CN103883379B

CN103883379B - 船机scr系统

Info

Publication number: CN103883379B
Application number: CN201410140313.7A
Authority: CN
Inventors: 吕林; 陈悦
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-04-08
Also published as: CN103883379A

Abstract

本发明公开了一种船机SCR系统，包括发动机排气管、添蓝喷射系统和催化器，发动机排气管的排气口与催化器的进气口连通，添蓝喷射系统的喷嘴布置在发动机排气管内，发动机排气管与催化器之间设有混合器，混合器包括筒状结构的混合器管体和固定安装在混合器管体内的叶片总成；叶片总成包括中央圆形凸台和沿中央圆形凸台外沿的圆周方向均匀布置的叶片组件；叶片组件又包括直叶片和弯折叶片，直叶片的一侧边与弯折叶片的一侧边相连构成叶片组件，叶片组件一端与中央圆形凸台的外沿相连，直叶片所在平面与中央圆形凸台所在平面的夹角为α，弯折叶片所在平面与直叶片所在平面的夹角为β。适用于船舶。

Description

船机SCR系统

技术领域

本发明涉及用于船用柴油机的SCR系统，具体地指一种船机SCR系统。

背景技术

氮氧化物是船用柴油机的主要有害排放物之一，通常所说的氮氧化物有N₂O、NO、NO₂、N₂O₃、N₂O₄和N₂O₅等多种不同形式，其中所占比例最大的是NO和NO₂，均为重要的大气污染物（若无特殊注明，以下提到的氮氧化物——NO_x仅指NO和NO₂）。

据中国船级社统计，截至2010年，CCS（CCS为中国船级社的简称）级船队共有入级船舶2485艘，共4278万吨，按该水平推算，大型柴油机NO_x的排放水平约为15g/(kWh)，燃油消耗率约为190g/(kWh)，若每年运转4000h，则全年消耗燃料油超过1200万吨，约有100万吨的NO_x排放到大气中，占全国NO_x总排放的7%左右。在丹麦、挪威等一些航运发达的国家，大气中NO_x的排放约17%～40%来自于船舶。因此，船机NO_x排放引起了广泛地关注。

目前，虽然SCR系统（选择性催化还原系统）已被成功应用于船舶上，但这种SCR系统在实际应用过程中存在以下问题：

由于船用发动机的排气管管径较大，所以从排气管排出的气流为不规律运动气流，该不规律运动气流容易使添蓝（40%质量浓度的尿素水溶液）在气流中分布不均匀，从而导致添蓝无法与催化器内的催化剂充分接触，最终导致NO_x转化效率降低、氨泄漏增加。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种可提高NO_x转化效率的船机SCR系统。

为实现上述目的，本发明所设计的一种船机SCR系统，包括发动机排气管、添蓝喷射系统和催化器，所述发动机排气管的排气口与所述催化器的进气口连通，所述添蓝喷射系统的喷嘴布置在所述发动机排气管内，所述发动机排气管与所述催化器之间设有混合器，所述混合器包括筒状结构的混合器管体和固定安装在所述混合器管体内的叶片总成；

所述叶片总成包括中央圆形凸台和沿所述中央圆形凸台外沿的圆周方向均匀布置的叶片组件；

所述叶片组件又包括直叶片和弯折叶片，所述直叶片的一侧边与所述弯折叶片的一侧边相连构成所述叶片组件，所述叶片组件一端与所述中央圆形凸台的外沿相连，所述直叶片所在平面与所述中央圆形凸台所在平面的夹角为α，所述弯折叶片所在平面与所述直叶片所在平面的夹角为β。

通过在所述发动机排气管与所述催化器之间加设混合器，同时，将所述混合器的叶片总成设计成由中央圆形凸台和沿所述中央圆形凸台外沿的圆周方向均匀布置的叶片组件构成的特殊结构，并优化设计叶片组件的直叶片和弯折叶片的位置关系，使得携带有添蓝的气流流经本混合器时会产生径向速度脉冲，形成主体对流和涡旋运动，保证了添蓝和气流均匀地混合，并使流经的添蓝液滴被不断分散切割为较小微团，且流动方向的变化不断产生分流与合流，既增大了添蓝与气流的接触面积又产生了主体对流和涡旋运动，从而促进了添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程。

