CN102116192A - 关于监测和/或控制选择性催化还原过程的系统和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于监测和/或控制来自燃烧排气流的氮氧化物和还原剂的排放水平的系统，其中内燃机116包括置于上游导管124和下游导管126之间的燃烧排气流中的SCR装置，SCR装置具有催化剂，配置成在还原剂和氧气存在下使燃烧排气中所含的氮氧化物催化还原成元素氮，其中内燃机116还包括还原剂注射器212；所述系统包括：激光吸收光谱装置300，所述装置300置于下游导管126中，并构造成测定排气中至少氮氧化物和还原剂的浓度水平；和控制装置216。

Description

关于监测和/或控制选择性催化还原过程的系统和设备

技术领域

本申请主要涉及通过物质和/或温度绘图监测选择性催化还原过程性能，以便更好地监测和/或控制涉及内燃机的排放的方法、系统和设备。更具体地但不作为限制，本申请涉及适合用激光吸收光谱和相关方法通过物质和温度绘图，来性能监测选择性催化还原过程的方法、系统和设备。

背景技术

涉及使用工业和动力锅炉系统、燃气涡轮机和其他内燃机的显著问题是释放到大气的氮氧化物(或“NOx”)的量。作为突破此难题的一种方法，多年来很多操作人员已用选择性催化还原(或“SCR”)方法减少NOx排放。

因此，应理解，由于涉及减少NOx排放，选择性催化还原方法对保护和提高公共卫生很重要。一个原因是，在释放进入大气时，NOx通常与其他化合物混合产生烟雾，烟雾当然是很多城市中空气污染的重要形式。因此，环境保护局(或“EPA”)规定了设备可合法排入大气的NOx量的限度。为了避免罚款和其他处罚，操作这些设备的公司紧密监测并努力限制释放到大气的NOx的量。

通常，通过使氮氧化物转化成双原子氮(或“N₂”)和水(或“H₂O”)(两者在释放进入大气时对环境无害而且安全)，可进行选择性催化还原。通过使NOx与还原剂(一般为氨(或“NH₃”))混合，然后与催化剂接触，发生使NOx分成N₂和H₂O的反应，可引起此化学反应(即，NOx转化成N₂和H₂O)。内燃机，例如燃气涡轮机，在稳定条件下操作时，SCR系统一般显示很有效地减少释放的NOx的量。例如，在一些应用中，NOx排放可减少最高达90％。

然而，在瞬时操作条件，例如，发动机启动或负荷摆动条件期间，NOx输出可能形成峰值，这可导致过量NOx(超出允许限度)释放到大气。另外，为了试图抵销这些增加量，常规系统通常将氨过量注入(即，注入过量氨)选择性催化还原系统。这一般被称为NH₃“泄漏”，产生同样困扰的情况：不可接受地高水平NH₃释放进入大气，这也可招致对内燃机操作者罚款和其他处罚。

常规系统难以在瞬时条件期间控制NOx和NH₃排放水平的原因一般涉及与某些系统元件(特别是用于测定排气中相关化合物浓度水平的测定装置)相关的限制和系统结构的限制。这些限制很多。首先，气体组成和物质浓度水平一般用加热的样品管线通过耗时的抽取技术测定。这是一个有很多分钟(在某些情况下数小时)滞后时间的慢过程，并且通常得到不可靠结果。第二，常规系统一般在测定位置缺乏温度数据。由于NH₃吸收速率取决于温度，此数据对精确控制过程是必要的。第三，常规系统缺乏关于相关化合物通过排气的空间分布的信息。第四，常规系统一般只在SCR下游位置测定气体组成。

应认识到，理论上，氨与NOx的具体摩尔匹配非常合乎需要。在此情况时，NOx排放按预期减少，而没有或几乎没有过量氨释放到大气。实际上，本领域的技术人员应理解并且出于以上所给原因，已证明此目的难以达到。因此，仍需要涉及监测和/或控制选择性催化还原过程的改进的方法、系统和装置。

发明内容

因此，本申请描述一种用于监测和/或控制来自内燃机燃烧排气流的氮氧化物和还原剂的排放水平的系统，其中内燃机包括选择性催化还原装置，该装置置于将燃烧排气流引导到选择性催化还原装置的上游导管和引导燃烧排气流离开选择性催化还原装置的下游导管之间的燃烧排气流中，选择性催化还原装置具有催化剂，该催化剂装配成在还原剂和氧气存在下，使燃烧排气中所含的氮氧化物催化还原成元素氮，其中内燃机还包括将还原剂注入选择性催化还原装置上游的燃烧排气流的还原剂注射器。所述系统可包括：激光吸收光谱装置，所述光谱装置置于下游导管中，并构造成测定燃烧排气流中至少氮氧化物和还原剂的浓度水平；和控制装置；其中激光吸收光谱装置构造成对控制装置提供涉及氮氧化物和还原剂测定浓度水平的及时数据。

在本申请的一些实施方案中，及时数据包括含小于0.1秒滞后时间的数据。在本申请的一些实施方案中，激光吸收光谱装置包括可调谐二极管激光器，还原剂包括氨。在本申请的一些实施方案中，激光吸收光谱装置包括第一可调谐二极管激光光谱装置；所述系统还包括 置于上游导管中还原剂注射器上游的第二可调谐二极管激光光谱装置；第二可调谐激光吸收光谱装置构造成测定燃烧排气流中至少氮氧化物的浓度水平，并为控制装置提供涉及氮氧化物测定浓度水平的及时数据。

