CN106460604A - 选择性催化还原的催化剂防霜系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种选择性催化还原的催化剂防霜系统，该系统包括发动机(10)、从该发动机(11)引导到外部的排气导管(11)，包括催化剂元件(19)的选择性催化还原反应器即SCR反应器(16)位于所述排气导管(11)的路径上。所述系统包括所述选择性催化还原系统(SCR)的加热系统，该加热系统包括：压缩空气供应源(12，14)，该压缩空气供应源经由空气通道(18)连接到所述排气导管(11)以将压缩空气经由所述排气导管(11)供给到所述SCR反应器(16)；以及至少一个加热器(17)，该加热器用于保持暖热和/或使所述SCR反应器(16)的催化剂元件(19)变得暖热。

Description

选择性催化还原的催化剂防霜系统和方法

本发明涉及选择性催化还原，且尤其是涉及发动机的选择性催化还原的催化剂防霜。本发明涉及根据系统独立权利要求的前序部分的发动机的选择性催化还原的催化剂防霜系统和根据方法独立权利要求的选择性催化还原的催化剂防霜方法。

在公开JP5269387A中公开了设置在壳体内的金属催化剂载体，其中催化剂载体被加热并被允许作为排气净化催化转化器中的加热器，该排气净化催化转化器被放置在内燃发动机的排气管道中。连接载体的正负电极构件被允许穿透绝缘的金属壳体壁，并且电极构件通过辐射板以并联方式电气连接，以便改善自动防故障功能。

在公开JP4171214A中公开了由线性主金属板和若干个波状的垫片组成的金属载体，这些线性主金属板和波状的垫片相结合而形成多个流动通道。在主金属板和波状的垫片之间通过绝缘的陶瓷层形成绝缘。此外，金属载体具有绝缘垫，该绝缘垫缠绕外周而被容纳在外壳内。

在公开WO2011114453A1中公开了用于内燃发动机的废气排放控制装置，其设置有配备有催化剂载体和围绕催化剂载体的外周设置的支撑保持单元的电加热催化剂，具有电绝缘特性。

在专利公开US5884475中公开了一种用于将液体引入到排气净化系统中以避免在停机期间对系统部分造成结霜损坏并且允许系统在还原剂溶液的凝固点以下的温度下进行操作的方法和设备。该方法和设备包括容纳还原剂液体的热绝缘的容器以及连接到该容器并且终止于液体出口的液体供应管路。容器和液体供应管路可以被加热。此外，加热器被设置成用于液化比容器体积小的开始体积。液体供应管路还可以具有后冲洗阀门，受到压力的气体可以被施加到该后冲洗阀门。供应管路因此可以是自由吹制的。

在专利公开US5522218中公开了一种用于排气的高温氧化氮还原系统，排气从贫燃发动机的燃烧源流动穿过排气通路。当运行时，定期地测量排气的温度，并且定期地确定燃烧源的工况。基于预定的最佳数量、所测量的排气温度，以及所确定的燃烧源的工况，定期地计算喷射量。最后，定期地将一定喷射量的氧化氮还原流体喷射到催化剂上游的排气通路中。

选择性催化还原(SCR)是借助于催化剂将氧化氮转化成双原子氮和水的过程。在选择性催化还原系统中，将气体形式的还原剂添加到排气流中，并且该还原剂被吸附到催化剂上。一种典型的还原剂是尿素。选择性催化还原系统例如被用在大型公用锅炉、工业锅炉、固态废料锅炉以及大型船舶、机车以及汽轮机的发动机中。

