CN105041431A - 排气后处理系统及用于排气后处理的方法 - Google Patents

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Abstract

用于内燃发动机(1)的排气后处理系统(2)，该排气后处理系统(2)具有布置在内燃发动机的下游、用于硫氧化物的化学吸附、包含含钙颗粒的分离器(3)，具有气体-气体换热器(4)，经由其一方面可以传导已经过分离器(3)传导的排气和另一方面可以传导离开内燃发动机(1)的排气从而提高离开内燃发动机(1)的排气的温度，并且具有加热装置(5)，该加热装置(5)布置在气体-气体换热器(4)的下游和分离器(3)的上游，用于经由气体-气体换热器(4)传导的排气的进一步升温。

Description

排气后处理系统及用于排气后处理的方法
技术领域
本发明涉及一种排气后处理系统。本发明还涉及一种用于排气后处理的方法。
背景技术
在固定式内燃发动机(例如在发电厂中所采用的固定式内燃发动机)中的燃烧过程期间，以及在非固定式内燃发动机(例如在船舶上所采用的非固定式内燃发动机)中的燃烧过程中，产生硫氧化物(例如SO2和SO3)，其中这些硫氧化物通常是在含硫化石燃料(例如煤、矿煤、褐煤、石油或重质燃料油)的燃烧期间所产生的。因为此原因，所以给这种内燃发动机配备排气后处理系统，该系统特别地用于对离开内燃发动机的排气进行脱硫。
为了使排气脱硫，自现有技术已知的主要方法是吸附方法，该方法主要使用生石灰(CaO)或消石灰(Ca(OH)2)或碳酸钙(CaCO3)作为吸附剂。在此过程中形成粉尘或颗粒(granulate)，其中为了从排气中去除硫酸钙粉尘，必须在脱硫的下游使用过滤装置。
从DE3603365C2中，已知一种用于对含有氮氧化物和粉尘的排气进行处理的方法和排气后处理系统。
发明内容
由此出发，本发明的目的基于建立新型的排气后处理系统及用于排气后处理的新型方法。
此目的通过根据权利要求1所述的排气后处理系统来实现。根据本发明的用于内燃发动机的排气后处理系统包括布置在内燃发动机下游，用于硫氧化物的化学吸附，具有含钙颗粒的分离器。此外，根据本发明的排气后处理系统包括气体-气体换热器，通过该气体-气体换热器一方面可以传导经过分离器传导的排气，另一方面可以传导离开内燃发动机的排气，从而提高离开内燃发动机的排气的温度。此外，根据本发明的排气后处理系统包括布置在气体-气体换热器的下游和分离器的上游的加热装置，该加热装置用于进一步提高经由气体-气体换热器传导的排气的温度。
通过使用分离器，可以省略用于从排气中去除硫酸钙粉尘或颗粒的过滤装置。硫氧化物与分离器中的含钙颗粒发生反应，并且可以颗粒的形式排出。气体-气体换热器和布置在气体-气体换热器下游的加热装置允许将经过分离器传导的排气的温度控制到对于分离器中排气的脱硫为最佳的温度，其中在对气体-气体换热器中的排气温度进行控制之后，可以减少加热装置的管线(line)。通过将经过分离器传导的排气温度控制到对于分离器中排气的脱硫为最佳的温度来确保用于分离器中排气脱硫的反应时间短。此外，对于分离器中排气脱硫的这种确保需要相对少的含钙颗粒。
优选地，气体-气体换热器将离开内燃发动机的排气加热到330℃至350℃的温度，优选加热到340℃至350℃的温度。加热装置将排气加热到375℃至450℃，优选400℃至450℃，最优选360℃至420℃的温度。排气的温度控制对于分离器中排气的脱硫而言是高效且特别有利的。
根据有利的进一步改进，用于将SO2氧化成SO3的氧化催化转化器位于加热装置的下游和分离器的上游，经由该氧化催化转化器可以传导在分离器上游的加热装置中已加热的排气。使用用于将SO2氧化成SO3的氧化催化转化器使得排气在分离器中的停留时间甚至更短成为可能，因为SO3相比SO2更快地与分离器的含钙颗粒发生反应。这可以实现特别有效的排气脱硫。