在本申请的一些实施方案中，下游导管包括包括第一侧的横截面形状，第一侧跨下游导管内部与第二侧相对；第一侧和第二侧各自包括一系列孔，这些孔经布置，使得第一侧上的多个孔与第二侧上的多个孔相对；第一可调谐二极管激光光谱装置包括置于孔中的多个激光发射器和多个激光接收器，使得激光发射器跨下游导管内部与激光接收器大体相对；激光发射器构造成在预定波长发射激光，激光通过预定激光光路，并由至少一个激光接收器接收。

在本申请的一些实施方案中，各激光发射器与激光接收器之一配对，并且各对跨下游导管内部直接相互相对；并且控制装置构造成用于计算涉及氮氧化物和氨测定浓度水平的空间分布的空间分布数据，空间分布数据反映沿着激光光路测定的氮氧化物和氨浓度水平的变化。

在本申请的一些实施方案中，激光发射器和激光接收器的定位和定向构成产生多个交叉的激光光路；激光光路包括至少a)从激光发射器跨下游导管内部直接延伸到直接与其相对的激光接收器的激光光路，和b)从激光发射器跨下游导管内部斜向延伸到不直接与其相对的激光接收器之一的激光光路；并且激光发射器和激光接收器的定位和定向构成激光光路交点位置跨下游导管的横截面区域形成近似格栅。

在本申请的一些实施方案中，控制装置构造成用于计算涉及氮氧化物和氨浓度水平的空间分布的空间分布数据，空间分布数据反映a)沿着几个激光光路中每一个测定的氮氧化物和氨浓度水平之间的变化，和b)在激光光路交点计算的可能的氮氧化物和氨浓度水平之间的变化，其中可能的氮氧化物和氨浓度水平基于沿着交叉成激光光路交点的各激光光路的氮氧化物和氨的测定浓度水平。

在本申请的一些实施方案中，下游导管的横截面形状还包括第三侧，第三侧跨下游导管内部与第四侧相对；第三侧和第四侧各自包括一系列孔，这些孔经布置，使得第三侧上的多个孔与第四侧上的多个孔相对；第一可调谐二极管激光光谱装置还包括置于下游导管的第三侧和第四侧的孔中的多个激光发射器和多个激光接收器，使得激光发射器跨下游导管内部与激光接收器大体相对；沿着下游导管的第三侧和第四侧布置的激光发射器构造成在预定波长发射激光，激光通过预定激光光路，并由沿着下游导管的第三侧和第四侧布置的至少一个激光接收器接收；在第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上布置的激光发射器和激光接收器的定位和定向构成产生多个交叉的激光光路，多个交叉的激光光路包括与从第三侧延伸到第四侧的激光光路交叉的从第一侧延伸到第二侧的激光光路；控制装置构造成用于计算涉及氮氧化物和氨浓度水平的空间分布的空间分布数据，空间分布数据反映a)沿着几个激光光路中每一个测定的氮氧化物和氨浓度水平之间的变化，和b)在激光光路交点计算的可能的氮氧化物和氨浓度水平之间 的变化，其中可能的氮氧化物和氨浓度水平基于沿着交叉成激光光路交点的各激光光路的氮氧化物和氨的测定浓度水平

在本申请的一些实施方案中，预定波长包括至少涉及氮氧化物的吸收波长和涉及氨的吸收波长。

在本申请的一些实施方案中，预定波长包括至少涉及水蒸汽的吸收波长，并且激光吸收光谱装置构造成基于水蒸汽吸收波长测定燃烧排气流的温度。

在本申请的一些实施方案中，控制装置基于氮氧化物和还原剂的测定浓度水平控制还原剂注射器将还原剂注入燃烧排气流的速率。

在本申请的一些实施方案中，还原剂注射器包括以空间控制方式注入还原剂的装置，并且还原剂的空间控制注射基于涉及氮氧化物和氨测定浓度水平的空间分布的计算空间分布数据。在本申请的一些实施方案中，以空间控制方式注入还原剂的装置包括以下元件中至少一个：1)伸入燃烧排气流以提供多个还原剂注射位置的多个还原剂注射喷嘴，2)围绕下游导管周边隔开的多个还原剂注射喷嘴，和3)两者；以空间控制方式注入还原剂的手段包括在具有较高浓度水平氮氧化物的区域注入较高水平的还原剂，在具有较低浓度水平氮氧化物的区域注入较低水平的还原剂。

通过阅读以下优选实施方案的详细描述，并结合附图和附加权利要求，本申请的这些和其他特征将变得显而易见。

附图说明

通过仔细研究以下本发明的示例性实施方案的更详细描述，并结合附图，可更完全地理解并认识到本发明的这些和其他方面，其中：

图1为根据常规设计的燃气涡轮机和SCR系统及控制结构的示意图；

图2为根据本申请的示例性实施方案的燃气涡轮机和SCR系统及控制结构的示意图；

图3为根据本申请的实施方案可使用的可调谐二极管激光吸收光谱的原理的示意图；

图4为根据本申请的示例性实施方案的激光发射器/接收器结构的示意图；

图5为根据本申请的示例性实施方案的激光发射器/接收器结构的示意图；

图6为根据本申请的示例性实施方案的激光发射器/接收器结构的示意图；

图7为显示涉及氨吸收光谱的试验数据的图；

图8为显示涉及NOx吸收光谱的试验数据的图；和

图9为显示涉及水蒸汽吸收光谱的试验数据的图。

具体实施方式

减少和控制氮氧化物发动机排放是对内燃机的重要考虑，特别是大功率发电操作使用的那些。如所述，NOx排放是烟雾产生的一个因素。严格的NOx排放限度已由州和联邦政府颁布，并且在将来可 能变得更为严格。减少NOx排放的一种已知方法是通过降低燃烧温度减少NOx生成，例如通过使排气循环进入发动机燃烧室，以稀释燃烧混合物。然而，即使在控制的最佳条件下，未经处理的发动机排气一般也包含不允许水平的NOx。因此，另一种方法是在处理装置后经过一次或多次从排气去除(strip)NOx。