由于严格的排放规则，SCR系统在船舶中变得越来越常见。为了实现SCR的恰当的功能，已知的是，温度需要足够高以便SCR系统能适当地实现功能，但是较少已知的是在发动机不运转期间也有温度限制的问题。通常，由催化剂元件供应者所限定的，当发动机不运转时，陶瓷多孔材料的催化剂元件应该存储在干燥且0℃以上的条件下。冷凝水和潮湿的环境可能致使水进入到催化剂元件的陶瓷材料的气孔里，或者，例如进入到陶瓷催化剂蜂窝元件里，并且，如果温度在0℃以下，水将冻结，这可能导致系统出现故障，甚至系统的催化剂元件可能因为湿气冻结而破裂。在使用金属催化剂元件时，冷凝水和潮湿的环境也可能会导致问题，例如，催化剂元件的叶形金属材料可能会由于它的湿气和冻结而裂缝或腐蚀。冷的和潮湿的环境还会增加催化剂元件的激活时间。

本发明的一个目的是提供一种改进的选择性催化还原的催化剂防霜系统和方法，在这种系统和方法中，上述问题，尤其是涉及SCR系统的催化剂元件中的水冻结和潮湿的问题，被消除或者至少最小化。

本发明的一个目的是提供一种改进的选择性催化还原的催化剂防霜系统和方法，在这种系统和方法中，当发动机不运转时，温度不限制SCR系统的使用。

在一些装置(例如，大型船或船舶或相应的离岸装备或发电厂)上，经常具有有限的或甚至没有干燥且0℃以上温度的条件的空间。因此，SCR反应器被放置在潮湿且寒冷的环境中，在那里，其对温度变化是敏感的，例如，SCR反应器可以放置在外部冷空气中，具有很少/甚至没有绝缘的外部排气烟囱，这是因为对整个排气烟囱区域进行绝缘和对整个空间进行加热是昂贵的。许多类型的装置(例如，大型船或船舶或相应的离岸装备或发电厂，例如碎冰船或渔船)在极寒条件甚至在温度-40℃下运行。

本发明的一个特定的目的是创造一种尤其适用于极寒条件的选择性催化还原的催化剂防霜系统和方法。

为了完成以上目的和那些后来将变得明显的目的，根据本发明的系统的特征体现在系统独立权利要求的特征部分中。根据本发明的方法的特征体现在方法独立权利要求的特征部分中。有利的实施方式和特征定义在从属权利要求中。

根据本发明，选择性催化还原的催化剂防霜系统包括发动机、从该发动机引导到外部的排气导管，包括催化剂元件的选择性催化还原反应器即SCR反应器位于所述排气导管的路径上，其中，所述系统包括所述选择性催化还原系统的加热系统，该加热系统包括：压缩空气供应源，该压缩空气供应源经由空气通道连接到所述排气导管以将压缩空气经由所述排气导管供给到所述SCR反应器；以及至少一个加热器，该加热器用于保持暖热和/或使所述SCR反应器的催化剂元件变得暖热。

有利地，选择性催化还原的催化剂防霜系统结合有还原剂注射器系统，在正常运行时，也就是说，当发动机运转时，系统被用于选择性催化还原，并且在防霜运行时，系统在不进行还原剂喷射的情况下使用，发动机不运转，用于保持SCR反应器的催化剂元件是暖热的和/或使SCR反应器的催化剂元件变暖热。

根据本发明的有利的特征，SCR反应器和排气导管的至少一部分位于对潮湿和环境温度敏感的环境中。

根据本发明的有利的实施方式，至少一个加热器位于气流的路径上，处于所述SCR反应器的所述催化剂元件中的至少一个催化剂元件的上游，用于加热所述气流。位于加热器之前的加热器也可用作混合器。

