管32呈蛇形且两端分别设有进水口32a和出水口
32b；所述换热管32贯穿在换热腔33中，且穿过所述管壳31的顶端面，使换热管32的两端分
别与管壳31的外部相通；所述管壳31设有位于左端的进气口Ⅲ31a及位于右端的排气口Ⅲ
31b，所述进气口Ⅲ31a与排气口Ⅱ21b通过通气管Ⅱ82相连通；蛇形的换热管32换热面积较
大，换热效果较佳；为提高传热分系数，换热腔33内可设置若干扰流板，增强尾气湍流程度，
迫使尾气多次与换热管32相接触。
本实施例中，所述热能回收装置还包括第二换热器；所述第二换热器包括隔板41
以及隔板41分割成的互不相通的上腔42和下腔43，所述上腔42和下腔43平行设置；所述隔
板41上固定装有热管44，所述热管44为内部充有工质两端密封的石墨管，其两端分别处在
上腔42和下腔43中，所述热管44外壁上安装有翅45片；所述上腔42的左右两端分别设有进
液口42a和出液口42b，所述下腔43的左右两端分别设有进气口Ⅳ43a和排气口Ⅳ43b，所述
进气口Ⅳ43a与排气口Ⅲ31b相连通；热管44依靠相变传热，因此热管44的内部热阻很小，所
以能以较小的温差获得较大的传热率；石墨有良好的导热性，而且具有良好的化学稳定性、
可塑性和抗热震性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀；翅片45可以增加换热的面积，提升
换热的效果。
本实施例中，所述脱硝装置为设有反应腔52的尿素溶液反应池51，所述反应腔52
与排气口Ⅳ43b通过通气管Ⅲ83相连通；所述通气管Ⅲ伸入反应腔52下端，使得尾气与反应
腔52中的尿素溶液反应；尿素溶液的反应温度在30℃-40℃，选用尿素除去NOx的效率可高
达99.95％，进行热交换之后废气的温度具有与之适应的温度，从而提高反应效率；尿素溶
液为还原剂，在反应池中与废气充分反应，废气中的氮氧化物通过氧化还原反应形成氮气
和水；在经过热管44对废气热能的回收利用之后，尾气通过通气管Ⅲ通入尿素溶液中两者
发生氧化还原反应，生成氮气和水,气体排入大气。
本实施例中，所述进水口32a设有用于控制水流量的第一控制阀61，所述进液口设
有用于控制冷流体流量的第二控制阀62，所述排气口Ⅳ43b中设有用于实时探测废气温度
的温度传感器63；所述温度传感器63的信号输出端与自动控制系统的控制器64的信号输入
端相连，所述第一控制阀61的信号输入端、第二控制阀62的信号输入端分别与控制器64的
第一信号输出端、第二信号输出端相连；控制器64为单片机；第一控制阀61、第二控制阀62
均为电控阀结构；温度传感器63实时探测排气口Ⅳ43b处废气的温度，当温度超出控制器64
预设值时，控制器64向第一控制阀61及第二控制阀62发出增大流量的信号，以迅速降低废
气温度；当废气温度低于控制器64预设值时，控制器64向第一控制阀61及第二控制阀62发
出降低流量的信号，以提高废气温度，使废气适于在尿素溶液反应池51进行反应。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较
佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技
术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本
发明的权利要求范围当中。