CN106170612B - 用于500至4500kw内燃机的富氧排气中的氮氧化物还原的紧凑型选择性催化还原系统 - Google Patents

用于500至4500kw内燃机的富氧排气中的氮氧化物还原的紧凑型选择性催化还原系统 Download PDF

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Abstract

选择性催化还原(SCR)系统包括SCR反应器(3)、输入流系统(1)和蒸发器模块；SCR反应器包括至少一个SCR催化剂，并与输入流系统(1)和蒸发器模块连通；输入流系统包括用于来自发动机的排气的一个或多个入口，其中，通过至少一个流动管道(11，12)的气流位于SCR反应器(3)的周围并且向蒸发器模块提供热并且在引入了负载氨的气流之后和在经过了多个挡板以提供横跨SCR反应器(3)的横截面的大致均匀的气体浓度分布之后引入SCR反应器中；蒸发器模块包括用于将尿素引入经加热的预反应器中的装置，在所述预反应器中将尿素至少部分地分解并且随后将废气料流进料至SCR反应器(3)。

Description

用于500至4500KW内燃机的富氧排气中的氮氧化物还原的紧 凑型选择性催化还原系统
技术领域
本发明涉及还原内燃机例如船用柴油机和燃气机、机车和(固定式) 发电应用的富氧排气中的氮氧化物(NOx)的选择性催化还原(SCR)系 统。
背景技术
在全世界许多行业中使用废气中的氮氧化物(NOx)的选择性催化 还原(SCR)以符合国家和国际排放法规。将在化石和可再生燃料的燃 烧过程中形成的氮氧化物用还原剂如氨在催化表面上还原。已将各种 催化剂用于各种载体如钒氧化物、离子交换沸石等上。催化剂可以以 不同的配方进行制备并且可以以不同的形式如挤出或经涂覆的蜂窝 体、金属基材等存在。确定合适的催化剂的选择的主要因素之一是废 气的温度。虽然氨优选作为还原剂，但由于气态氨的危险性而直接使 用氨是有问题的。因此，通常使用在注入热废气时易于处理和分解以 形成氨的物质。例如，尿素水溶液在高于140℃的温度分解以形成氨和异氰酸(HNCO)，然后其水解以形成氨和二氧化碳。然而，从尿素 水溶液生成氨是相对缓慢的过程。如果尿素在热气体料流中的停留时 间过短，则这可能导致在反应器壁上的沉淀，或更糟的在催化剂上的 沉淀。因此，在SCR应用的现有技术中使用的实际催化剂的上游定位 数米长的相对长的喷射导管。这些长的导管典型地是直管，排气流过 它们，并且在其中将还原剂借助喷射器或喷管喷入热气体料流中。
上述的SCR系统已普遍用于大型、固定式系统，如发电厂。较小 的SCR系统已用于汽车应用和通常低于600kW的发动机。由于更低 的排气容积，这些较小的SCR系统具有不同的设计，并且因此需要将 更小的质量流量的还原剂引入系统中。近来，已经为海洋、越野和发 电部门建立了500至4500千瓦(kW)的柴油机和燃气机的排放标准。 目前，这些尺寸的发动机中使用的系统包括具有大直径(最大约0.6米) 的长排气管(最大约10米)和位于排气的流中的SCR反应器。尿素水 溶液借助喷管直接喷入排气中。尿素随后转换成整个排气的流中的氨。 为了实现横跨催化剂横截面的均匀的氨浓度模式，刻意借助静态混合 器干扰流动。通常，使氨通过氨喷射格栅(AIG)直接引入整个排气的流 中，然后经过一个或多个混合器和之后的SCR催化剂。不均匀的流动 分布可以产生具有低温区域的点，导致部分分解的尿素的沉淀或腐蚀。 这些尿素损失也导致NOx转化活性的降低，因为沉淀的材料不能参与 将尿素转变成氨的反应。
空间是海洋、越野和发电部门应用中的关键因素，并且空间的使 用会影响这些部门的运行的经济性。例如，超级游艇或轮渡可能失去 乘坐空间，直接导致收入损失。大型采矿挖掘机和卡车将需要降低它 们可以移动或携带的载荷，从而导致为了移动相同量的材料而进行额 外的挖掘或进行其它行程的需要。在某些交通工具如拖船中，机器室 可能不具有安装现有技术的SCR设备所需的空间。
本文中所描述的紧凑型SCR系统允许在发动机中使用SCR工艺 将尿素用于降低排气中的氮氧化物(NOx)的水平，所述发动机具有其中 排气后处理系统的空间约束此前已经是使用它们的障碍的尺寸。本文 中所描述的紧凑型SCR系统的优点之一在于，该系统除了能够与上述 部门中的新发动机一起使用以外，还允许二级市场系统的安装，从而 使现有发动机也将会能够降低它们的排放。
