CN105114158B - 一种适用于中小型船舶的选择性催化还原脱硝系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于中小型船舶的选择性催化还原脱硝系统，该系统包括发动机、主排气管、反应器和根据发动机及排气参数将尿素水溶液混合压缩空气喷入反应器的尿素单元，反应器的顶部设有尾部排气管，反应器底部密封连接有进口排气管，反应器内自下而上安装有尿素喷嘴和催化剂模块，催化剂模块下方设有吹灰装置；主排气管的两端分别与反应器和发动机连接，尿素单元与安装在反应器内底部的尿素喷嘴相连，尿素单元通过安装在反应器内底部的尿素喷嘴将反应所需还原剂喷入反应器内部。本发明采用紧凑的系统结构、稳定高效的控制系统以及管路布置，整体高度集成，进一步提高空间利用率，能够有效地脱除船舶发动机排气中的氮氧化物。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟气处理装置，特别涉及一种适用于中小型船舶的选择性催化还原脱硝系统。
背景技术
船舶造成的大气污染日益严重，在一些临海城市地区船舶排气甚至成为主要污染源，船舶减排势在必行。近海岸处船舶以中小型船舶为主，对沿海城市及地区的影响最大，故针对中小型船舶的减排刻不容缓。氮氧化物是船舶柴油机排气中主要污染物，国际海事组织IMO海洋换将保护委员会MPEC在“国际防止船舶造成污染公约MARPOL”附则6中要求船舶在排放限制区内航行时，其氮氧化物排放量需达到Tier III标准。而Tier III要求的NOx排放限值无法通过优化发动机机内燃烧的方式达标，需要在机外添加尾气后处理装置以达到排放要求。
选择性还原技术(SCR)是目前最成熟并且应用最广的烟气处理技术。SCR是以氨气作为还原剂在催化剂的作用下将NOx还原为N2的一种技术，在合适的温度窗口下，针对烟气中NOx的脱除效率可达95％以上。
目前SCR技术在电厂及车用柴油机已得到较为广泛的应用，但由于船舶在诸多方面有别于上述行业，无法直接将现有的技术直接移植到船舶上。针对中小型船舶内部空间小以及船舶柴油机排放量大的主要矛盾问题，船用SCR系统的设计需要紧凑化、集成化；而且，由于船舶在海上长期航行，工作环境复杂，具有振动强、湿度高等特点，要求船用SCR系统具备耐腐蚀、防振等特性，工作稳定性高。
现有技术中也有将SCR技术应用在船舶中的案例。如中国专利CN 101922333 A设计的船舶SCR脱硝设备，结构较合理，依据不同的燃油成分及发动机工况选择相应催化剂，基本满足排放标准，但该专利并没有针对船舶空间小、振动大等实际情况对系统整体进行优化设计。中国专利CN 203822427 U提出了一套加强尿素混合的船用SCR系统，主要设计了雾化器和螺旋叶片混合器等部件，从而加强尿素混合情况，提高脱硝效率。但该专利仅针对尿素混合段进行着重设计，改善混合效果的同时导致排气背压升高，燃油经济性较差，运营成本较高。
发明内容
本发明的目的在于针对中小型船舶，提供一种结构紧凑、性能稳定的适用于中小型船舶的选择性催化还原脱硝系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种适用于中小型船舶的选择性催化还原脱硝系统，该系统包括发动机、主排气管、反应器和根据发动机及排气参数将尿素水溶液混合压缩空气喷入反应器的尿素单元，反应器的顶部设有尾部排气管，反应器底部密封连接有进口排气管，反应器内自下而上安装有尿素喷嘴和催化剂模块，催化剂模块下方设有吹灰装置；主排气管的两端分别与反应器和发动机连接，尿素单元与安装在反应器内底部的尿素喷嘴相连，尿素单元通过安装在反应器内底部的尿素喷嘴将反应所需还原剂喷入反应器内部。
优选的，反应器的进口排气管竖直向下设置，主排气管从进口排气管的侧面接入进口排气管。