在上述方案中，所述α为30～60°，所述β为100～150°。通过优化设计所述直叶片所在平面与所述中央圆形凸台所在平面的夹角α以及所述弯折叶片所在平面与所述直叶片所在平面的夹角β，能进一步地促进添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程。

在上述方案中，所述叶片组件的数量为4～12组，所述叶片组件的叶片厚度为0.012～0.013D，其中D为所述发动机排气管的内径。通过优化设计所述叶片组件的数量和其叶片的厚度，能更进一步地促进添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程，以使其效果达到最佳。

在上述方案中，所述直叶片为等腰梯形结构，所述直叶片的小头端与所述中央圆形凸台相连，所述弯折叶片也为等腰梯形结构，所述弯折叶片的小头端与所述中央圆形凸台相连，所述弯折叶片的一腰与所述直叶片的一腰相连。当然，所述直叶片和弯折叶片也可采用其他的形状结构。

在上述方案中，所述直叶片的上底边为0.037D，下底边为0.125D，高为0.375D；所述弯折叶片的上底边为0.075D，下底边为0.25D，高为0.375D；其中D为所述发动机排气管的内径。所述直叶片和所述弯折叶片的尺寸根据所述发动机排气管内径D设计。

在上述方案中，所述中央圆形凸台上设有半圆形结构的压降孔。加设的压降孔配合所述中央圆形凸台可有效地减小所述混合器的压降。

在上述方案中，所述发动机排气管的进气口与所述喷嘴之间设有整流器，所述整流器包括筒状结构的整流器管体和安装在所述整流器管体内的穿孔板，所述穿孔板所在平面与所述整流器管体的轴线垂直。通过在所述发动机排气管的进气口与所述喷嘴之间加设整流器，这样，从发动机排气管排出的不规律运动气流经过所述整流器的穿孔板时，气流的流通面积被大大减小，从而对气流的偏流有一定的规正作用，能有效地克服气流流速的不均匀性，使气流变为一维流场，为后续气流与添蓝的充分混合做准备。

在上述方案中，所述穿孔板的开孔率为30～60%。所述穿孔板上的孔洞可为方形或圆形，所述开孔率可根据压降设计，压降要求越小所述开孔率越高。

在上述方案中，所述添蓝喷射系统包括喷嘴、添蓝泵和添蓝罐，所述添蓝罐通过一管道与所述添蓝泵输入端连通，所述添蓝泵输出端通过另一管道与所述喷嘴连通，所述喷嘴的数量至少为2个，所述喷嘴沿圆周方向均匀安装在所述发动机排气管内壁上。这样，可减小添蓝液滴的直径、增大添蓝液滴的总表面积，可使所述喷嘴喷出的喷雾形状、喷雾空间的粒径尺寸及分布达到最佳，从而有利于添蓝液滴的蒸发和均匀分布。

在上述方案中，所述喷嘴的孔径为0.5～1mm，所述喷嘴与所述催化器的进气口之间的距离为6～8D，其中D为所述发动机排气管的内径。这样，添蓝蒸气即尿素蒸气在进入催化器前就已经完全热解成氨气和异氰酸，从而有利于NO_x的转化。

本发明的优点在于：

1、通过在所述发动机排气管与所述催化器之间加设混合器，同时，将所述混合器的叶片总成设计成由中央圆形凸台和沿所述中央圆形凸台外沿的圆周方向均匀布置的叶片组件构成的特殊结构，并优化设计叶片组件的直叶片和弯折叶片的位置关系，使得携带有添蓝的气流流经本混合器时会产生径向速度脉冲，形成主体对流和涡旋运动，保证了添蓝和气流均匀地混合，并使流经的添蓝液滴被不断分散切割为较小微团，且流动方向的变化不断产生分流与合流，既增大了添蓝与气流的接触面积又产生了主体对流和涡旋运动，从而促进了添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程；