发明内容
根据一个方面，本发明提供选择性催化还原(SCR)系统，其包括 SCR反应器、输入流系统和蒸发器模块，其中
a.SCR反应器包括至少一个SCR催化剂并且与输入流系统和蒸 发器模块连通，
b.输入流系统包括用于来自发动机的排气的一个或多个入口，其 中将入口构造成通过位于SCR反应器周围的至少一个流动管道分布 气体的流，其中通过围绕SCR反应器的流动管道的排气的流为蒸发器 模块提供热，其中将尿素或氨前体引入蒸发器模块以转变成胺，然后 引入SCR反应器，并且在引入负载氨的气体料流之后和在经过了多个 挡板以提供横跨SCR反应器的横截面的大致均匀的气体速度和浓度 分布之后，将每个流动管道中的气体的流引入SCR反应器，和
c.蒸发器模块包括用于将尿素或氨前体引入经加热的预反应器 中的装置，在所述预反应器中将尿素或氨前体至少部分地分解并且随 后进料至排气料流中，然后将排气料流引入SCR反应器。
描述了包括SCR反应器、输入流系统和蒸发器模块的紧凑型选择 性催化还原系统，其中将经热处理的排气的料流用于提供来将尿素分 解成其活性组分包括氨。所述系统允许在将还原剂进料至随后被通入 SCR反应器中的SCR催化剂的排气之前，尿素/氨在蒸发器模块中的 相对长的停留时间。SCR反应器包括至少一个SCR催化剂并且与输 入流系统和蒸发器模块连通。输入流系统包括用于来自发动机的排气 进入的一个或多个入口。将入口构造成通过围绕SCR反应器的流动管 道将气体的流分布到流动料流中。通过SCR反应器周围的流动管道的 排气的流将另外的热提供至蒸发器模块以使引入蒸发器模块中的尿素溶液或氨前体挥发，所述蒸发器模块还由净化的热排气的料流加热。 在一些实施方案中，流动管道包含可以控制气体在系统中的行进时间 的一系列挡板。将尿素或氨前体引入蒸发器模块中的已经通过SCR反 应器的气体的料流中。在那里将挥发的尿素或氨前体与已经通过SCR 反应器的热气体的料流混合并且使其开始转变成氨。将包含来自蒸发 器模块的氨的气体与流动管道中的排气混合。将合并的气体混合，然 后引入SCR反应器，在此气体混合物具有横跨SCR反应器的横截面 的大致均匀的气体速度和浓度分布。所述系统不使用氨喷射格栅 (AIG)，如它在传统SCR方法中经常使用的那样。在通过SCR催化剂 之后，将经处理的排气分成从该系统排出的主要流和传给蒸发器模块 的次要流。
下文描述本发明的许多优选方面。设想相当的组成。
附图说明
由以下详细描述，尤其是连同附图，将更好地理解本发明，并且 其优点将变得更加显而易见。
图1是紧凑型SCR系统的实施方案的示意图，其中输入流通过两 个流动管道传送到系统的后部，它在此处围绕SCR催化剂旋转并且通 过SCR催化剂；经净化的排气的一部分与尿素混合，然后在通过催化 剂之前引入到排气料流中。
图2是紧凑型SCR系统的实施方案的三维示意图，其中排气料流 在反应器的任一侧经过两个流动管道，然后将经净化的排气和尿素的 混合物引入经过催化剂之前的排气。
图3是流动管道的实施方案的示意图，其中，通过在经过催化剂 之前的平行流动挡板使在氨引入之前的排气的行进时间增加。
图4是在紧凑型SCR系统后部的一个成角度流动板的实施方案的 示意图，所述系统允许在催化剂上游的相对均匀的动量分布。
图5是紧凑型SCR系统的实施方案的侧视图，其中使经净化的排 气的一部分与尿素混合，然后在经过催化剂之前再次引入排气中。
图6是蒸发器模块的实施方案上视图的示意图，其中尿素蒸发器 管的长度是图2中所示的管的长度的大约两倍。
具体实施方式
本发明涉及用于NOX还原的紧凑型选择性催化还原系统(SCR)，其中将经热处理的排气的料流用于提供来将尿素分解成其活性组分包括氨。描述了包括SCR反应器、输入流系统和蒸发器模块的紧凑型系统。SCR反应器包括至少一个SCR催化剂并且与输入流系统和蒸发器模块连通。将输入流系统邻近SCR反应器的至少四个侧面定位并且构造成提供通过催化剂的排气的大致均匀的流，并向蒸发器模块提供热。将蒸发器模块构造成允许将尿素转变成氨并且使氨与排气在SCR 反应器中接触。紧凑型系统的构造允许在还原剂喷入主排气流中之前 将还原剂前体分解成活性还原剂，得到混合所需的更短的距离和与 500至4500千瓦(kW)发动机中使用的现有技术系统相比更紧凑的系 统。