根据更有利的进一步改进，一个装置位于加热装置的下游和分离器的上游，经由该装置可以将含钙和/或含钠的粉末引入到在分离器上游的加热装置中被加热的排气中。这可以实现特别有效的排气脱硫。借助于分离器，可以有效地将在脱硫期间所形成的硫酸钙粉末和/或硫酸钠粉末或者含硫酸盐的颗粒从排气中分离。特别地，当除了经由其可以将含钙和/或含钠的粉末或颗粒引入到在分离器上游的加热装置中已加热的排气中的该装置外，氧化催化转化器也位于加热装置的下游和分离器的上游，经由其可以将含钙和/或含钠的粉末或颗粒引入到排气中的装置位于用于将SO2氧化成SO3氧化催化转化器的下游和分离器的上游。
根据有利的进一步改进，所述排气后处理系统包括SCR-催化转化器(选择性催化转化器)，其位于分离器的下游和气体-气体换热器的上游，或者可替代地位于气体-气体换热器的下游。在SCR-催化转化器中，进行排气的脱氮和由此导致的排气排放的进一步还原。
根据本发明的用于排气后处理的方法由权利要求12所限定。
由从属权利要求(subclaim)和下文的说明书获得本发明优选的进一步改进。本发明的示例性实施方案借助于附图进行更详细的说明，但本发明并不局限于此。
其中：
附图说明
图1：根据本发明的第一排气后处理系统的方框图。
图2：根据本发明的第二排气后处理系统的方框图。
图3：根据本发明的第三排气后处理系统的方框图。
图4：根据本发明的第四排气后处理系统的方框图。
图5：根据本发明的进一步的排气后处理系统的方框图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于内燃发动机(例如用于发电厂中的固定式内燃发动机或用于船舶的非固定式内燃发动机)的排气后处理系统。
具体地，排气后处理系统被应用于使用重质燃料油来运行的船用柴油发动机。
图1示出了布置在内燃发动机1下游的排气后处理系统2的第一示例性实施方案，其中根据本发明的排气后处理系统2包括具有含钙颗粒或石灰基颗粒的分离器3，该分离器3用于在分离器3中对硫氧化物进行化学吸附。分离器3可以是所谓的填充床反应或者所谓的移动床反应器或流化床反应器。
分离器3中所使用的用于硫氧化物的化学吸附的颗粒优选地包括CaO和/或Ca(OH)2和/或CaCO3。在此过程中，根据以下反应方程式，排气的硫氧化物与含钙颗粒反应(即对于Ca(OH)2根据以下反应方程式发生反应)：
Ca(OH)2+SO2←→CaSO3+H2O
Ca(OH)2+SO2+1/2O2←→CaSO4+H2O
Ca(OH)2+CO2←→CaCO3+H2O
Ca(OH)2+SO3←→CaSO4+H2O
并且对于CaCO3，根据以下反应方程式发生反应：
CaCO3+SO2←→CaSO3+CO2
CaCO3+SO2+1/2O2←→CaSO4+CO2
CaCO3+SO3←→CaSO4+CO2
已经通过分离器3传导的排气可以经由排气后处理系统2的气体-气体换热器4来传导，正如离开内燃发动机1的排气，其还是要经由分离器3来传导。在分离器3中硫氧化物的化学吸附期间，作为放热反应的结果而产生热，因此已经经由分离器3传导的排气具有比离开内燃发动机1的排气更高的温度，因此在气体-气体换热器4中离开内燃发动机1的排气(其还是要经由分离器3来传导)可以由已经过分离器3传导的排气所加热。根据本发明的排气后处理系统2的加热装置5位于气体-气体换热器4的下游和分离器3的上游，其中所述加热装置5用于进一步提高经过气体-气体换热器4传导并且已经在其中被加热的排气的温度。
因此，离开位于分离器3上游的内燃发动机1的排气的加热在两个阶段中进行，一方面在气体-气体换热器4中被加热，另一方面在位于气体-气体换热器4下游的加热装置5中被加热。在气体-气体换热器4中，利用已经过分离器3传导的排气的升高的温度来加热离开内燃发动机1的排气。离开内燃发动机1的排气通常具有低于320℃的温度。通过气体-气体换热器4，可以将离开内燃发动机1的排气加热到330℃至350℃的温度，优选加热到340℃至350℃的温度。经由位于气体-气体换热器4下游的加热装置5来进一步加热，且由此导致在分离器3上游的排气温度从所述温度水平升高，其中加热装置5将排气加热到375℃至450℃的温度，优选加热到400℃至450℃的温度。