2、通过优化设计所述直叶片所在平面与所述中央圆形凸台所在平面的夹角α以及所述弯折叶片所在平面与所述直叶片4b2a所在平面的夹角β，能进一步地促进添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程；

3、通过优化设计所述叶片组件的数量和其叶片的厚度，能更进一步地促进添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程，以使其效果达到最佳；

4、加设的压降孔配合所述中央圆形凸台可有效地减小所述混合器的压降；

5、通过在所述发动机排气管的进气口与所述喷嘴之间加设整流器，这样，从发动机排气管排出的不规律运动气流经过所述整流器的穿孔板时，气流的流通面积被大大减小，从而对气流的偏流有一定的规正作用，能有效地克服气流流速的不均匀性，使气流变为一维流场，为后续气流与添蓝的充分混合做准备；

6、通过将所述喷嘴沿所述发动机排气管内壁圆周方向均匀布置，这样，可减小添蓝液滴的直径、增大添蓝液滴的总表面积，可使所述喷嘴喷出的喷雾形状、喷雾空间的粒径尺寸及分布达到最佳，从而有利于添蓝液滴的蒸发和均匀分布；

7、通过优化设计所述喷嘴的参数，这样，添蓝蒸气即尿素蒸气在进入催化器前就已经完全热解成氨气和异氰酸，从而有利于NO_x的转化。

附图说明

图1为发明的结构示意图；

图2为混合器的结构示意图；

图3为图2的俯视结构示意图；

图4为叶片总成去掉弯折叶片后的结构示意图；

图5为图4的侧视结构示意图；

图6为沿图4中A-A线的剖面结构示意图；

图7为叶片组件的结构示意图；

图8为叶片组件的另一视角的结构示意图；

图9为叶片组件的小头端的正视结构示意图；

图10为叶片组件的大头端的正视结构示意图；

图11为直叶片的结构示意图；

图12为弯折叶片的结构示意图；

图13为整流器的结构示意图；

图14为图13的侧视结构示意图；

图15为喷嘴的布置结构示意图；

图16为喷嘴的结构示意图。

图中：发动机排气管1，添蓝喷射系统2，喷嘴2a，添蓝泵2b，添蓝罐2c，催化器3，混合器4，混合器管体4a，叶片总成4b，中央圆形凸台4b1，压降孔4b1a，叶片组件4b2，直叶片4b2a，弯折叶片4b2b，整流器5，整流器管体5a，穿孔板5b。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示的一种船机SCR系统，包括发动机排气管1、添蓝喷射系统2和催化器3，所述发动机排气管1的排气口与所述催化器3的进气口连通，所述添蓝喷射系统2的喷嘴2a布置在所述发动机排气管1内，所述发动机排气管1与所述催化器3之间设有混合器4，所述混合器4包括筒状结构的混合器管体4a和固定安装在所述混合器管体4a内的叶片总成4b；

所述叶片总成4b包括中央圆形凸台4b1和沿所述中央圆形凸台4b1外沿的圆周方向均匀布置的叶片组件4b2；

所述叶片组件4b2又包括直叶片4b2a和弯折叶片4b2b，所述直叶片4b2a的一侧边与所述弯折叶片4b2b的一侧边相连构成所述叶片组件4b2，所述叶片组件4b2一端与所述中央圆形凸台4b1的外沿相连，所述叶片组件4b2另一端与所述混合器管体4a的内壁相连，所述直叶片4b2a所在平面与所述中央圆形凸台4b1所在平面的夹角为α，所述弯折叶片4b2b所在平面与所述直叶片4b2a所在平面的夹角为β。