本发明提供了SCR系统，其包括SCR反应器、输入流系统和蒸 发器模块。存在若干将以优选形式描述的实施方案。将输入流系统邻 近SCR反应器的至少四个侧面定位并且构造成提供通过催化剂的排 气的大致均匀的流和向蒸发器模块提供另外的热。将蒸发器模块构造 成允许将尿素转变成氨并且使氨与排气在SCR催化剂的上游接触。所 述系统的构造允许系统中的还原剂前体与具有类似尺码的500至4500 千瓦(kW)发动机一起使用的现有技术系统相比的更长的分解时间。
所述系统提供反应物，优选为氨，其可以与排气中存在的化合物 反应以降低气体中的NOx水平。在一个实施方案中，反应物形成自将 可以形成氨的化合物如尿素转变成气相的反应物，将含有反应物的气 体与含有NOx的排气合并，然后将合并的气体经过SCR反应器中的 SCR催化剂。为了将尿素转变成氨，将尿素水溶液喷入热气体流中， 在此水和尿素二者挥发，并且作为蒸气存在于热气体中。该系统提供 了用于控制尿素或氨前体的引入的装置。用于蒸发尿素溶液的热的经 净化的气体由氨和排气的混合物通过SCR催化剂之后形成的经净化 的气体获得。经由热传递到蒸发器模块的来自经净化的气体和来自原 始气体的热蒸发水和尿素二者并且将尿素转变成氨。术语“原始”排 气意在描述经过处理之前的排气。术语“净化的”排气意在描述已经 在还原剂的存在下通过SCR催化剂的排气。蒸发器模块可以包括用于 移除离开SCR反应器的一部分净化的排气的装置，用于收集加压的这部分净化的排气的装置，用于将加压的净化的排气进料至蒸发器管中 的装置和用于喷射尿素或氨前体到蒸发器管中的净化的排气中的装 置。净化的气体的质量流量和温度以及尿素或氨前体在热气体料流中 的停留时间足以实现水的完全蒸发和尿素或氨前体的热分解。蒸发器 模块可以喷射尿素水溶液。可以将氨引入流动管道和通向反应器的通 道二者。
本文中所描述的设备和方法是对尿素有效的，但是可以利用其它 NOx还原性试剂，无论是形成氨的还是其它NOx还原剂，其能够在加 热时形成反应物气体。发生的反应是本领域中公知的。这些反应的概 述描述于美国专利号8105560和7264785，通过引用将其整体并入本 文。
术语“尿素”意指包括尿素、CO((NH2)2)和相当于尿素的试剂， 因为它们在加热时形成氨和HNCO。也可以使用本领域中已知的其它 NOx还原性试剂。在另一个实施方案中，可以使用不形成尿素或 HNCO，而是与排气中存在的化合物反应以降低NOx的水平的NOx还原性试剂。
所引入的尿素溶液的体积取决于NOx质量流量和溶液中的尿素浓 度二者。所引入的尿素的量与基于所涉及的反应的化学计量的NOx浓 度、待使用的催化剂和原始排气的温度有关。所使用尿素的量与“NSR” 有关，其指的是尿素或其它NOx还原性试剂中的氮的当量与待处理的 气体中的NOx中的氮的当量的相对值。NSR可以在约0.1至约2范围 内，但优选在0.6至1.2(含)的范围内。
用于本文中描述的紧凑型SCR系统的SCR催化剂可以选自本领 域已知能够在氨存在下降低氮氧化物浓度的那些。这些包括例如沸石， 钒、钨、钛、铁、铜、锰和铬的氧化物，贵金属如铂族金属铂、钯、 铑和铱及其混合物。也可以利用本领域常规的和本领域技术人员熟悉 的其它SCR催化剂材料，如活性炭、木炭或焦炭。优选的催化剂包括 过渡金属/沸石，例如Cu/ZSM-5或Fe/β；氧化钒基催化剂，如 V2O5/WO3/TiO2；或非沸石过渡金属催化剂如Fe/WOx/ZrO2。
典型地将这些SCR催化剂安置在载体如金属、陶瓷、沸石上，或 挤出为均质整料。也可使用本领域已知的其它载体。优选的是将催化 剂涂覆在流通式整料基材、过滤器基材上或呈挤出的形式。最优选将 催化剂涂覆在流通式整料基材或呈挤出的形式。优选的是，这些催化 剂存在于蜂窝状流通式载体之中或之上。对于小体积的SCR系统而 言，具有相对高的孔密度的SCR催化剂是优选的，例如45至400孔 每平方英寸(cpsi)，更优选70至300cpsi，且甚至更优选100到300cpsi。
本发明还可以根据以下陈述的一个或多个来限定：
1.选择性催化还原(SCR)系统，其包括SCR反应器、输入流系统 和蒸发器模块，其中
a.SCR反应器包括至少一个SCR催化剂并且与输入流系统和蒸 发器模块连通，