通过上述分离器3上游的排气温度控制(其中排气的硫氧化物与分离器3的含钙颗粒反应来用于硫氧化物的化学吸附)，排气的硫氧化物可以与分离器3的含钙颗粒在最佳工艺温度下发生反应，从而可以实现缩短排气在分离器3中的停留时间。此外，特别是当有待在分离器3中处理的排气在上述排气温度下经由分离器3传导时，在分离器3中需要相对少的还原剂和因此相对少的含钙颗粒用于硫氧化物的化学吸附。总的来说，由此可以确保在分离器3中高效的排气后处理或排气的脱硫。
如上文已经说明的，在分离器3中硫氧化物的化学吸附(即排气的硫氧化物与分离器3的含钙颗粒的反应)是放热反应，该放热反应将经由分离器3传导的排气加热。在分离器3中的放热反应期间所释放的该热能，被用于气体-气体换热器4从而将已经离开内燃发动机1的排气加热到中间温度。因此，可以减少加热装置5(其优选为使用燃料运行的燃烧器或者电加热装置)。因此，可以提高根据本发明的排气后处理系统2的效率。
在图1中所示的示例性实施方案中，用于使排气脱硫的SCR-催化转化器6位于分离器3的下游，其中SCR-催化转化器6用于排气的脱氮。相应地，在图1中SCR-催化转化器6位于分离器3的下游和气体-气体换热器4的上游。
在SCR-催化转化器6中，将氨用作还原剂。可以直接通过在分离器3和SCR-催化转化器6之间的喷嘴，或者可以将在排气中被转化成氨的氨前体物质引入到位于分离器3下游和SCR-催化转化器6上游的排气中来将在SCR-催化转化器6所使用的氨注入到SCR-催化转化器6上游的排气中。这种前体物质具体为尿素。
在图1的示例性实施方案中，余热回收装置7位于气体-气体换热器4的下游，其中在气体-气体换热器4的下游利用排气的余热从而进一步提高排气后处理系统2的效率并且将具有大约100℃的温度的排气引导到排气后处理系统7下游的环境中。
在此指出的是，SCR-催化转化器6也可以位于气体-气体换热器4的下游和余热回收装置7的上游。在这种情况下，离开分离器3的排气最初经由气体-气体换热器4来传导且随后经由SCR-催化转化器6来传导。
图2中示出了布置在内燃发动机1下游的排气后处理系统2的第二示例性实施方案，其中图2的排气后处理系统2与图1的排气后处理系统2的不同之处在于：在图2的示例性实施方案中，氧化催化转化器8位于分离器3的上游和加热装置5的下游。
在氧化催化转化器8中，根据以下反应方程式使SO2反应成SO3：
2SO2+O2→2SO3
在氧化催化转化器8中将以下化学元素用作用于使SO2氧化成SO3的的活性组分：V(钒)和/或铂/钯和/或Fe(铁)和/或Ce(铈)和/或Cs(铯)和/或这些元素的氧化物。钒(V)组分的量优选为大于5％，优选大于7％，最优选大于9％。
氧化催化转化器8使用TiO2(二氧化钛)和/或SiO2(二氧化硅)作为基材，其优选地由WO3(氧化钨)来稳定。
因为SO3与分离器3的含钙颗粒反应相比SO2更快，所以有利的是将用于使SO2氧化成SO3的氧化催化转化器8布置在分离器3的上游。由此可以提高脱硫的效率。优选地，在氧化催化转化器8中将SO2氧化成SO3通过以下方式来实现，在氧化催化转化器8的下游，排气中全部硫氧化物(SOx)中的SO3组分的量为至少20％，优选大于40％，最优选大于60％。
图3示出了图1的示例性实施方案的替代的有利进一步改进，其中图3的排气后处理系统2与图1的排气后处理系统2的不同之处在于：装置9位于加热装置5的下游和分离器3的上游，经由该装置9可以将含钙和/或含钠的粉末引入到位于包含含钙颗粒的分离器3上游的加热装置5中经过加热的排气中。