通过在所述发动机排气管1与所述催化器3之间加设混合器4，同时，将所述混合器4的叶片总成4b设计成由中央圆形凸台4b1和沿所述中央圆形凸台4b1外沿的圆周方向均匀布置的叶片组件4b2构成的特殊结构，并优化设计叶片组件4b2的直叶片4b2a和弯折叶片4b2b的位置关系，使得携带有添蓝的气流流经本混合器4时会产生径向速度脉冲，形成主体对流和涡旋运动，保证了添蓝和气流均匀地混合，并使流经的添蓝液滴被不断分散切割为较小微团，且流动方向的变化不断产生分流与合流，既增大了添蓝与气流的接触面积又产生了主体对流和涡旋运动，从而促进了添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程。

所述混合器4主要通过以下三种方式起到使添蓝与气流混合均匀的作用：

1）携带有添蓝的气流经过所述混合器4时，添蓝液滴与混合器管体4a的内壁发生碰撞，液滴实现二次破碎，促进了添蓝的雾化和蒸发；

2）所述直叶片4b2a和弯折叶片4b2b的特殊组合结构使携带有添蓝的气流产生径向速度脉冲，进而使添蓝液滴被不断分散切割为较小微团，且流动方向的变化不断产生分流与合流，既增大了添蓝与气流的接触面积又产生了主体对流和涡旋运动，加快了添蓝液滴的蒸发，从而促进了添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程；

3）这种结构的混合器4会在混合器4下游形成强烈的湍流，促进了气流的扩散，从而添蓝与气流的混合。

上述α为30～60°，所述β为100～150°。通过优化设计所述直叶片4b2a所在平面与所述中央圆形凸台4b1所在平面的夹角α以及所述弯折叶片4b2b所在平面与所述直叶片4b2a所在平面的夹角β，能进一步地促进添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程。所述叶片组件4b2的数量为4～12组，所述叶片组件4b2的叶片厚度为0.012～0.013D，其中D为所述发动机排气管1的内径。通过优化设计所述叶片组件4b2的数量和其叶片的厚度，能更进一步地促进添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程，以使其效果达到最佳。

上述直叶片4b2a为等腰梯形结构，所述直叶片4b2a的小头端与所述中央圆形凸台4b1相连，所述弯折叶片4b2b也为等腰梯形结构，所述弯折叶片4b2b的小头端与所述中央圆形凸台4b1相连，所述弯折叶片4b2b的一腰与所述直叶片4b2a的一腰相连。当然，所述直叶片4b2a和弯折叶片4b2b也可采用其他的形状结构。所述直叶片4b2a的上底边为0.037D，下底边为0.125D，高为0.375D；所述弯折叶片4b2b的上底边为0.075D，下底边为0.25D，高为0.375D；其中D为所述发动机排气管1的内径。所述直叶片4b2a和所述弯折叶片4b2b的尺寸根据所述发动机排气管1内径D设计。

上述中央圆形凸台4b1上设有半圆形结构的压降孔4b1a。加设的压降孔4b1a配合所述中央圆形凸台4b1可有效地减小所述混合器4的压降。由于整流器5和混合器4等装置对所述发动机排气管1排气会产生一定的阻力，所以会使发动机排气不畅或排气不够充分，进而影响气缸内的进气量，最终导致发动机功率下降。所述压降孔4b1a配合所述中央圆形凸台4b1可有效地减小所述混合器4的压降，从而减小混合器4对所述发动机排气管1排气产生的阻力，保证了发动机的功率。

上述发动机排气管1的进气口与所述喷嘴2a之间设有整流器5，所述整流器5包括筒状结构的整流器管体5a和安装在所述整流器管体5a内的穿孔板5b，所述穿孔板5b所在平面与所述整流器管体5a的轴线垂直。通过在所述发动机排气管1的进气口与所述喷嘴2a之间加设整流器5，这样，从发动机排气管1排出的不规律运动气流经过所述整流器5的穿孔板5b时，气流的流通面积被大大减小，从而对气流的偏流有一定的规正作用，能有效地克服气流流速的不均匀性，使气流变为一维流场，为后续气流与添蓝的充分混合做准备。所述穿孔板5b的开孔率为30～60%。所述穿孔板5b上的孔洞可为方形或圆形，所述开孔率可根据压降设计，压降要求越小所述开孔率越高。