b.输入流系统包括用于来自发动机的排气的一个或多个入口，其 中将入口构造成通过位于SCR反应器周围的至少一个流动管道分布 气体的流，其中通过围绕SCR反应器的流动管道的排气的流为蒸发器 模块提供热，其中将尿素或氨前体引入蒸发器模块以转变成胺，然后 引入SCR反应器，并且在引入负载氨的气体料流之后和在经过了多个 挡板以提供横跨SCR反应器的横截面的大致均匀的气体速度和浓度 分布之后，将每个流动管道中的气体的流引入SCR反应器，和
c.蒸发器模块包括用于将尿素或氨前体引入经加热的预反应器 中的装置，在所述预反应器中将尿素或氨前体至少部分地分解并且随 后进料至排气料流中，然后将排气料流引入SCR反应器。
2.根据1所述的系统，其中经加热的预反应器通过经净化的排气 的料流加热。
3.根据1所述的系统，还包括在至少一个流动通道与SCR反应 器区段之间的连接通道中倾斜安装的实心板。
4.根据1所述的系统，其中将系统构造成提供横跨催化剂的横截 面的大致均匀的氨浓度。
5.根据1所述的系统，其中将气体的输入流分入两个或更多个流 动管道。
6.根据5所述的系统，其中每个流动管道中的气体的流大致相等。
7.根据1所述的系统，其中使源自燃烧器运行条件的压力和/或 温度波动在两个输入管道之间最小化。
8.根据1所述的系统，SCR系统的长度与高度的比例为大约2。
9.根据1所述的系统，其中将至少一个流动管道定位在SCR反 应器的第一侧上，和将至少一个不同的流动管道定位在SCR反应器的 相对侧上。
10.根据1所述的系统，其中定位挡板并使其取向以提供催化剂 上游的排气的均匀动量分布和增加添加氨之前的排气的行进时间。
11.根据1所述的系统，还包括用于控制尿素或氨前体引入的装 置。
12.根据11所述的系统，其中用于控制尿素或氨前体引入的装置 包括NOx传感器。
13.根据1所述的系统，其中反应器宽度大于或等于反应器高度。
14.根据1所述的系统，其中流动管道为矩形、正方形、圆形或 半圆形。
15.根据1所述的系统，其中矩形流动管道具有矩形横截面并且 流动管道的长度约为SCR反应器的长度。
16.根据15所述的系统，其中每个矩形流动管道的宽度和高度相 对于每个矩形流动管道的长度分别为约1/8或更小和1/2。
17.根据15所述的系统，其中如果使用水平挡板，则每个矩形流 动管道的宽度和高度相对于每个矩形流动管道的长度分别为约1/6或 更小和1/6。
18.根据1所述的系统，其中至少一个SCR催化剂为整料形式， 所述整料在气流通过整料的净方向上具有正方形、矩形或圆形的形状。
19.根据1所述的系统，其中SCR反应器包括至少一个整料形式 的SCR催化剂。
20.根据1所述的系统，其中蒸发器模块包括用于移除离开SCR 反应器的一部分净化的排气的装置，用于收集加压的这部分净化的排 气的装置，用于将加压的净化的排气进料至蒸发器管中的装置和用于 喷射尿素或氨前体至蒸发器管中的净化的排气中的装置。
21.根据20所述的系统，其中用于移除离开SCR反应器的一部 分净化的气体和用于收集加压的这部分净化的排气的装置是热空气压 缩机或利用来自发动机的机械能的装置。
22.根据20所述的系统，其中净化的气体的质量流量和温度以及 尿素或氨前体在热气体料流中的停留时间足以实现水的全部蒸发和尿 素或氨前体的热分解。
23.根据20所述的系统，其中蒸发管中的气体速度约为10米/秒。
24.根据20所述的系统，其中所移除的净化的气体的质量流量小 于总排气质量流量的约10％。
25.根据20所述的系统，其中蒸发器管的长度与反应器的长度大 致相同。
26.根据20所述的系统，其中将蒸发器管定位在至少一个流动管 道中。
27.根据20所述的系统，还包括用于将净化的气体分成约一半的 装置和以补偿的方式将净化的气体进料至蒸发器管中以在蒸发器管中 产生漩涡流的装置。
28.根据20所述的系统，其中喷射尿素水溶液。
29.根据20所述的系统，其中然后将氨引入流动管道/反应器通 道两者。
30.根据20所述的系统，其中，以均匀的方式使用位于流动管道 与反应器之间的每个通道中间的装置提供负载氨的净化的气体到排气 流中的分布，其中装置/管包含开口，从而使得横跨每个通道上的矩形 流动通道出现大致相同的流动。
31.减少来自发动机的排气中所形成的氮氧化物的量的方法，所 述方法包括使来自发动机的排气通过根据1所述的SCR系统。