图3的排气后处理系统2的装置9(其用于将含钙和/或含钠的粉末引入到内燃发动机1的排气中)将粒度小于1mm，优选小于0.5mm，最优选小于0.25mm的含钙和/或含钠的粉末引入到排气中，其中含钙和/或含钠的粉末的钙和/或钠具有至少为+1的氧化价态。
优选地，含钙和/或含钠的粉末包含CaO和/或Ca(OH)2和/或CaCO3和/或NaHCO3。
装置9可以将含钙和/或含钠的粉末以与作为载气的空气形成气溶胶的干的形式或者与作为溶剂的水形成乳液的湿的形式引入到排气流中。
将这种含钙和/或含钠的粉末用作吸附剂以及上述的经由装置9将其引入到排气中确保了用于使含钙和/或含钠的粉末与内燃发动机1的排气中所含的硫氧化物(即与SO2和SO3)发生反应的大表面积，因此可以有效地将硫氧化物转化成硫酸钙CaSO4和/或硫酸钠Na2SO4。含钙和/或含钠的粉末与SO2和SO3的反应通常根据以下反应方程式来实现，即对于Ca(OH)2，根据以下反应方程式：
Ca(OH)2+SO2←→CaSO3+H2O
Ca(OH)2+SO3←→CaSO4+H2O
且对于CaCO3，则根据以下反应方程式：
CaCO3+SO2←→CaSO3+CO2
CaCO3+SO2+1/2O2←→CaSO4+CO2
CaCO3+SO3←-→CaSO4+CO2
且对于NaHCO3，根据以下反应方程式：
2NaHCO3→Na2CO3+CO2+H2O
Na2CO3+SO2+1/2O2→Na2SO4+CO2
Na2CO3+SO3→Na2SO4+CO2
通过经由在分离器3上游的装置9将含钙和/或含钠的粉末引入到排气中，形成粉末状硫酸钙CaSO4和/或硫酸钠Na2SO4，可以将其与作为移动床反应器或流化床反应器形成的分离器3的颗粒一起排出。
在分离器3中，使用与经由装置9被引入到排气中的含钙和/或含钠的粉末相比具有相对较大的粒度(即大于2mm，优选大于3mm，最优选大于4mm的粒度)的颗粒。
分离器3的颗粒含钙但不含钠。因此，分离器3的颗粒必须不包含任何NaHCO3。最好地，可经由在分离器3上游的装置9将作为相对较细粒度的粉末的NaHCO3引入到排气中。
优选地给分离器3配备未图示的装置，该装置用于在移动床或流化床中将由颗粒捕获的硫酸钙(其连同颗粒一起从设计为移动床反应器或流化床反应器的分离器3中排出)从颗粒中分离出来。此装置可以是例如滚筒剥皮机(drumpeeler)、转筒筛或磨机。此后，可以将不含硫酸钙的颗粒随之再次供应到移动床反应器或流化床反应器中，从而由此形成颗粒回路并且更有效地使用该颗粒。
通过图4示出了布置在内燃发动机1下游的排气后处理系统2的进一步示例性实施方案，其中图4的示例性实施方案是图2与图3的示例性实施方案的组件的组合。因此，图4的排气后处理系统2一方面包括用于使SO2氧化成SO3的氧化催化转化器8，且另一方面包括用于将含钙和/或含钠的粉末引入到排气中的装置9。根据图4，经由其可以将含钙和/或含钠的粉末引入到排气中的装置9位于氧化催化转化器8的下游。相应地，氧化催化转化器8位于加热装置5的下游，装置9位于氧化催化转化器8的下游和分离器3的上游。
通过图5示出了用于内燃发动机的排气后处理系统2的进一步示例性实施方案，其中图5的排气后处理系统2，正如图2的排气后处理系统2，包括氧化催化转化器8并且还包括用于将气态氨(NH3)引入到排气中的装置10，其中用于将气态NH3引入到排气中的该装置10布置在氧化催化转化器8的上游，由此相应地在氧化催化转化器8的上游将NH3引入到内燃发动机1的排气中。
在此，可以提供的是或者将NH3直接以气态形式直接引入到排气流中，或者将NH3前体物质(举例来说，例如尿素)注入到排气流中并在排气流中使其蒸发成NH3。在氧化催化转化器5的上游将气态NH3引入到排气流中具有以下优点：通过由此导致的排气的脱氮可以改善随后的脱硫。