根据本发明的有利的特征，所述系统包括所述压缩空气供应源的所述空气通道到所述排气导管的连接点，并且该连接点位于所述SCR反应器的所述催化剂元件的上游。

根据本发明的有利的特征，所述系统还包括还原剂注射器，该还原剂注射器用于将来自所述压缩空气供应源的压缩空气供给到所述排气导管。

根据本发明的有利的特征，有利地，当注射还原剂时，压缩空气在被供给到通道时的压力在4-8bar，并且用于加热器的气流在被供给到通道时的压力在0.5-4bar。还可以具有至少两个压缩空气供应源，其中一个用于还原剂注射器，而另一个用于加热器的气流，在这种情况下，用于还原剂注射的空气供应源具有较高的压力范围，而用于加热器的空气供应源具有较低的压力范围。根据本发明的有利的特征，所述压缩空气供应源具有控制装置，该控制装置用于控制压缩空气供给以进行连续的供给和/或在所述发动机停机期间以选定的时间间隔进行供给，从而提供连续的运转。

根据本发明的有利的特征，所述加热器具有控制器，该控制器用于通过来自设置在所述SCR反应器中的至少一个温度测量传感器的反馈来自动地开启所述加热器。所述系统还可以包括用于提供环境信息的温度测量传感器，或者所述系统可以从天气预报系统接收信息，并且当天气预报预测温度可能有害于催化剂元件时，所述控制器自动地开启所述加热器。

根据本发明的有利的特征，所述加热系统具有至少两个加热器，这些加热器可以选择性地激活。在这些加热器中，至少两个加热器用于进行运行，或者在这些加热器中，至少一个加热器用于进行运行，并且至少一个加热器用作备份。

根据本发明的有利的实施方式，所述加热器包括至少一个加热线缆，该加热线缆位于SCR反应器表面结构上或位于催化剂元件沿空气流动方向的至少一个端表面上。

根据本发明的有利的特征，所述SCR反应器是通过绝缘体绝缘的。

根据本发明的有利的特征，所述SCR反应器沿空气流动方向的每一端均设置有闭合元件，以便在所述加热系统已经停下来时维持所述SCR反应器中的热。

根据本发明的有利的特征，所述系统还包括用于去除湿气的装置，并且湿气有利地设置到发动机擦洗器或其他排放还原装置中以便者利用。可以在发动机不运转时进行湿气去除。

有利地，在根据本发明的系统中，一些实施方式的一些部件(这些部件对寒冷环境敏感，例如烟尘吹风设备、还原剂管道以及注射设备)可以装备有加热装置。加热装置可以设置成穿过位置选择，例如，还原剂管路可以被放置在反应器绝缘材料内，并且烟尘吹风阀门可以根据使用温度范围而被放置在适当的位置。

根据本发明，发动机的选择性催化还原的催化剂防霜方法，在该方法中，在所述发动机不运转时，选择性催化还原反应器的催化剂元件被加热器加热并且在0℃以下的环境温度下被保持在0℃以上的温度，其中，由加热器来加热选择性催化还原反应器即SCR反应器的所述催化剂元件，并且将来自压缩空气供应源的压缩空气提供到所述SCR反应器以保证充分的热对流。

根据本发明的有利的特征，在该方法中，在发动机停下来一段时间并且所述催化剂元件由于低的环境空气温度而冷却到接近0℃时，由电加热器来加热所述催化剂元件，并且通过利用尿素注射器推动来自压缩空气供应源的空气来保证经过所述催化剂元件的热对流。

下文中，将参照附图来更详细地描述本发明，其中

图1示意性示出了根据本发明的有利的实施例的选择性催化还原系统的加热系统的运行原理的简化例子；

图2示意性示出了根据本发明的有利的实施例的SCR反应器的简化例子；以及

图3至图6示意性示出了根据本发明的有利的实施例的SCR反应器的简化例子。

在下文描述图1至图6的过程中，除非另外提到，否则，同样的附图标记将被用于标识同样的元件、部件和零件。在下文中，主要通过参照大型船舶的发动机的SCR系统或离岸装备或离岸发电厂或发电厂来描述实施例以简化公开内容，但是请注意，代替这样的实施例，用于湿冷条件的任何类型的SCR系统都可以具有根据本发明的类似的特征和特性。