图1是SCR系统的一个实施方案的示意图，其中将来自发动机的 排气在输入流系统中分成两股流。在另一实施方案中，可以将来自发 动机的排气在输入流系统中保持单股流。在其它实施方案中，将来自 发动机的排气在输入流系统中分成三股或更多股流。输入流系统中的 流的股数取决于若干因素，包括可供SCR系统使用的空间和排气的温 度和质量流量。在一个实施方案中，紧凑型SCR系统从产生约500kW 与约1000kW(1MW)之间，或约1000kW(1MW)至约2000kW(2MW)、 或约2000kW(2MW)至约4500kW(4.5MW)的发动机接收排气。发动机 排气通过入口1流入SCR系统中，对于具有单个气缸组的发动机，所 述入口1可以是单入口法兰，对于多气缸例如两气缸组发动机(V型发 动机，在V型的每组有涡轮增压器)，所述入口1可以是两个或更多个 入口。典型地并且对于优选的流动模式，会使用进入系统的圆形入口 如管/法兰，但是也可以使用其它形状如正方形、矩形、三角形或椭圆 形。在通过入口1进入系统之后，将气流分配至围绕反应器区段3的 一个或多个优选两个流动管道，如图1的示例性实施方案中以附图标 记11和12所示。流动管道可以具有矩形、正方形、圆形或半圆形截 面。在一个实施方案中，该系统包括两个流动管道，所述流动管道具 有矩形截面，其中每个流动管道的高度是该流动管道的长度的约1/2， 参见图2。通过使用更大的截面积可以实现增加的燃料效率，所述更 大的截面积可以采用一个以上具有恒定管道截面的流动管道来实现， 这导致更低的压力损失(压头损失)。当使用两个或更多个入口时，平衡气缸组之间的温度、压力等的波动。在一个实施方案中，流动管道 具有矩形截面，流动管道的长度约为SCDR反应器的长度。每个流动 管道的宽度和高度相对于每个矩形流动管道的长度可以分别为约1/8 或更小和1/2。
在一个实施方案中，存在多个流动管道，并且每个管道中的气流 大致相等。“大致相等”指的是例如在具有两个流动管道的系统中， 质量流速从约50∶50变化到约65∶35，优选为从约50∶50变化到约 60∶40，并且更优选为从约50∶50变化到约55∶45。应当调整多个流动 管道的质量流量的比例，以提供氨或其它还原剂横跨SCR反应器中的 催化剂的截面上的均匀浓度。在具有多个排气流的实施方案中，该系 统平衡到SCR反应器区段3的入口31中的这些流之间的差异，如压 力和温度。附图示出了流动管道围绕SCR反应器的侧面定位的实施方 案。在其它实施方案中，流动管道可以在反应器的上方或下方。在其 它实施方案中，流动管道可以围绕一个或多个侧面定位以及在SCR反 应器的上方/或下方。
在一个实施方案中，每个流动管道11，12安装有挡板21(参见图 2)以增大料流中的气流的局部速度。这导致流动变得更湍动并改进排 气与蒸发的尿素或其它还原剂的混合。在一些实施方案中，挡板可以 增加引入氨之前的排气的行进时间。挡板的尺寸和位置取决于多个因 素，如发动机产生的排气的体积、其温度等。蒸发器管可以定位在至 少一个流动管道中。在每个流动管道11，12的端部，可以定位穿孔板 22以平衡气流。板的尺寸和位置，孔的数量、尺寸和位置可以根据多 个因素变化，如发动机产生的排气的体积、容许的背压、温度等。负 载氨的净化的气体到排气流的分配可以以均匀的方式使用位于流动管 道与反应器之间的每个通道中间的装置提供，其中装置/管包含开口， 从而使得横跨每个通道的矩形流动通道出现大致相同的流动。在另一 实施方案中，特别是当发动机容许更高的背压时，排气流在流动管道 中的停留时间可以通过将其引导向后、向前且再次向后而进一步增加， 如图3所示。通常，排气流行进时间的增加对控制待借助下文解释的 NOx传感器和电子控制单元和蒸发器模块计量添加的还原剂的量是 必要的。此外，该实施方案中较高的气体速度由于较高的湍流水平改 进了原始排气与氨的混合。如果使用水平挡板并且流动管道具有矩形 形状，则每个流动管道的宽度和高度相对于每个矩形流动管道的长度 可以分别为约1/6或更小和1/6。
将每个流动管道11，12的流动方向转动90度并指向成角度的流 动板23，该流动板倾斜地位于两个流动管道11，12之间的连接通道 31中以实现催化剂上游的均匀的动量分布。图4示出了该成角度的流 动板23的一个实施方案的示意图，其显示通过紧凑型SCR系统的后 部的剖面。图4示出了图1中所示的连接通道31的横截面。在连接通 道31中(参见图1和4)，排气与包含还原剂的热气体混合，如下文所 描述。成角度的板的位置和取向提供了横跨SCR反应器3的横截面的 基本上均匀的气体的流。横跨SCR反应器中的催化剂的均匀的排气流 导致催化剂的平衡利用并且提供最大的NOx转化率。SCR反应器可 以具有大于或等于反应器高度的高度。