在本领域已知的处理系统后，在适合的还原剂(例如氨(NH₃))存在下，通过选择性催化还原，可按照以下反应式使NOx转化成元素N₂：

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O

4NO+O₂+4NH₃→4N₂+6H₂O

2NO₂+O₂+4NH₃→3N₂+6H₂O

应认识到，需要氨与NOx的具体摩尔匹配，以转化所有的NOx(或至少其适合部分)，同时不使过量的NH₃泄漏进入大气。然而，在实际中，对于所给定的常规SCR系统限制，已证明这难以达到。

通过研究常规SCR系统，可更好地理解本发明。参考图1，常规SCR系统100包括选择性催化还原装置114(或“SCR装置114”)，来自内燃机116的燃烧排气通过此装置引导和处理(如所示，内燃机室为燃气涡轮机116，燃气涡轮机116包括压缩机118、燃烧器120和涡轮122，其一般操作在本领域已知)。如所示，燃烧排气从燃气涡轮机116通过上游导管124引导到它通过的SCR装置114。在通过SCR装置114后，燃烧排气继续通过下游导管126，在此通过后，然 后可排到大气，引入热回收蒸汽发生器(未显示)或以一些其他方式使用。

常规SCR系统100可还包括用于在通过下游导管126时从燃烧排气抽取气体样品，并测试样品的NOx和还原剂浓度的常规装置。如所示，可在SCR装置114下游取得还原剂试验样品130，NOx试验样品132也可在SCR装置114下游取得。然后可将试验样品130，132引到控制装置136。

控制装置136可构造成通过还原剂注射器140控制还原剂注入。还原剂注射器140可在SCR装置114上游的位置将还原剂注入燃烧排气中。应理解，试验样品的取得、试验样品的检测和还原剂注入燃烧排气可通过常规装置和系统进行，其控制可由已知的方法和过程通过控制装置136进行。例如，关于还原剂注入，雾化喷嘴可位于SCR装置114上游，并可接收来自还原剂源的还原剂调节流，并将雾化的还原剂溶液喷入燃烧排气。SCR装置114可包括任何常规或市售SCR装置，所述装置包含在其中布置的催化剂，用于在上述还原剂和O₂存在下按已知方式使NOx选择性还原成N₂。

在操作中，常规SCR系统100一般如下操作。燃烧排气通过上游导管124从燃气涡轮机116流到SCR装置114。在流动通过上游导管124时，还原剂注射器140将还原剂流(例如，氨)注入燃烧排气。在SCR装置114内，在还原剂和O₂存在下催化剂使NOx选择性还原成N₂。在SCR装置114的下游，取得气体试验样品130，132，并提供到控制装置136，控制装置136可检测样品的NOx和还原剂浓 度。以这些试验结果为基础，控制装置136可调节还原剂通过还原剂注射器140的流量，以便减少NOx排放和/或减少还原剂泄漏。例如，如果试验结果指示NOx的排放水平不容许地高，就可增加还原剂通过还原剂注射器140的流量。这又应降低NOx增量，从而减少NOx排放。另一方面，如果试验结果指示NOx的排放水平可接受，但还原剂的排放水平不容许地高，就可减小还原剂通过生产性和注射器140的流量，这又应降低还原剂排放水平。然而，如上所述，常规检测过程包括显著滞后，这与其他限制一起妨碍系统100控制过程使NOx排放和还原剂泄漏最小或保持在可接受水平的能力。

现在参考图2，图2描绘根据本发明的一个方面的示例性SCR系统200。SCR系统200与燃气涡轮机100结合显示。应理解，本发明可与其他内燃机一起使用，并且在此环境下使用燃气涡轮机只为示例性的。如所示，SCR系统200包括：SCR装置202；下游可调谐二极管激光吸收光谱装置204(或“下游TDLAS装置204”)；上游可调谐二极管激光吸收光谱装置208(或“上游TDLAS装置208”)；还原剂注射器212；和控制装置216。应理解，SCR系统200的一些元件可与关于图1所述常规设计中的其对应物相同或相似。例如，SCR装置202可包括在本领域已知的常规SCR装置，所述装置包含催化剂，用于在还原剂(如，氨)和O₂存在下选择性还原NOx。在一些实施方案中，SCR装置202内的催化剂可作为在本领域一般已知的多孔或有沟的块料(monoliths)提供。另外，还原剂注射器212可类似于上述的还原剂注射器。例如，可用雾化喷嘴将还原剂控制流喷入燃烧排气。实 际上，应理解，本发明考虑通过任何常规输送方法引入还原剂(例如，氨)。即，应理解，所有适合化学还原剂(包括所有含氨的化学还原剂)和用于将它们供应或注入排气流以便它们与SCR催化剂相互作用的所有设备均为本发明所完全包含。然而，在某些实施方案中，如以下更详细描述，还原剂注射器212可采取其他新颖结构。最后，应理解，虽然几个元件描述为SCR系统200的部分，但一些元件不是本申请的某些要求保护的实施方案所必需。例如，本申请的一些实施方案可无需包括还原剂注射器212操作、无需还原剂注射器212的功能或控制操作。即，如以下权利要求中提供的，本申请的各方面包括新的燃烧排气监测能力，这种能力脱离将这些监测能力与控制或操作还原剂注射所采用的方式结合的系统。

如本申请进一步预见的那样，应理解，下游TDLAS装置204和上游TDLAS装置208可包括结合可调谐二极管激光器的常规吸收光谱技术，其具体作用通过有关图3至8更详细讨论。然而，应理解，涉及如何在本申请中结合和使用激光吸收光谱技术的某些新结构和操作方法也在本文中公开，如以下提供。另外，在本申请的某些实施方案中，应理解，TDLAS装置204，208两者可并非全部存在。例如，在一些实施方案中，下游TDLAS装置204可能存在，而上游TDLAS装置204在系统中省略。