优选的，发动机通过减震波纹管与主排气管连接，减震波纹管与主排气管之间还设置加热器。
优选的，反应器的进口排气管与主排气管之间通过第二减震波纹管垂直连接，在主排气管与第二减震波纹管之间设有三通阀，三通阀的第三个出口通过旁路排气管道连接至尾部排气管。三通阀可将管道切换至避开反应器直通尾部排气管的旁路排气管道。
优选的，尿素单元包括尿素箱、计量泵、尿素管、混合器、空气压缩机，尿素箱、计量泵和混合器管路依次相连，混合器通过尿素管连接至尿素喷嘴，空气压缩机通过管路与混合器连接。
优选的，该选择性催化还原脱硝系统还包括对尿素单元进行自动控制的控制系统，控制系统包括显示器、控制模块、操作模块和信息采集模块；显示器分别与尿素箱和混合器电路连接，操作模块为控制系统的执行机构，分别与流量控制器、空气压缩机、三通阀和加热器相连；信息采集模块是分布在系统各处的多种传感器，包括主排气管路上的温度传感器、质量流量传感器和NOx浓度传感器，尾部排气管路上的NOx浓度传感器；控制模块接收传感器传输的信号同时还接收发动机转速及功率信号以及人工控制指令，并控制操作模块进行调整操作。
优选的，所述的流量控制器包括前馈流量控制器和反馈流量控制器，前馈流量控制器和反馈流量控制器设置于计量泵和混合器直接的管路上。
一种基于所述选择性催化还原脱硝系统的船舶发动机排气的脱硝处理方法，该方法包括如下步骤：
(1)发动机启动，进行排气；
(2)经步骤(1)后的排气经减震波纹管进入主排气管，经加热器后在三通阀处根据三通阀状态确定是直接经尾部排气管排放至大气还是经反应器参与SCR反应；若三通阀连通反应器，则排气经过第二减震波纹管7及进口排气管进入反应器内，经步骤(1)后控制系统根据发动机转速和功率对尿素喷射量和空气压缩机进行预设，尿素水溶液在计量泵的作用下进入尿素管并在混合器中与压缩空气混合随后喷入反应器内，排气在反应器内与通过尿素喷嘴射入的尿素水溶液/空气接触并混合；
混合后的排气经过催化剂模块的反应催化剂时排气中的NO、NO2与还原剂NH3反应生成N2和H2O，
(3)经步骤(2)后的排气排出反应器，通过尾部排气管排入大气，在步骤(2)持续进行时，催化剂模块会因排气中的固体颗粒和沉积的硫酸氢铵而部分堵塞，造成排气背压增大，在发动机满负荷运行工况下，吹灰装置每隔10h进行一次吹灰。
所述尿素单元在控制系统的操作下，依据发动机及排气参数将尿素水溶液混合压缩空气喷射入反应器壳体。反应器内排气中的NOx与NH3反应生成N2和H2O，达到排气净化脱硝的目的。
本发明结构合理，集成度高，船舶适应性好，能够有效地将排气中的NOx还原为N2和H2O，综合脱硝效率可达80％-95％以上。
本发明采用减震式金属波纹管，长约10cm-15cm，有效对催化反应器进行隔离，始终保证整体系统不高于B级及以上振动烈度。
本发明对反应器内部结构及进口处管道连接方式进行改良，在做到总体系统集成的同时避免了反应器内固体颗粒对整个管路及发动机的影响。由于中小型船舶的机舱空间十分有限，传统的SCR系统所采用的将尿素通过喷嘴喷射入管道的做法使得系统复杂，本发明将尿素喷嘴集成到反应器中，尿素通过尿素喷嘴在反应器底部喷入后进入催化剂模块发生反应。尿素管通过在进口排气管处保温层中环绕数圈再经喷嘴喷射的方法进行预热促进尿素分解。
反应器进口排气管竖直向下，底部密封，中间段垂直接入排气管。这样的结构有效避免了反应器内部分催化剂脱落或排气中固体颗粒沉积等导致的颗粒物进入主排气管和发动机降低整体工作效率且影响安全稳定性。反应器截面积在2000cm2-2500cm2，高约2000mm-2500mm，采用SUS 304不锈钢材料。