SCR催化剂块料位于SCR反应器区段3的中央。这些催化剂块 料没有在图1和2中示出。SCR催化剂块料可以具有许多垂直于气流 方向的截面形状中的任一种，包括正方形、矩形、六边形和圆形，其 中为了更好地利用截面面积，优选的是正方形或矩形。在一个实施方案中，SCR催化剂块料是正方形的并且具有约150×150mm2的截面。
然后，排气从连接通道31通过反应器3中的SCR催化剂块料(未 示出)，在此NOx与还原剂在催化剂表面上以选择性催化还原反应的 方式反应，从而降低排气中的NOx的量。为了使SCR反应有效降低 NOx水平，包括气化的尿素的燃烧气体的温度应当为至少约100℃， 典型地在约180℃与约600℃之间，优选高于至少约250℃。SCR反应 器中使用的催化剂的组成、形式尤其是体积可以基于SCR反应器中的 气体的温度和质量流量以及NOx负载量和其它排气组分如碳氢化合 物、硫等来选择，以提供催化还原氮氧化物为氮的选择性还原。
已经通过SCR催化剂的排气被定义为已经净化的或被视为净化 的排气。然后使净化的排气通过排气法兰4离开紧凑型SCR系统，参 见图1和2。一部分净化的排气从经净化的排气流的主要部分分离， 如图1所示。从经净化的排气流的主要部分分离的净化的排气的量取 决于各种因素，包括排气的温度、流速和NOx负载量。基于通过入口 法兰1进入的原始排气的总量计，经分离的这部分净化的排气可以在 约1至30％，优选约5至15％，更优选约7至10％的范围。在一个 实施方案中，一部分净化的排气在位于排气法兰下游的管中分离。在 另一实施方案中，一部分净化的排气在位于排气法兰4上游的管中分 离。图5示出了尿素蒸发器模块的优选实施方案。移除的这部分经净 化的排气通过连接(优选管51)传送到尿素蒸发器模块中的喷头53。在 一个实施方案中，将连接到管51的热空气压缩机52用于传送经净化 的排气到尿素蒸发器模块中的喷头53。冷的新鲜空气的额外输入由于 气体密度增大而可以降低热空气压缩机的能量需求。在另一实施方案 中，借助涡轮增压器或热空气压缩机与涡轮增压器的组合，可以将从 例如紧凑型SCR系统上游或下游的排气料流提供的机械能用于压缩 和传送经净化的热气体到喷头53。在另一实施方案中，可以使用利用 机械能的装置，例如发动机轴。
将到喷头53的经净化的排气流分成多股子流。图5示出了将经净 化的气体的流分成两股子流(511，512)。将每股子流进料至蒸发器模 块的尿素蒸发器管5中的喷头53。在一个优选实施方案中，将所述子 流围绕喷头53引入并且切向补偿以引起尿素蒸发器管5中的热气体的 湍流。图2和5中所示的分配管5的长度约为紧凑型SCR反应器系统 的长度。在其它实施方案中，分配管的长度约是SCR反应器的大致长 度的分数，优选为大于1。图6示出了蒸发器模块的一个实施方案的 示意图，其中尿素蒸发器管的长度约为SCR系统的长度的两倍。
蒸发器管5中的热的净化的气体的流可以具有2至20米/秒，优 选约10米/秒的速度，以获得约100毫秒的停留时间。本领域普通技 术人员将认识到，气体在蒸发器管5中的停留时间和温度二者都是确 保溶液的挥发和尿素到氨的转化的重要因素。基于这些因素，可以调 整蒸气的停留时间以提供燃烧器运行条件和转化率要求所特有的尿素 到氨的所需转化。移除的净化的气体的质量流量相比于总排气质量流 可以为小于约10％。将尿素水溶液泵入喷头53中的喷嘴56并且从喷 嘴56作为液滴释放到尿素蒸发器管5中。将尿素水溶液维持在适合于 储存和处理的浓度，而没有沉淀或其它问题。水溶液中的尿素的浓度 可以在约5至55％，优选约15至约45％，更优选约30至约40％的 范围内。在尿素蒸发器管5内部，使水和尿素蒸发，并将尿素分解成 氨。将水/尿素/氨在蒸发器管中的停留时间设定为约50至200毫秒， 优选为约100毫秒。将负载氨的气体进料至氨分配管54和55，参见 图2。分配管中的温度应当维持在至少约150℃，优选为至少200℃的 温度。优选的温度范围为约300℃至约450℃。使用净化的气体提供了 在尿素蒸发器管5和氨分配管54、55中控制和/或调节具有氨或其它 还原剂的气体速度的手段，使尿素分解产物与原始排气组分如碳氢化合物、硫等的副反应最小化，并且因此提供了对含水尿素蒸发/分解时 间的控制，并且因此提供了以最低的可能的氨泄漏实现最高的可能的 NOx还原的可能性。