在本文中使用时，控制装置216可包括构成如本文所述操作的常规计算机执行监视、检测和控制装置。应理解，可研究出以下详细描述的算法、控制程序、逻辑流程图和/或软件程序，以监测和控制SCR 系统200的操作。本领域的技术人员应理解，控制装置216可包括监测相关操作变量的多个传感器。这些硬件装置、试验设备和其他元件和系统可将数据和信息发送到控制装置216，并通过已知方法和系统由控制装置216控制和操作。即，根据常规装置和方法，按照一组指令或逻辑流程图(本领域的技术人员应理解，这可部分由软件程序组成)，控制装置216可从系统200的其他元件获取数据，检测样品，处理/监测数据，与系统的操作者交流，和/或控制系统的不同装置(例如还原剂注射器212和/或TDLAS装置204，208)的操作。

以下更详细讨论控制控制装置216操作的一组指令或逻辑流。根据本申请的实施方案，这些指令可描述于软件程序中，用计算机化控制装置216执行，一般用于检测、测定、计算和/或监控来自内燃机100的燃烧排气的性质，和/或优化SCR系统的功能。本领域的技术人员应理解，这些指令或逻辑可通过控制装置216执行并实施。在一些实施方案中，控制装置216可包括常规计算机。例如但不作为限制，控制装置216可作为具有用于总系统水平控制的主或中央处理器区段的单一专用集成电路，和在中央处理器区段控制下进行不同具体组合、功能和其他过程的单独专用区段执行。本领域的技术人员应理解，控制装置216也可用多种单独专用或可编程集成或其他电子电路或装置执行，例如硬连线电子或逻辑电路，包括分立元件电路或可编程逻辑装置，如PLDs、PALs、PLAs等。控制装置216也可用适当程序化通用计算机执行，例如微处理器或微控制或其他处理器装置，如CPU或MPU，它们单独或与一个或多个外围数据和信号处理装置结 合使用。通常，有限状态机能够在上面执行指令/逻辑流和本文所述其他功能的任何装置或类似装置均能够作为控制装置216发挥功能。

如所述，下游TDLAS装置204和上游TDLAS装置208可包括结合可调谐二极管激光器的任何常规吸收光谱技术(在其他实施方案中，可使用其他类型的可调谐和不可调谐激光器。在本说明书中可调谐二极管激光器用作此类型吸收光谱应用的优选和高功能替代)。图3为根据本申请的实施方案可使用的可调谐二极管激光吸收光谱的原理的示意图。如所示，此简化图解一般显示可调谐二极管激光吸收光谱装置300，所述光谱装置300包括可包括发射器光学器件304的激光发射器302和可包括接收器光学器件308的激光检测器或接收器306。可调谐二极管激光吸收光谱仪一般产生沿着激光光路310(即，虚线)方向的一条或多条激光。激光由激光发射器302发射，使得它们通过吸收介质312(即，检测物质浓度的介质)。在通过吸收介质后，激光由激光接收器306接收。通过使物质浓度水平与吸收介质312吸收激光相关，此技术得到吸收介质312中物质的浓度或量。一般基于激光的光学光谱技术有检测和监控气体介质中成分的巨大潜力。这种技术一般提供许多重要的优点，例如高灵敏度和高选择性与非侵入和遥感能力。

在一些实施方案中，激光发射器302可包括可调谐激光器。一般可调谐激光器为可以控制方式改变其工作波长的激光器。这一特征允许使用的灵活性，并且是为何本文结合优选的实施方案描述可调谐激光器的原因。本领域的技术人员应理解，可调谐激光器有很多类型和 种类。它们以气态、液态和固态存在。可调谐激光器的类型中有准分子激光器、CO2激光器、染料激光器(液态和固态)、过渡金属固态激光器、半导体二极管激光器和自由电子激光器。所有这些均是本申请考虑的可能替代，并且可调谐二极管激光器是特别优选的实施方案。作为TDLAS应用的部分，设计可调谐二极管激光器集中在对气态待测化合物(即，物质)具有特异性的单一吸收波长。可调谐二极管激光器能够达到低检测限，并且实质上无干扰。相关领域的技术人员应理解，在直接气相激光吸收光谱中定量测定通常基于比尔定律，比尔定律陈述，对于恒定光程长度，通过吸收介质的入射光能的强度随浓度按指数规律减小。

更具体地讲，比尔-朗伯定律描述在激光束通过均匀气体介质时入射和透射光谱强度之间的关系。当在频率v的光谱窄辐射通过长度L[cm]的均匀气体介质时，透射强度I_t与入射强度I₀的关系为：

${\left(\frac{I_t}{I_0}\right)}_v=\exp (-k_{v}L)$

其中k_v[cm^-1]为光谱吸收系数。关于孤立跃迁i(对于激光)，

k_v＝Px_absS_i(T)φ_v

其中P[atm]为气体的总压力，x_abs为目的吸收物质的摩尔分数，S_i(T)[cm^-2atm^-1]为在温度T[K]的跃迁的谱线强度，φ_v[cm]为谱线形函数。谱线形函数φ_v归一化，使得：

$\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_v\mathrm{dv}\≡1$

然后，可将物质浓度(摩尔分数)确定为：

$x_{\mathrm{abs}}=\frac{\mathrm{In}{\left(\frac{I_0}{I_t}\right)}_v}{{\mathrm{PS}}_i\left(T\right)L}$