图1示出了根据本发明的有利的实施例的选择性催化还原系统的加热系统的运行原理的简化例子。在该实施例中，发动机10位于发动机室9内。选择性催化反应器16位于对湿度和温度变化敏感的环境中，例如外部，发动机室9处于对湿度和温度变化敏感的环境中，例如外部，例如极寒的条件。在发动机10运转期间，排气被从发动机10引导到排气导管11。当发动机10运转时，还原剂从还原剂供应源13A供应到空气通道18。当发动机没有运转并且温度降低到接近水的冻结温度时，压缩空气被从压缩空气供应源12经由空气通道18引导到排气导管11内，空气通道在SCR反应器的催化剂元件的上游的连接点14处连接到排气通道。在空气通道18内连接有空气辅助的还原剂，例如尿素注射器13，在发动机停机期间，借助于该尿素注射器来仅供给空气以保证充分的热对流。在压力供应源被用于还原剂注射和加热器气流时，压缩空气在被供给到通道18时的压力有利地在4-8bar。空气被供给到通道18时的压力有利地低于用于加热器的气流，例如0.5-4bar。也可以有两个不同的压力供应源。压缩空气可以在需要时进行连续的供给和/或可以以选定的时间间隔进行供给，这种供给受到用于控制压缩空气供应源(12)的压缩空气供给的装置的控制。压缩空气供给还有助于保持系统的零件干净。压缩空气供应源12可以只用于SCR反应器，或压缩空气供应源可以是船舶或装备共用的。压缩空气可以被预加热以增强暖热的效果或减少加热器的功率或处于环境温度；有利地，压缩空气供应源12位于暖热的内部空间中，且因此处于0℃以上的温度。代替经由还原剂注射器13来供给压缩空气，可以使用单独的压缩空气通道。在图1中，气流通过箭头来表示。气流进入到SCR反应器16中，多孔陶瓷材料的催化剂元件(图2)和加热器17(有利地，电加热器17)被定位在SCR反应器16中。电加热器17使气流变得暖热，且因此暖热的气流使SCR反应器16中的催化剂元件(图2)变得暖热，从而防止催化剂元件冻结，并将它们保持在0℃以上的暖热温度。借助于加热系统，可以保证催化剂元件的温度在发动机不运转时保持在至少大于等于0℃的温度，且因此可以防止来自周围的空气冷凝的湿气冻结以及多孔陶瓷催化剂元件破裂的风险。有利地，加热器17可以在来自设置在SCR反应器16中的至少一个温度测量传感器(未示出)的反馈的帮助下借助于控制器(未示出)而被自动地开启。系统还可以包括：至少一个温度测量传感器(未示出)，以用于测量环境温度；以及至少一个湿度测量传感器(未示出)，以用于给系统的控制器提供湿度信息。

因此，发动机10的停机时间不受限制，并且发动机10可以保持停机几天或甚至几周，而与环境条件无关。加热系统可以设计成用于所需要的环境空气温度，例如-25℃的环境空气温度。系统还可以在发动机10的起动阶段用于对SCR进行预热，由此缩短起动所需要的时间。

加热系统具有位于催化剂元件的第一层之前的电加热器17。有利地，系统具有至少两个加热器17，其中一个加热器用于运行，而另一个加热器用作备份。两个加热器17也可以都被用于运行以增强运行。空气借助于还原剂注射器13被从发动机室9推动以保证来自加热器17的充分的热对流。SCR反应器16有利地借助于例如200mm厚的绝缘体而被绝缘以减少反应器16的冷却。优选地，加热器17只在发动机10停机并且反应器16内的温度降至设定值以下(例如+5℃以下)时才进行加热。

如图1的实施例所示，SCR反应器16位于对湿度和温度变化敏感的环境，例如外部，并且排气导管11的至少一部分(可能是主要部分)可位于对湿度和温度变化敏感的环境，例如外部。在发动机系统中，可以具有多于一个的SCR反应器16，并且每个SCR反应器都配备有电加热器17。有利地，另外安装的还原剂注射器13以及其他SCR辅机也被安装在内部。