本发明的进一步改进在于尿素储存运输系统与控制单元的集成在一个控制箱中。控制箱为截面积1500cm2-1800cm2，高在1m-1.5m之间的方形箱，一般采用SUS 304、SUS 306、SUS 306L等不锈钢材料。下部放置尿素箱及控制系统核心单元，上部为相关参数的显示器。本设计中采用控制箱的形式将控制核心单元与主要受控对象尿素储存运输系统集成在一起，系统各处的传感器将信号通过导线传输至控制单元再通过导线对相关设备进行操作。集成化的控制箱方便了系统的安装和管理，简化了系统结构。
本发明的有益效果是：本发明采用紧凑的系统结构、稳定高效的控制系统以及管路布置，相比于当前较为普遍的SCR系统设计，整体高度集成，进一步提高空间利用率，对于船舶运行工况适应性强，能够有效地脱除船舶发动机排气中的氮氧化物，脱硝效率高达80％-95％以上，满足国际上最新的Tier III排放标准的要求。
附图说明
图1是本发明的主视结构示意图；
图2是本发明SCR反应器结构。
图中：1.发动机 2.主排气管 3.反应器 4.尿素喷嘴 5.减震波纹管 6.加热器 7.第二减震波纹管 8.三通阀 9.尾部排气管 10.旁路排气管道 11.催化剂模块 12.吹灰装置 13.尿素管 14.悬吊耳 15.尿素箱 16.显示器 17.计量泵 18.混合器 19.空气压缩机20.前馈流量控制器 21.反馈流量控制器 22.控制模块 23.操作模块 24.进口排气管。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例包括发动机1，主排气管2，反应器3和尿素单元。主排气管2的两端分别与反应器3和发动机1连接，尿素单元与安装在反应器内底部的尿素喷嘴相连，尿素单元3输送尿素、通过安装在反应器内底部的尿素喷嘴4将反应所需还原剂喷入反应器3内部。
如图2所示，反应器的顶部设有竖直的尾部排气管9，反应器底部竖直向下密封连接有进口排气管24。反应器集成了选择性催化还原反应、尿素喷射、尿素与烟气的混合以及吹灰等功能。反应器内自下而上安装有尿素喷嘴4和催化剂模块11；催化剂模块有两层，是船用商业催化剂模块，每层催化剂模块下方均设有吹灰装置12。吹灰装置12采用电控控制吹灰，保证催化剂的催化效率。尿素喷嘴将尿素水溶液喷射入反应器。
尿素喷嘴在向反应器喷射尿素水溶液前在进口排气管的保温层中环绕数圈进行预热，反应器的进口排气管24竖直向下设置，主排气管从进口排气管的侧面接入进口排气管，这样的布置方式起到阻拦固体颗粒进入主管道的功能，定期打开清除固体颗粒物。反应器壳体的外表面设有悬吊耳14，方便通过悬吊连接以减轻船体不停摇晃震动对其的影响。
发动机1通过减震波纹管5与主排气管2连接，减震波纹管5与主排气管之间设置加热器6，加热器根据工作情况调节烟气温度，以保证较高的脱硝效率。主排气管2在加热器6之后以折线继续上升，实际中可根据具体船体机舱特性设计参数。反应器3的进口排气管24与主排气管2之间通过第二减震波纹管7垂直连接，在主排气管2与第二减震波纹管7之间设有三通阀8以实现排气管路切换的效果，三通阀的第三个出口通过旁路排气管道10连接至尾部排气管9，三通阀的切换视工作情况切换。通过三通阀切换排气管路能够有效提高催化剂模块的利用效率及使用寿命，同时在出现反应器堵塞等突发事件时保证柴油机正常运行。
尿素单元包括尿素箱15、计量泵17、尿素管13、混合器18、空气压缩机19，尿素箱、计量泵和混合器管路依次相连，混合器通过尿素管连接至尿素喷嘴4，空气压缩机通过管路与混合器连接。
如图1所示，本实施例中将尿素单元与控制系统集成在一个长方形控制箱中，控制箱内有安装在控制箱下部的尿素箱15，上部的显示器16，以及内部的控制线路。尿素箱15主要储存反应所需的还原剂，即尿素水溶液，本实施例中的尿素水溶液指标参数见表1。
表1
该选择性催化还原脱硝系统还包括对尿素单元进行自动控制的控制系统，控制系统包括显示器16、控制模块22、操作模块23和信息采集模块；显示器分别与尿素箱和混合器电路连接。