以上公式表明，分子密度为参比和激光透射强度的函数。

一般本发明的可调谐二极管激光仪器(即，激光发射器302)包括二极管，以在包含目的化学物质相对独特吸收波长的窄频率范围内发光。通过改变二极管温度或改变送到它的电流或此两者，可“调谐”激光频率。以此方式，可使激光波长匹配目的光谱吸收谱线。可用在具体锁定波长的吸收度计算浓度，或者，可用在信号平均器建立的关于目的吸收谱线的小波长范围计算吸收度，并由此计算浓度。通过多路转换具有多于一个二极管的仪器，可监测多种化学物质。其中检测限取决于气体的压力和温度及光程长度，并且较短的光程长度得到较高检测限。市售的二极管一般为由超纯物质精确混合制成的半导体。这些二极管结构的基础物质包括镓(Ga)、铟(In)、砷(As)、锑(Sb)、磷(P)、铝(Al)、铅(Pb)、锡(Sn)、硒(Se)、碲(Te)和硫(S)。

本申请的激光接收器306可包括任何常规激光检测器，包括光电二极管。光电二极管可由多种物质构成。可根据需要包括光学器件304，308，以聚焦激光光路。

在使用中，如图3中一般显示，可如下操作可调谐二极管激光吸收光谱装置300。激光发射器302可发射与目的化合物吸收波长一致波长的激光，目的化合物如NOx、NH₃或水蒸汽，这些化合物包含于吸收介质312内，在本申请中包括发动机的燃烧排气。可布置激光接收器306，使得它在激光通过吸收介质312后接收发射的激光。根据 已知方法，在吸收介质312内目的物质或化合物的浓度可根据激光通过吸收介质312时经历的吸收水平计算，吸收水平可根据激光接收器306检测的激光计算。

图4为根据本申请的示例性实施方案的激光发射器/接收器结构的示意图。应理解，图4显示吸收介质312通过的导管400的横截面图。关于本申请的示例性实施方案，导管400可表示上游导管124、下游导管126或两者。在导管400内，孔可相互相对安置。在导管400的一侧，孔可包括激光发射器302。与激光发射器302相对，孔可包括激光接收器306。根据已知方法，激光可从激光发射器302发射，并且可取向成激光通过激光光路310(并通过吸收介质312)。可确定激光波长，以便其匹配吸收介质312内目的气体物质或物质的吸收波长。以此方式，可根据通过吸收介质312时激光的吸收测定物质的浓度。在通过吸收介质312后，由激光接收器306接收激光。激光接收器306通过比较接收的激光与发射的激光检测吸收水平。然后，可根据吸收水平计算吸收介质312内气体物质的浓度。

假定在图4中激光光路310水平对准，涉及物质浓度空间分布的数据就会受到相当限制。即，空间分布一般局限于在各激光发射器302/激光接收器306配对之间的各水平线水平测定的浓度。因此，给定图4的激光光路310方向，可在各水平(即，在各发射器302/接收器306配对之间)测定目的物质的平均浓度，并且可比较不同的水平，但关于物质浓度空间分布的更多细节不可能得到。

图5显示根据本发明的示例性实施方案的激光光路310的备用结构。如所示，在此情况下，激光发射器302可取向成产生多个交叉的激光光路。因此，例如激光发射器302可对准在其正对面的激光接收器306，和/或对准位于不同行的三个(third)激光接收器306中的第二个(从而产生一个或多个交叉的斜向激光光路310)。

几个“数据云”502也在图5中表示。数据云502为关于给定交叉激光光路310可从获取数据收集的物质浓度空间分布的直观表示。如图5中所示，物质浓度的空间分布信息包括两类数据：1)在各发射器302/接收器306配对之间测定的平均浓度相关的数据；和2)在各交叉激光光路310作出的可能物质浓度或可能浓度的计算(根据沿着各交叉光路310测定的平均浓度，可接近)。以此方式，如几个数据云502所示，可计算涉及物质浓度空间分布的改进数据。即，激光光路310的很多交点提供在导管400的类格栅横截面关于物质浓度的指示。

图6显示根据本发明的示例性实施方案的激光光路310的另一种备用结构。在此情况下，激光发射器302可位于长方形导管400的两侧上，与激光发射器302相对，激光接收器306可位于长方形导管400的另外两侧上。以此方式，如几个数据云602所示，可按以上与图5相关讨论的相同方式，计算涉及物质浓度空间分布的改进数据。当然，提供的激光光路310结构为示例性的，其他结构也是可能的。本领域的技术人员应理解，使用图5和6所示那些组合的其他结构和使用更多或更少激光发射器302/激光接收器306的结构是可能的，且全部为本申请所考虑。

应理解，上游TDLAS装置208和/或下游TDLAS装置204可包括如图4、5或6所示那些或其他结构装配的TDLAS装置。另外，如所述，指示的各激光光路310可包括设计同时测定多种气体物质浓度的多个波长的激光。在一个优选应用中，吸收介质312可以为内燃机燃烧排气，TDLAS装置204，208测定的气体物质浓度可包括还原剂(例如，氨)、NOx和/或水蒸汽。(如以下更详细讨论，本领域的技术人员应理解，用于水蒸汽的宽吸收光谱可用于精确测定燃烧排气的温度，并且可作为还原剂或NOx所用波长校正水蒸汽可能造成的干扰)。

图7为显示本申请的发明人开发的涉及在相关温度氨吸收光谱的试验数据的图，可用于为了测定氨浓度有效调谐本发明所用激光二极管的波长。如所示，已发现氨的有效吸收光谱可包括在约1.5和3.5μm之间的波长。给定燃烧排气内其他成分的吸收光谱(可导致干扰氨浓度测定)和图7中所示试验结果，在一个更优选的实施方案中，可使用约1.9和2.1μm之间的氨吸收光谱。在另一个更优选的实施方案中，可使用约2.2和2.4μm之间的氨吸收光谱。