上述添蓝喷射系统2包括喷嘴2a、添蓝泵2b和添蓝罐2c，所述添蓝罐2c通过一管道与所述添蓝泵2b输入端连通，所述添蓝泵2b输出端通过另一管道与所述喷嘴2a连通，所述喷嘴2a的数量至少为2个，所述喷嘴2a沿圆周方向均匀安装在所述发动机排气管1内壁上。这样，可减小添蓝液滴的直径、增大添蓝液滴的总表面积，可使所述喷嘴2a喷出的喷雾形状、喷雾空间的粒径尺寸及分布达到最佳，从而有利于添蓝液滴的蒸发和均匀分布。所述喷嘴2a的孔径为0.5～1mm，所述喷嘴2a与所述催化器3的进气口之间的距离为6～8D，其中D为所述发动机排气管1的内径。这样，添蓝蒸气即尿素蒸气在进入催化器3前就已经完全热解成氨气和异氰酸，从而有利于NO_x的转化。

所述喷嘴2a的孔径根据流量进行调整，流量小于10L/h时孔径选0.5mm，流量大于30L/h时孔径选1mm。直径较小的添蓝液滴在向所述发动机排气管1内壁的运动过程中逐渐蒸发，而直径较大的添蓝液滴在气流的剪切力作用下剥离破碎，进而快速地蒸发成为了气体。

本发明的工作过程如下：

在发动机工作时，尾气通过涡轮出口进入发动机排气管1，流经整流器5时混乱的气流被规整为一维流场，添蓝喷射系统2根据发动机工况向所述发动机排气管1中加注添蓝，添蓝液滴均匀分布在所述发动机排气管1的内截面上，在混合器4的作用下添蓝液滴在所述发动机排气管1内迅速分解为氨气（以下简称NH₃），并与气流均匀混合，NH₃随携带有NO_x的气流进入催化器3，NO_x与NH₃在所述催化器3内催化剂的作用下发生还原反应，NO_x被还原为N₂，净化后的气流经所述催化器3排出，从而实现了发动机NO_x的排放控制。

本实施例中，所述混合器4和整流器5可通过法兰结构安装在所述发动机排气管1与催化器3之间，也可直接焊接在所述发动机排气管1与催化器3之间。

本发明通过在所述发动机排气管1与所述催化器3之间加设混合器4，同时，将所述混合器4的叶片总成4b设计成由中央圆形凸台4b1和沿所述中央圆形凸台4b1外沿的圆周方向均匀布置的叶片组件4b2构成的特殊结构，并优化设计叶片组件4b2的直叶片4b2a和弯折叶片4b2b的位置关系，使得携带有添蓝的气流流经本混合器4时会产生径向速度脉冲，形成主体对流和涡旋运动，保证了添蓝和气流均匀地混合，并使流经的添蓝液滴被不断分散切割为较小微团，且流动方向的变化不断产生分流与合流，既增大了添蓝与气流的接触面积又产生了主体对流和涡旋运动，从而促进了添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程；通过优化设计所述直叶片4b2a所在平面与所述中央圆形凸台4b1所在平面的夹角α以及所述弯折叶片4b2b所在平面与所述直叶片4b2a所在平面的夹角β，能进一步地促进添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程；通过优化设计所述叶片组件4b2的数量和其叶片的厚度，能更进一步地促进添蓝液滴的雾化、蒸发、分解与混合过程，以使其效果达到最佳；加设的压降孔4b1a配合所述中央圆形凸台4b1可有效地减小所述混合器4的压降；通过在所述发动机排气管1的进气口与所述喷嘴2a之间加设整流器5，这样，从发动机排气管1排出的不规律运动气流经过所述整流器5的穿孔板5b时，气流的流通面积被大大减小，从而对气流的偏流有一定的规正作用，能有效地克服气流流速的不均匀性，使气流变为一维流场，为后续气流与添蓝的充分混合做准备；通过将所述喷嘴2a沿所述发动机排气管1内壁圆周方向均匀布置，这样，可减小添蓝液滴的直径、增大添蓝液滴的总表面积，可使所述喷嘴2a喷出的喷雾形状、喷雾空间的粒径尺寸及分布达到最佳，从而有利于添蓝液滴的蒸发和均匀分布；通过优化设计所述喷嘴2a的参数，这样，添蓝蒸气即尿素蒸气在进入催化器3前就已经完全热解成氨气和异氰酸，从而有利于NO_x的转化。