显示器16接收传感信号并显示尿素箱内的液位高度、箱内温度及尿素喷射量，便于工作人员监测系统的工作状况，当尿素箱内尿素不足时能够及时添加，尿素箱内设有加热器，可以调节温度防止尿素水溶液结晶。尿素箱15内的尿素水溶液通过计量泵17输送至尿素管13中，在混合器18中与由空气压缩机19送来的压缩空气混合后通过尿素喷嘴4喷射入反应器内。
控制系统主要分为三个主要模块——控制模块22和操作模块23和信息采集模块。信息采集模块是分布在系统各处的多种传感器，包括主排气管路上的温度传感器、质量流量传感器和NOx浓度传感器，尾部排气管路上的NOx浓度传感器。控制模块接收传感器传输的信号同时还接收发动机转速及功率信号以及人工控制指令，并控制操作模块进行调整操作。操作模块为控制系统的执行机构，分别与流量控制器、空气压缩机19、加热器6和三通阀8通过电路连接，信号传输路线在图1中用虚线表示。流量控制器包括前馈流量控制器20和反馈流量控制器21，前馈流量控制器和反馈流量控制器设置于计量泵和混合器直接的管路上。其基本控制流程如下：控制模块接收发动机的转速及功率信号，计算出所需尿素量作为初始喷射值，并将信号传输到前馈流量控制器20中调节尿素喷射量。尾部排气管的NOx浓度传感器采集NOx浓度信号并传输至控制模块，控制模块计算出尿素量的微调值并传输至反馈流量控制器21对尿素喷射量进行反馈调节，确保排气中的NOx浓度达标。
在不需要SCR反应器工作时，三通阀8通过控制系统切换至旁路排气管路。加热器6根据主排气管2进口处排气参数、气体组分及温度，和三通阀的工作状态来确定是否需要对烟气进行预热或保温以保证催化还原反应的良好进行。吹灰装置根据排气背压驱动风机进行吹灰或是定时吹灰。
主排气管、进口排气管及尾部排气管厚度均在6mm-9mm之间，主体采用SUS 304、SUS 306、SUS 306L等不锈钢材料，保证其具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能。反应器、控制箱和管路系统外皆加装保温层，保温层厚度为15mm-25mm，外部温度始终不高于50℃，在保证舱内安全的同时，有效减少热损耗，提高脱硝效率。尿素箱的有效容积约为300-1000L，内置温度及液位传感器，加热器等辅助设备。设计可连续工作时间为10-20小时。计量泵受到前馈流量控制器和反馈流量控制器的双重控制，提高了尿素水溶液的利用效率，减少了浪费。
实施例2
一种基于实施例1所述选择性催化还原脱硝系统的船舶发动机排气的脱硝处理方法，具体步骤如下：
(1)发动机启动，进行排气；
(2)经步骤(1)后的排气经减震波纹管5进入主排气管2，经加热器后在三通阀处根据三通阀状态确定是直接经尾部排气管9排放至大气还是经反应器参与SCR反应。若三通阀连通反应器，则排气经过第二减震波纹管7及进口排气管进入反应器内。经步骤(1)后控制系统根据发动机转速和功率对尿素喷射量和空气压缩机进行预设，尿素水溶液在计量泵17的作用下进入尿素管13并在混合器18中与压缩空气混合随后喷入反应器内。排气在反应器内与通过尿素喷嘴射入的尿素水溶液/空气接触并混合。
混合后的排气经过反应催化剂(催化剂模块)时排气中的NO、NO2与还原剂NH3反应生成N2和H2O，在合适的工作温度下N的脱出效率可达85％-93％。
(3)经步骤(2)后的排气排出反应器，通过尾部排气管排入大气。在步骤(2)持续进行时，催化剂模块会因排气中的固体颗粒和沉积的硫酸氢铵而部分堵塞，造成排气背压增大。在发动机满负荷运行工况下，吹灰装置每隔10h进行一次吹灰。
对于实际应用系统，本系统可以联合多个辅助系统及污染处处理系统实现多种污染物协同处理和自动化控制。具体包括除尘系统、脱硫系统、智能检测提醒系统、远程控制系统等等。