图8为显示本申请的发明人开发的涉及在相关温度NOx吸收光谱的试验数据的图，可用于为了测定NOx浓度有效调谐本发明所用激光二极管的波长。如所示，已发现NOx的有效吸收光谱可包括在约2.5和4.0μm之间的波长。给定燃烧排气内其他成分的吸收光谱(可导致干扰NOx浓度测定)和图8中所示结果，在一个更优选的实施方 案中，可使用约2.6和2.8μm之间的NOx吸收光谱。在另一个更优选的实施方案中，可使用约3.4和3.6μm之间的NOx吸收光谱。

图9为显示本申请的发明人开发的涉及在相关温度水蒸汽吸收光谱的试验数据的图，可用于测定排气流的温度。本领域的技术人员应理解，对于两个不同温度依赖性跃迁，可从峰吸收度测定比推出温度。两个峰吸收度之比由以下公式给出：

$R=\frac{P_{\mathrm{abs}}{\mathrm{L\φ}}_{v1}{S}_1\left(T\right)}{P_{\mathrm{abs}}{\mathrm{L\φ}}_{v2}{S}_2\left(T\right)}=\frac{S_1\left(T\right){\mathrm{\φ}}_{v1}}{S_2\left(T\right){\mathrm{\φ}}_{v2}}$

其中φ_v[cm]为具体激光跃迁的谱线形函数。谱线形函数φ_v归一化，使得 

然后，所述比成为：

$R=\frac{S_1\left(T\right)}{S_2\left(T\right)}$

以此方式，可通过本发明的实施方案测定排气流的温度。

另外，由于水蒸汽在红外范围具有宽吸收带，在排气流中存在水蒸汽一般导致感测激光交叉吸收，因为在流中存在水分子和氨或NOx的组合。即，水蒸汽将导致NOx和/或氨感测激光显示高于吸收介质中实际物质含量的水平。为了减小这种交叉吸收误差，可使用不吸收NOx或氨的波长的激光，以便能够从在其他波长测定的NOx或氨水平减去水蒸汽。可用公式估计气体中存在的水的浓度：

在氨的情况下，公式变成：

因此，应理解，排气中存在的氨的校正浓度为：

x_NH3＝x_NH3+水-x_水

如图9所示(并考虑氨和NOx的吸收波长)，已发现水蒸汽的有效吸收光谱可包括在约0.9和1.5μm之间的波长。在一个更优选的实施方案中，可使用约1.1和1.3μm之间的水蒸汽吸收光谱。

在操作中，可根据以上所述的系统、元件和方法如下操作SCR系统200。燃烧排气可从内燃机(在此情况下，燃气涡轮机116)通过上游导管124流到SCR装置114。可恰好位于SCR装置114上游的上游TDLAS装置208可测定燃烧排气流内NOx的温度和/或浓度。上游TDLAS装置208可将涉及NOx测定温度和浓度的数据提供到控制装置216，如所示。根据本申请，此数据可在从测定的很短时间内获得，例如在不到1秒内。

在流动通过上游导管124时，在上游TDLAS装置208的下游，还原剂注射器212可将还原剂流(例如，氨)注入燃烧排气。在SCR装置114内，在还原剂和O₂存在下催化剂可使NOx选择性还原成N₂。

在SCR装置114的下游，在下游导管126中，下游TDLAS装置204可测定离开SCR装置114的燃烧排气流内的温度、NOx的浓度和/或还原剂的浓度。下游TDLAS装置204可将涉及NOx和还原剂测定温度和浓度的数据提供到控制装置216，如所示。同样，此数据可在测定后的很短时间内提供，例如在不到1秒内。

如所述，给定系统200的布置、结构和元件，TDLAS装置204，208提供涉及通过相对较短时间后，排气内相关物质的温度和/或浓度测定的数据。以此方式，可监测涉及还原剂和/或NOx温度和浓度的基本当前数据。如讨论，TDLAS可通过在不吸收其他相关气体物质的波长，测定水蒸汽浓度来校正旨在测定其他物质浓度的波长水蒸汽的交叉吸收。

在本发明的一些实施方案中，以当前温度和/或浓度数据为基础，控制装置216可根据控制算法调节还原剂通过还原剂注射器212的流量，使得NOx排放紧密保持在或低于预定目标水平，和/或使还原剂泄漏保持在或低于预定或目标水平。例如，如果试验结果指示NOx的排放水平高于预定目标水平，就可通过控制装置216增加还原剂(例如，氨)通过还原剂注射器140的流量。这又使增加量的NOx在SCR装置114内减少，从而减少NOx排放。在此情况下，反映基本当前NOx和氨浓度和排气温度的及时数据(即，小于约1秒滞后，或者在某些情况下小于0.1秒滞后)可定期测定，并提供到控制装置216，使得控制装置216可继续按照控制算法调节还原剂注射速率。按此方式，可减少NOx排放，并使氨的注射速率保持在不产生显著还原剂泄漏的水平。另一方面，如果试验结果指示NOx的排放水平可以接受，但氨排放(或泄漏)水平不容许地高，就可通过控制装置216减小氨通过还原剂注射器140的流量。这又使SCR装置114内还原的NOx的量减少，导致NOx排放水平增加。然而氨泄漏应减少。如前所述，反映基本当前NOx和氨浓度和排气温度的及时数据(即，小于约1秒 滞后，或者在某些情况下小于0.1秒滞后)可提供到控制装置216，使得控制装置216可继续按照控制算法调节还原剂注射速率，从而保持可接受的NOx和氨排放水平。