如图2的示例性的实施例所示，SCR反应器16包括电加热器17和绝缘体21以及两个催化剂元件19。气流如箭头所示流经在流动方向上接连的催化剂元件19并且发生选择性催化反应，在该选择性催化反应期间，氧化氮借助于催化剂元件19中的催化剂而被转换成双原子氮和水。在选择性催化还原系统中，诸如气体形式的尿素的还原剂被添加到排气流中，并且这样的还原剂被吸附到催化剂上以满足排放规则。当发动机10(图1)运转时，催化剂元件19由排气而不是电加热器17加热，并且尿素以低硫LFO(轻燃料油)在温度290-450℃下注射。SCR反应器16借助于例如200mm厚的绝缘体21而被绝缘，具有增加的反应器16冷却期间。在发动机运转期间，反应器16的结构和催化剂元件19将维持热量，且因此催化剂元件19的温度处于所需水平。当发动机10(图1)停机较长的时间且催化剂元件19由于低的环境空气温度而冷却到接近0℃时，启动电加热器17，并且通过借助于图1所示的尿素注射器13推动来自压缩空气供应源12的空气来保证经过催化剂元件19的充分的热对流，且通常用于雾化选择性催化反应中的液体尿素的空气将被用于进行热对流(图1)。有利地，加热器元件的功率是根据每个装置的需求来选择的，例如2-7kW的加热器元件被用于电加热器17。有利地，电加热器17包括两个加热器元件17A、17B，其中一个在加热期间使用，另一个用作备份。当发动机10运转时，加热器17基本上是不使用的，但是如果需要，其也可在发动机10的起动阶段用于对催化剂元件19进行预热。另外，SCR反应器16在空气流动方向的每端可以设置有闭合元件23，这些闭合元件可以在关闭位置和虚线表示的打开位置之间转动，以在停止加热时维持SCR反应器16中的热量。闭合元件23也可以是格栅，如空气封锁的空气幕式，其由热或冷的气体或蒸汽或防冻添加剂喷雾来提供。如果需要，加热器17可以位于每个催化剂元件19之前，如图2中的虚线所示。

在图3至图4的示意性实施例中，在发动机10(图1)停机时间期间，SCR反应器16的催化剂元件19借助于由加热线缆22形成的加热器17而保持是暖热的，即，0℃以上，加热线缆位于反应器表面结构上，有利地，加热线缆位于绝缘体21与SCR反应器16的外表面之间，或者加热线缆位于绝缘体与SCR反应器16的内表面之间。加热线缆22以循环方式竖直地和/或水平地设置，就像从基于加热线缆的其他类型的加热装置中所知道的那样，使得反应器16的内部被线缆22加热，且因此保持催化剂元件19处于水的凝固点以上。

在图5的示例性实施例中，在发动机10(图1)停机时间期间，SCR反应器16的催化剂元件19借助于由加热线缆格栅22形成的加热器17而保持是暖热的，即，0℃以上，加热线缆格栅位于催化剂元件19沿空气流动方向的端表面上。

在图6的示例性实施例中，在发动机10(图1)停机时间期间，SCR反应器16的催化剂元件19借助于形成在空气管路24中的加热器17而保持是暖热的，即，0℃以上，空气管路例如借助于烟尘鼓风机来向催化剂元件19提供加热的空气。这些空气管路24在发动机10运转时用于阀门冷却。具有压缩空气供给(未示出)的空气罐25提供空气或通过鼓风机(未示出)形成的其他适当的气流。气流例如通过加热空气管路24的外表面的加热元件17而被加热，和/或通过位于空气罐25中的加热元件而被加热。该实施例可以修改成例如使得每个空气管路都具有自己的空气罐，而该空气罐具有加热器，例如加热风扇、加热元件或炉。以上只是描述了本发明的一些有利的实施例，本发明并不被狭义地受限于此。对本领域技术人员而言清楚的是，许多变形和变化在由所附权利要求书限定的本发明内都是可能的。