Claims

1.一种船机SCR系统，包括发动机排气管(1)、添蓝喷射系统(2)和催化器(3)，所述发动机排气管(1)的排气口与所述催化器(3)的进气口连通，所述添蓝喷射系统(2)的喷嘴(2a)布置在所述发动机排气管(1)内，其特征在于：

所述发动机排气管(1)与所述催化器(3)之间设有混合器(4)，所述混合器(4)包括筒状结构的混合器管体(4a)和固定安装在所述混合器管体(4a)内的叶片总成(4b)；

所述叶片总成(4b)包括中央圆形凸台(4b1)和沿所述中央圆形凸台(4b1)外沿的圆周方向均匀布置的叶片组件(4b2)；

所述叶片组件(4b2)又包括直叶片(4b2a)和弯折叶片(4b2b)，所述直叶片(4b2a)的一侧边与所述弯折叶片(4b2b)的一侧边相连构成所述叶片组件(4b2)，所述叶片组件(4b2)一端与所述中央圆形凸台(4b1)的外沿相连，所述直叶片(4b2a)所在平面与所述中央圆形凸台(4b1)所在平面的夹角为α，所述弯折叶片(4b2b)所在平面与所述直叶片(4b2a)所在平面的夹角为β；

所述α为30～60°，所述β为100～150°；

所述叶片组件(4b2)的数量为4～12组，所述叶片组件(4b2)的叶片厚度为0.012～0.013D，其中D为所述发动机排气管(1)的内径；

所述直叶片(4b2a)为等腰梯形结构，所述直叶片(4b2a)的小头端与所述中央圆形凸台(4b1)相连，所述弯折叶片(4b2b)也为等腰梯形结构，所述弯折叶片(4b2b)的小头端与所述中央圆形凸台(4b1)相连，所述弯折叶片(4b2b)的一腰与所述直叶片(4b2a)的一腰相连；

所述直叶片(4b2a)的上底边为0.037D，下底边为0.125D，高为0.375D；所述弯折叶片(4b2b)的上底边为0.075D，下底边为0.25D，高为0.375D；其中D为所述发动机排气管(1)的内径。

2.根据权利要求1所述的船机SCR系统，其特征在于：所述中央圆形凸台(4b1)上设有半圆形结构的压降孔(4b1a)。

3.根据权利要求1所述的船机SCR系统，其特征在于：所述发动机排气管(1)的进气口与所述喷嘴(2a)之间设有整流器(5)，所述整流器(5)包括筒状结构的整流器管体(5a)和安装在所述整流器管体(5a)内的穿孔板(5b)，所述穿孔板(5b)所在平面与所述整流器管体(5a)的轴线垂直。

4.根据权利要求3所述的船机SCR系统，其特征在于：所述穿孔板(5b)的开孔率为30～60％。

5.根据权利要求1所述的船机SCR系统，其特征在于：所述添蓝喷射系统(2)包括喷嘴(2a)、添蓝泵(2b)和添蓝罐(2c)，所述添蓝罐(2c)通过一管道与所述添蓝泵(2b)输入端连通，所述添蓝泵(2b)输出端通过另一管道与所述喷嘴(2a)连通，所述喷嘴(2a)的数量至少为2个，所述喷嘴(2a)沿圆周方向均匀安装在所述发动机排气管(1)内壁上。

6.根据权利要求5所述的船机SCR系统，其特征在于：所述喷嘴(2a)的孔径为0.5～1mm，所述喷嘴(2a)与所述催化器(3)的进气口之间的距离为6～8D，其中D为所述发动机排气管(1)的内径。