在至少某些应用中，本发明提供几个优点。

第一，本发明的系统提供精确的及时测定数据，以便能够以NOx和还原剂排放减少或最少化的方式，紧密监控和/或控制选择性催化还原过程。如所述，本发明的系统以小于1秒滞后时间提供测定数据，以便能够知道和监控选择性催化还原过程的当前条件。利用此类型的及时数据，应理解，与瞬时操作阶段(即，启动、负荷摆动等)相关的快速变化条件可已知，并以及时方式作出反应。如此进行的能力可允许根据当前条件调节还原剂注射速率，这将减少还原剂泄漏和NOx排放。

第二，常规系统一般在物质浓度测定位置缺乏精确温度数据，但本发明的系统在收集物质浓度数据的相同位置提供精确温度数据。由于氨吸收速率取决于温度，此性质的精确数据对以过量NOx和/或氨排放减少或最少化的方式控制过程是必要的。

第三，常规系统一般缺乏关于通过排气的相关化合物的空间分布的信息，但如上所述的本发明的系统可构造成以及时和成本有效方式和不干扰燃烧排气流通过导管的方式得到性质的数据。常规抽取技术需要一定长度的导管伸入排气的流路，这会麻烦，构造和维护昂贵，并且可能影响排气流。

第四，常规系统一般只测定SCR下游的排气组成，但本发明的系统允许在上游测定排放气体，并以及时方式提供测定结果，以便可使上游测定有意义(即，有效以控制算法来促进SCR系统的操作)。更特别是，与常规系统有关的测定滞后时间一般意味着在SCR装置上游的气体组成测定无用(或不如它们那样有用)。因此，常规系统集中在SCR装置的下游测定。当然，在此位置，无论下游测定指示什么，那里的任何气体均超过SCR装置(即，处理)的范围，并将释放到大气中。在本发明的系统中，测定结果可实质上瞬时提供(如所述，在不到1秒内，在一些应用中小于0.1秒)，并且在还原剂注射器212和SCR装置114的上游进行测定为调节处理变量提供了机会(例如，由还原剂注射器注入排气流的还原剂的量可以增加)，以便在释放到大气之前也可处理被测定的排放气体。

第五，空间浓度数据提供以可用增加浓度的还原剂处理浓NOx区域的方式，将还原剂注入排气流的机会。NOx和还原剂的类似分布(即，高浓度NOx区域与高浓度氨区域一致，低浓度NOx区域与低浓度氨区域一致)提供SCR装置内NOx的更有效减少、较低水平NOx排放和较低水平还原剂泄漏。可用几种类型的还原剂注射系统以此方式提供还原剂的控制分布。这样的一种系统可包括几个还原剂注射器，这些还原剂注射器伸入排气的流路，并提供在导管的横截面区域均匀隔开的几个注射喷嘴。另一种这样的系统可包括围绕导管周边隔开的几个还原剂注射喷嘴。另一种这样的系统可包括伸入流路的还原剂注射喷嘴和沿着周边布置的那些的组合。另外，一些注射喷嘴 (沿着周边的那些喷嘴或伸入流路的那些喷嘴)可制成使其中喷射对准的方向能够被控制。应理解，还原剂到几个喷嘴的流量可以改变，使得还原剂不均匀地通过横截面施加，因此以所需方式解决NOx的不均匀分布。在其他实施方案中，如果浓NOx或氨形成或不均匀温度分布区域出现，可调节通过导管的流型，以便能够达到更混合和更大连续性。这可通过使用可调节翼片或表面达到，可调节翼片或表面可伸入排气流并移动，直至达到通过排气流的所需一致性水平。为了达到这一目的，可使用控制反馈回路，该控制反馈回路可通过浓度测定和由本申请几个实施方案计算的不同气体物质的空间分布提供。

本领域的技术人员应理解，以上关于几个示例性实施方案所述的很多不同特征和结构可进一步选择应用，以形成本发明的其他可能的实施方案。为了简洁并考虑本领域的技术人员的能力，所有可能的重复未详细提供或讨论，虽然以下几个权利要求或另外包含的所有组合和可能的实施方案均将成为本申请的部分。另外，由本发明的几个示例性实施方案的以上描述，本领域的技术人员将认识到多种改进、变化和修改。在本领域技能内的这些改进、变化和修改也将由附加权利要求覆盖。另外，应很明显，前述只涉及本申请的所述实施方案，其中可进行很多变化和修改，而不脱离以下权利要求及其等同实施方案限定的本申请的精神和范围。

部件清单

常规SCR系统100

选择性催化还原装置114

内燃机/燃气涡轮机116

压缩机118

燃烧器120

涡轮122

上游导管124

下游导管126

还原剂试验样品130

NOx试验样品132

控制装置136

还原剂注射器140

SCR系统200

SCR装置202

下游可调谐二极管激光吸收光谱装置204

上游可调谐二极管激光吸收光谱装置208

还原剂注射器212

控制装置216

激光吸收光谱装置/可调谐二极管激光吸收光谱装置300

激光发射器302

发射器光学器件304

激光检测器或接收器306

接收器光学器件308

激光光路310

吸收介质312

导管400 。

Claims (14)

1.一种用于监测和/或控制来自内燃机116燃烧排气流的氮氧化物和还原剂的排放水平的系统，其中内燃机116包括选择性催化还原装置202，该选择性催化还原装置202置于将燃烧排气流引导到选择性催化还原装置202的上游导管124和引导燃烧排气流离开选择性催化还原装置202的下游导管126之间的燃烧排气流中，所述选择性催化还原装置202具有催化剂，该催化剂构造成在还原剂和氧气存在下，使燃烧排气中所含的氮氧化物催化还原成元素氮，并且其中内燃机116还包括还原剂注射器212，该还原剂注射器212将还原剂注入选择性催化还原装置202上游的燃烧排气流中，所述系统包括：