氨分配管包括用于合并负载氨的气体与来自流动管道11，12的排 气料流以形成氨-排气料流的装置。在一个实施方案中，用于合并负载 氨的气体与排气料流的装置包括多个出口，其在可以将来自流动管道 11和12的气体的流与负载氨的气体合并的区域中沿着氨分配管54和 55的至少一部分间隔开。在一个优选实施方案中，每个氨分配管54 和55包含多个取向的孔或开口，使得管54中的开口朝向管55，管55 中的开口朝向管54。这些开口的数量、尺寸、位置和取向可以根据排 气的流速和紧凑型SCR系统的构造而变化。涉及所述开口，以使得大 致相同的质量流量出现在流的任一侧，这是蒸发器管5的压力损失的 函数。使用由热空气压缩机或涡轮增压器等提供的轻微过压允许控制 包含反应物的热气体的流。在其中仅存在一个流动管道的实施方案中， 一个氨分配管是足够的。然后使经良好分配的氨-排气料流流入SCR 反应器区段3中，在此使其通过SCR催化剂并且转变成经净化的排气。 在一个优选实施方案中，紧凑型SCR系统不使用如传统SCR工艺中 通常使用的或需要的氨喷射格栅(AIG)。在一个实施方案中，新鲜空气 吹风机位于尿素喷射点之前或之后，以提供足够的压力来将侧线料流 引入主料流中。
在一个实施方案中，紧凑型SCR系统还包括用于进入SCR反应 器以替换催化剂的装置。在一个优选实施方案中，所述装置是位于反 应器的顶部或侧面的门。
在一个实施方案中，紧凑型SCR系统还包括一个或多个NOx传 感器和/或氨(NH3)传感器。所述NOx和/或NH3传感器连接至控制传 送到蒸发器模块且随后传送到排气中的尿素和净化的气体的量的单 元。在一个实施方案中，NOx传感器位于流动管道上的排气入口处。 在另一实施方案中，可以将位于SCR催化剂下游的NOx或NH3传感 器用于闭环控制。在另一实施方案中，下游NOx传感器位于从热空气 压缩机进料至蒸发器管的净化的气体的流中。在又另一实施方案中， 所述系统还包括在流动管道上游的入口中的NOx传感器。在还一实施 方案中，所述系统提供了在系统中的在引入净化的气体/氨混合物之前 的原始排气行进时间，从而可以确保例如在负载改变的情况下的及时 喷射，即，电子控制单元具有足够的时间来计算和提供待计量添加的 尿素的必要的量(即，(NOx传感器时间+电子处理时间+尿素在管5中 的停留时间)＝(排气从NOx传感器到氨分配管所需要的时间))。
在一个优选实施方案中，紧凑型SCR系统包括一个或多个入口法 兰，以传送来自具有500至4500kW功率的单气缸组或双气缸组(例如 V型气缸)发动机的排气。在一个优选实施方案中，法兰是圆形的。
在一个优选实施方案中，所述系统具有定位在反应器的每个侧面 上的两个流动管道(如图1中所示)，与反应器长度大致相同的蒸发器 管，具有液压优化的孔以实现通过两个管的相似流的两个氨分配管和 成角度的流动板(如图4中所示)，其中排气料流沿着所述板流动(与以 其它方式成角度围绕的流动板相反，即从左上到右下，在此流动管道 引出进入反应器区段3)。这些实施方案中使用的催化剂的孔密度可以 取决于若干因素，包括所使用的燃料的性质和燃料中的杂质水平而大 范围地变化。
在一个实施方案中，SCR系统还包括在每个流动管道中在尿素输 入的上游的氧化催化剂，以减少可能降低SCR活性的碳氢化合物。氧 化催化剂还可以氧化CO、芳族化合物等。
根据另外的方面，本发明提供了减少来自发动机的排气中所形成 的氮氧化物的量的方法，包括将来自发动机排气通过包括SCR反应 器、输入流系统和蒸发器模块的SCR系统，其中：
a.SCR反应器包括至少一个SCR催化剂并且与输入流系统和蒸 发器模块连通，
b.输入流系统包括用于来自发动机的排气的一个或多个入口，其 中将入口构造成通过位于SCR反应器周围的至少一个流动管道分布 气体的流，其中通过在SCR周围的流动管道的排气的流为蒸发器模块 提供热，其中将尿素或氨前体引入蒸发器模块以转变成胺，然后引入 SCR反应器，并且在引入负载氨的气体料流之后和在经过了多个挡板 以提供横跨SCR反应器的横截面的大致均匀的气体速度和浓度分布 之后，将每个流动管道中的气体的流引入SCR反应器，和