在图1至图5中所示的排气后处理系统2中，可以采用设计为移动床反应器或流化床反应器的多级分离器3，从而改善硫酸钙和适当的情况下硫化钠的分离，其中特别是当使用多级分离器3时，在分离器3的单独的级中使用不同粒度的颗粒。在分离器3的单独的级中，颗粒的粒度随之相互偏离。优选地，使用设计为错流分离器的分离器3。
还可以将本发明用于包括排气涡轮增压器的排气增压内燃发动机。在这种情况下，然后优选提供的是至少颗粒分离器3位于排气涡轮增压器的涡轮(未示出)的下游。在适当的情况下，氧化催化转化器8优选位于这种涡轮的上游，因为存在于涡轮上游的高压和排气中的高温有利于在氧化催化转化器8中使SO2氧化成SO3。
本发明提出了一种用于内燃发动机的排气后处理系统和用于对离开内燃发动机的排气进行排气后处理的方法，其中在包含含钙颗粒的分离器3中进行排气的脱硫。
为了在分离器3中在最佳操作条件下进行此脱硫，在分离器3的上游将离开内燃发动机1的排气加热到优选400℃至450℃的工艺温度，即最初在气体-气体换热器4中的多个级中和随后在加热装置5中。气体-气体换热器4将脱硫期间在分离器3中产生的热能用于将离开内燃发动机1的排气加热到中间温度，由此可以减少加热装置5的热输出。加热装置5可以是用电操作的加热装置或者使用气态燃料或液态燃料(特别是使用重质燃料油)操作的燃烧器。
如上文已经说明的，在分离器3的含钙颗粒或石灰基颗粒上的硫氧化物的化学吸附在包含含钙颗粒的分离器3中进行，该分离器3具体化为填充床反应器或移动床反应器，其中该反应是放热反应并相应地释放出热能。分离器3可以具体化为双壁的分离器，以便减少分离器3中的热损失，并因此更好地将由放热反应所释放的热能用于在气体-气体换热器中加热离开内燃发动机的排气。
在分离器3下游的SCR-催化转化器6的可选的应用实现排气的脱氮，其中特别是当将作为氨前体物质的尿素引入到在分离器3下游和SCR-催化转化器6上游的排气中时，由于存在于颗粒分离器3下游的高温，尿素的短蒸发距离是足够的。由于经由SCR-催化转化器6传导已脱氮的排气的这一事实，因此没有堵塞SCR-催化转化器6的危险性。
在所有图示的示例性实施方案中，任选的余热回收装置7位于气体-气体换热器4的下游。这可以是例如蒸汽涡轮机，其中利用排气的余热来产生电力。由于之前所进行的排气脱硫，因而没有由沉析的H2SO4在余热回收装置7的区域中造成腐蚀的危险性。
如上文所说明的，根据本发明的排气后处理系统2的特征在于最佳调整的热管理。离开内燃发动机1的排气通常具有低于320℃的温度。通过在内燃发动机中对发动机侧的干预(例如排气节流或废气旁通阀影响(wastegateinfluencing))，可以将离开内燃发动机1的排气的温度提高到一定程度。经由气体-气体换热器4可以将离开内燃发动机1的排气加热到大约350℃的温度。在加热装置5的区域，随后将排气加热到优选360℃至450℃的温度，从而提供用于分离器3中硫氧化物的化学吸附的最佳工艺温度。分离器3中的此化学吸附是放热反应，因此离开分离器3的排气具有升高的温度。将已经过分离器3传导的排气的这种升高的温度用于气体-气体换热器4中。在任选存在的SCR-催化转化器6中(在图示的示例性实施方案中该转化器6位于分离器3和气体-气体换热器4之间)，仅发生排气温度的小幅降低。在气体-气体换热器4的下游，优选地将排气的余热用于余热回收装置7来产生电能。在余热回收装置7下游的温度为最高大约为120℃。
附图标记的列表
1内燃发动机
2排气后处理系统
3分离器
4气体-气体换热器
5加热装置
6SCR-催化转化器
7余热回收装置
8氧化催化转化器
9装置
10装置

Claims (13)

1.用于内燃发动机的排气后处理系统(2)，所述排气后处理系统具有包含含钙颗粒、布置在内燃发动机(1)的下游、用于硫氧化物的化学吸附的分离器(3)，具有气体-气体换热器(4)，经由其一方面可以传导已经过所述分离器(3)传导的排气和另一方面可以传导离开所述内燃发动机(1)的排气从而提高离开所述内燃发动机(1)的排气的温度，并且具有加热装置(5)，所述加热装置(5)布置在所述气体-气体换热器(4)的下游和所述分离器(3)的上游，用于进一步提高已经过所述气体-气体换热器(4)传导的排气的温度。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于所述加热装置(5)将所述排气加热到375℃至450℃，优选400℃至450℃的温度。