附图标记列表

9 发动机室

10 发动机

11 排气导管

12 压缩空气供应源

13 空气辅助的还原剂注射器

13A 还原剂供应源

14 连接点

15 喷射

16 SCR反应器

17 加热器

18 空气通道

19 催化剂元件

21 绝缘体

22 加热线缆

23 闭合元件

24 空气管路

25 空气罐

Claims (14)

1.一种选择性催化还原的催化剂防霜系统，该系统包括发动机(10)、从该发动机(11)引导到外部的排气导管(11)，包括催化剂元件(19)的选择性催化还原反应器即SCR反应器(16)位于所述排气导管(11)的路径上，其特征在于，

所述系统包括所述选择性催化还原系统(SCR)的加热系统，该加热系统包括：

压缩空气供应源(12，14)，该压缩空气供应源经由空气通道(18)连接到所述排气导管(11)以将压缩空气经由所述排气导管(11)供给到所述SCR反应器(16)；以及

至少一个加热器(17)，该加热器用于保持暖热和/或使所述SCR反应器(16)的催化剂元件(19)变得暖热。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个加热器(17)位于气流的路径上，处于所述SCR反应器(16)的所述催化剂元件中的至少一个催化剂元件的上游，用于加热所述气流。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统包括所述压缩空气供应源(12)的所述空气通道(18)到所述排气导管(11)的连接点(14)，并且该连接点位于所述SCR反应器(16)的所述催化剂元件(19)的上游。

4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括还原剂注射器(13)，该还原剂注射器用于将来自所述压缩空气供应源(12)的压缩空气供给到所述排气导管(11)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，用于所述加热器的所述气流在被供给到所述空气通道时的压力是0.5bar至4bar。

6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述压缩空气供应源(12)具有控制装置，该控制装置用于控制压缩空气供给以进行连续的供给和/或在所述发动机(10)停机期间以选定的时间间隔进行供给。

7.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，所述加热器(17)具有控制器，该控制器用于通过来自设置在所述SCR反应器(16)中的至少一个温度测量传感器的反馈来自动地开启所述加热器。

8.如权利要求1至7中任一项所述的系统，其特征在于，所述SCR反应器(16)和所述排气导管(11)的至少一部分位于对湿度和环境温度敏感的环境中。

9.如权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述加热系统具有能选择性激活的至少两个加热器(17)。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热器(17)包括至少一个加热线缆(22，23)，该加热线缆位于SCR反应器表面结构上或位于催化剂元件(19)沿空气流动方向的至少一个端表面上。

11.如权利要求1至10中任一项所述的系统，其特征在于，所述SCR反应器(16)是通过绝缘体(21)绝缘的。

12.如权利要求1至11中任一项所述的系统，其特征在于，所述SCR反应器(16)沿空气流动方向的每一端均设置有闭合元件(23)，以便在所述加热系统已经停下来时维持所述SCR反应器(16)中的热。

13.一种发动机(10)的选择性催化还原的催化剂防霜方法，在该方法中，在所述发动机(10)不运转时，选择性催化还原反应器(16)的催化剂元件(19)被加热器(17)加热并且在0℃以下的环境温度下被保持在0℃以上的温度，其特征在于，由加热器(17)来加热选择性催化还原反应器即SCR反应器(16)的所述催化剂元件(19)，并且将来自压缩空气供应源(12)的压缩空气提供到所述SCR反应器(16)以保证充分的热对流。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在该方法中，在发动机(10)停下来一段时间并且所述催化剂元件(19)由于低的环境空气温度而冷却到接近0℃时，由电加热器(17)来加热所述催化剂元件(19)，并且通过利用尿素注射器(13)推动来自压缩空气供应源(12)的空气来保证经过所述催化剂元件(19)的热对流。