c.蒸发器模块包括用于将尿素或氨前体引入所述模块的经加热 部分的装置，在其中将尿素或氨前体至少部分地分解并且随后进料至 排气料流中，然后将排气料流引入SCR反应器。
上面的描述意在使本领域技术人员实践本发明。并不意在详述所 有对本领域技术人员在阅读了说明书之后将变得显而易见的可能的改 型和变型。然而意在使所有这样的改型和变型包括在在上述描述中所 见并且由以下权利要求以其它方式限定的本发明的范围以内。

Claims (15)

1.选择性催化还原SCR系统，包括SCR反应器、输入流系统和蒸发器模块，其中
a.SCR反应器包括至少一个SCR催化剂并且与输入流系统和蒸发器模块连通，
b.输入流系统包括用于来自发动机的排气的一个或多个入口，其中将入口构造成通过位于所述SCR反应器周围的至少一个流动管道分布气体的流，其中通过围绕所述SCR反应器的流动管道的排气的流为蒸发器模块提供热，其中将尿素或氨前体引入蒸发器模块以转变成氨，然后引入SCR反应器，并且在引入负载氨的气体料流之后和在经过了多个挡板以提供横跨SCR反应器的横截面的大致均匀的气体速度和浓度分布之后，将每个流动管道中的气体的流引入SCR反应器，其中定位挡板并使其取向以提供催化剂上游的排气的均匀动量分布和增加添加氨之前的排气的行进时间，和
c.蒸发器模块包括用于将尿素或氨前体引入经加热的预反应器中的装置，用于移除离开SCR反应器的一部分净化的排气的装置，用于收集加压的这部分净化的排气的装置，用于将加压的净化的排气进料至蒸发器管中的装置和用于喷射尿素或氨前体至蒸发器管中的净化的排气中的装置；在所述预反应器中将尿素或氨前体至少部分地分解并且随后进料至排气料流中，然后将排气料流引入SCR反应器；其中蒸发器管位于至少一个流动管道中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述经加热的预反应器包括所述蒸发器模块的一部分。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中通过经净化的排气加热所述经加热的预反应器。
4.根据权利要求1或2所述的系统，还包括在至少一个流动管道与SCR反应器区段之间的连接通道中倾斜安装的实心板。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中将系统构造成提供横跨催化剂的横截面的大致均匀的氨浓度。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中将气体的输入流分入两个或更多个流动管道。
7.根据权利要求6所述的系统，其中至少一个流动管道位于SCR反应器的第一侧上，和至少一个不同的流动管道位于SCR反应器的相对侧上。
8.根据权利要求6所述的系统，其中流动管道具有矩形横截面，和流动管道的长度约为SCR反应器的长度，并且每个流动管道的宽度和高度相对于每个流动管道的长度分别为约1/8或更小和1/2。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其中至少一个SCR催化剂为整料的形式，所述整料在气体的流通过整料的净方向上具有矩形或圆形的形状。
10.根据权利要求1或2所述的系统，其中至少一个SCR催化剂为整料的形式，所述整料在气体的流通过整料的净方向上具有正方形的形状。
11.根据权利要求1或2所述的系统，其中用于移除离开SCR反应器的一部分净化的排气和用于收集加压的这部分净化的排气的装置是热空气压缩机或利用来自发动机的机械能的装置。
12.根据权利要求1或2所述的系统，其中净化的排气的质量流量和温度以及尿素或氨前体在热气体料流中的停留时间足以实现水的完全蒸发和尿素或氨前体的热分解。
13.根据权利要求1或2所述的系统，其中，移除的净化的排气的质量流量相对于总排气质量流量为小于约10％。
14.根据权利要求1或2所述的系统，其中以均匀的方式使用位于流动管道与反应器之间的每个通道中间的氨分配管提供负载氨的净化的排气到排气的流中的分布，其中所述氨分配管包含开口，从而使得横跨每个通道上的矩形流动通道出现大致相同的流动。
15.减少来自发动机的排气中所形成的氮氧化物的量的方法，所述方法包括使来自发动机的排气通过根据前述权利要求任一项所述的SCR系统。
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