3.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于所述气体-气体换热器(4)将所述排气加热到330℃至350℃的温度，优选加热到340℃至350℃的温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于SCR-催化转化器(6)位于所述分离器(3)的下游，其中离开所述分离器(3)的排气可以最初经过所述SCR-催化转化器(6)且随后经过所述气体-气体换热器(4)引导。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于SCR-催化转化器(6)位于所述气体-气体换热器(4)的上游，其中离开所述分离器(3)的排气可以最初经过所述气体-气体换热器(4)且随后经过所述SCR-催化转化器(6)引导。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于余热回收装置(7)位于所述气体-气体换热器(4)的下游。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于用于使SO2氧化成SO3的氧化催化转化器(8)位于所述加热装置(5)的下游和所述分离器(3)的上游，经由其可以将在加热装置(5)中已加热的排气引导至所述分离器(3)的上游。
8.根据所述权利要求1至7中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于装置(9)位于所述加热装置(5)的下游和所述分离器(3)的上游，经由其可以将含钙和/或含钠的粉末引入到在位于所述分离器(3)上游的所述加热装置(5)中已加热的排气中。
9.根据权利要求8所述的排气后处理系统，其特征在于经由其可以将含钙和/或含钠的粉末引入到排气中的所述装置(9)位于用于使SO2氧化成SO3的氧化催化转化器(8)的下游和所述分离器(3)的上游。
10.根据权利要求8或9所述的排气后处理系统，其特征在于经由所述装置(9)被引入到排气流中的所述含钙和/或含钠的粉末包含CaO和/或Ca(OH)2和/或CaCO3和/或NaHCO3，其中经由所述装置(9)被引入到所述排气流中的含钙和/或含钠的粉末的粒度为小于1mm，优选小于0.5mm，最优选小于0.25mm。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的排气后处理系统，其特征在于优选地设计为填充床或移动床反应器的所述分离器(3)的颗粒包含CaO和/或Ca(OH)2和/或CaCO3，其中所述分离器(3)中的颗粒的粒度为大于2mm，优选大于3mm，最优选大于4mm。
12.用于对离开内燃发动机的排气进行排气后处理的方法，其中所述排气经由包含含钙颗粒的用于硫氧化物的化学吸附的分离器来传导，其中使一方面已经过所述分离器传导的排气和另一方面离开所述内燃发动机的排气经由气体-气体换热器来传导从而提高离开所述内燃发动机的排气的温度，并且其中使在所述气体-气体换热器中已加热的排气经由布置在所述气体-气体换热器下游和所述分离器上游的加热装置来传导从而进一步提高温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于借助于根据权利要求1至11中任一项所述的排气后处理系统进行所述方法。
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