激光吸收光谱装置300，所述光谱装置300置于下游导管126中，并构造成测定燃烧排气流中至少氮氧化物和还原剂的浓度水平；和

控制装置216；

其中激光吸收光谱装置300构造成向控制装置216提供涉及氮氧化物和还原剂测定浓度水平的及时数据。

2.权利要求1的系统，其中及时数据包括含小于0.1秒滞后时间的数据。

3.权利要求1的系统，其中激光吸收光谱装置300包括可调谐二极管激光器，且其中所述还原剂包括氨。

4.权利要求3的系统，其中：

激光吸收光谱装置300包括第一可调谐二极管激光光谱装置300；

所述系统还包括置于上游导管124中还原剂注射器212上游的第二可调谐二极管激光光谱装置300；并且

第二可调谐激光吸收光谱装置300构造成测定燃烧排气流中至少氮氧化物的浓度水平，并向控制装置216提供涉及氮氧化物测定浓度水平的及时数据。

5.权利要求4的系统，其中：

下游导管126包括包括第一侧的横截面形状，第一侧跨下游导管126内部与第二侧相对；

第一侧和第二侧各自包括一系列孔，这些孔经布置，使得第一侧上的多个孔与第二侧上的多个孔相对；

第一可调谐二极管激光光谱装置300包括置于孔中的多个激光发射器302和多个激光接收器306，使得激光发射器302跨下游导管126内部与激光接收器306大体相对；并且

激光发射器302构造成在预定波长发射激光，激光通过预定激光光路，并由至少一个激光接收器306接收。

6.权利要求5的系统，其中各激光发射器302与激光接收器306之一配对，并且各对跨下游导管126内部直接相互相对；并且

其中控制装置216构造成用于计算涉及氮氧化物和氨测定浓度水平的空间分布的空间分布数据，所述空间分布数据反映沿着激光光路测定的氮氧化物和氨浓度水平的变化。

7.权利要求5的系统，其中：

激光发射器302和激光接收器306的定位和定向构造成产生多个交叉的激光光路；

激光光路包括至少a)从激光发射器跨下游导管126内部直接延伸到直接与其相对的激光接收器的激光光路，和b)从激光发射器跨下游导管126内部斜向延伸到不直接与其相对的激光接收器306之一的激光光路；并且

激光发射器302和激光接收器306的定位和定向构造成使激光光路交点位置跨下游导管126的横截面区域形成近似格栅。

8.权利要求7的系统，其中控制装置216构造成用于计算涉及氮氧化物和氨浓度水平的空间分布的空间分布数据，所述空间分布数据反映：a)沿着几个激光光路中每一个测定的氮氧化物和氨浓度水平之间的变化，和b)在激光光路交点计算的可能的氮氧化物和氨浓度水平之间的变化，其中可能的氮氧化物和氨浓度水平基于沿着交叉成激光光路交点的各激光光路的氮氧化物和氨的测定浓度水平。

9.权利要求5的系统，其中：

下游导管126的横截面形状还包括第三侧，第三侧跨下游导管126内部与第四侧相对；

第三侧和第四侧各自包括一系列孔，这些孔经布置，使得第三侧上的多个孔与第四侧上的多个孔相对；

第一可调谐二极管激光光谱装置300还包括置于下游导管126的第三侧和第四侧的孔中的多个激光发射器302和多个激光接收器306，使得激光发射器302跨下游导管126内部与激光接收器306大体相对；

沿着下游导管126的第三侧和第四侧布置的激光发射器302构造成在预定波长发射激光，激光通过预定激光光路，并由沿着下游导管126的第三侧和第四侧布置的至少一个激光接收器306接收；

在第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上布置的激光发射器302和激光接收器306的定位和定向构造成产生多个交叉的激光光路，所述多个交叉的激光光路包括与从第三侧延伸到第四侧的激光光路交叉的从第一侧延伸到第二侧的激光光路；

控制装置216构造成用于计算涉及氮氧化物和氨浓度水平的空间分布的空间分布数据，所述空间分布数据反映：a)沿着几个激光光路中每一个测定的氮氧化物和氨浓度水平之间的变化；和b)在激光光路交点计算的可能的氮氧化物和氨浓度水平之间的变化，其中可能的氮氧化物和氨浓度水平基于沿着交叉成激光光路交点的各激光光路的氮氧化物和氨的测定浓度水平。

10.权利要求5的系统，其中所述预定波长包括至少涉及氮氧化物的吸收波长和涉及氨的吸收波长。

11.权利要求10的系统，其中：

所述预定波长包括至少涉及水蒸汽的吸收波长；并且

激光吸收光谱装置300构造成基于水蒸汽吸收波长测定燃烧排气流的温度。

12.权利要求7的系统，其中控制装置216基于氮氧化物和还原剂的测定浓度水平，控制还原剂注射器将还原剂注入燃烧排气流的速率。

13.权利要求12的系统，其中：

还原剂注射器212包括以空间控制方式注入还原剂的装置；并且

还原剂的空间控制注射基于涉及氮氧化物和氨测定浓度水平的空间分布的计算空间分布数据。

14.权利要求13的系统，其中所述以空间控制方式注入还原剂的装置包括以下元件中至少一个：1)伸入燃烧排气流以提供多个还原剂注射位置的多个还原剂注射喷嘴，2)围绕下游导管126周边隔开的多个还原剂注射喷嘴，和3)两者；并且

其中以空间控制方式注入还原剂的手段包括在具有较高浓度水平的氮氧化物的区域注入较高水平的还原剂，和在具有较低浓度水平的氮氧化物的区域注入较低水平的还原剂。

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