对于大型船舶，其排气中的固体颗粒含量对SCR催化剂影响较大。为防止催化剂失活，在管道中添加除尘装置，在经过除尘后的排气进入主反应系统(即本发明装置)，主反应系统利用选择性催化还原反应对排气进行脱硝处理。处理过的排气经在线实时监测系统检查处理效果。处理达标确认后通过尾部排气管排向大气。若处理效果不达标，则控制尿素喷射量增加或对排气进行加热以促进反应进行。
如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是为脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种适用于中小型船舶的选择性催化还原脱硝系统，其特征在于：该系统包括发动机、主排气管、反应器和根据发动机及排气参数将尿素水溶液混合压缩空气喷入反应器的尿素单元，
反应器的顶部设有尾部排气管，反应器底部密封连接有进口排气管，反应器内自下而上安装有尿素喷嘴和催化剂模块，催化剂模块下方设有吹灰装置；
主排气管的两端分别与反应器和发动机连接，尿素单元与安装在反应器内底部的尿素喷嘴相连，
尿素单元通过安装在反应器内底部的尿素喷嘴将反应所需还原剂喷入反应器内部；反应器的进口排气管与主排气管之间通过第二减震波纹管垂直连接，在主排气管与第二减震波纹管之间设有三通阀，三通阀的第三个出口通过旁路排气管道连接至尾部排气管；尿素单元包括尿素箱、计量泵、尿素管、混合器、空气压缩机，尿素箱、计量泵和混合器管路依次相连，混合器通过尿素管连接至尿素喷嘴，空气压缩机通过管路与混合器连接；该选择性催化还原脱硝系统还包括对尿素单元进行自动控制的控制系统，控制系统包括显示器、控制模块、操作模块和信息采集模块；显示器分别与尿素箱和混合器电路连接，
操作模块为控制系统的执行机构，分别与流量控制器、空气压缩机、三通阀和加热器相连；
信息采集模块是分布在系统各处的多种传感器，包括主排气管路上的温度传感器、质量流量传感器和NOx浓度传感器，尾部排气管路上的NOx浓度传感器；
控制模块接收传感器传输的信号同时还接收发动机转速及功率信号以及人工控制指令，并控制操作模块进行调整操作。
2.根据权利要求1所述的适用于中小型船舶的选择性催化还原脱硝系统，其特征在于：反应器的进口排气管竖直向下设置，主排气管从进口排气管的侧面接入进口排气管。
3.根据权利要求1所述的适用于中小型船舶的选择性催化还原脱硝系统，其特征在于：发动机通过减震波纹管与主排气管连接，减震波纹管与主排气管之间还设置加热器。
4.根据权利要求1所述的适用于中小型船舶的选择性催化还原脱硝系统，其特征在于：所述的流量控制器包括前馈流量控制器和反馈流量控制器，前馈流量控制器和反馈流量控制器设置于计量泵和混合器直接的管路上。
5.一种基于权利要求1所述选择性催化还原脱硝系统的船舶发动机排气的脱硝处理方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
（1）发动机启动，进行排气；
（2）经步骤（1）后的排气经减震波纹管进入主排气管，经加热器后在三通阀处根据三通阀状态确定是直接经尾部排气管排放至大气还是经反应器参与SCR反应；若三通阀连通反应器，则排气经过第二减震波纹管7及进口排气管进入反应器内，经步骤（1）后控制系统根据发动机转速和功率对尿素喷射量和空气压缩机进行预设，尿素水溶液在计量泵的作用下进入尿素管并在混合器中与压缩空气混合随后喷入反应器内，排气在反应器内与通过尿素喷嘴射入的尿素水溶液/空气接触并混合；
混合后的排气经过催化剂模块的反应催化剂时排气中的NO、NO2与还原剂NH3反应生成N2和H2O，
（3）经步骤（2）后的排气排出反应器，通过尾部排气管排入大气，在步骤（2）持续进行时，催化剂模块会因排气中的固体颗粒和沉积的硫酸氢铵而部分堵塞，造成排气背压增大，在发动机满负荷运行工况下，吹灰装置每隔10h进行一次吹灰。
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