CN108487977A - 一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压scr反应器 - Google Patents

一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压scr反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及船舶柴油机排放控制技术领域，具体涉及一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器。包括内部通道、外部通道、内部反应系统、内部环流系统和末端吹灰系统。内部通道和外部通道均为管状，内部通道安装于外部通道中心处，内部反应系统位于通道之内，内部环流系统位于内部通道和外部通道交接处，末端吹灰系统在内部环流系统处的球面环流板上；本发明可减少SCR反应器的体积，提高紧凑性，增大脱硝催化剂的截面积，利用涡轮废气的残余能量，在小体积SCR反应器中实现高效脱硝的效果，可定期吹扫减少脱硝催化剂表面及通道中附着的沉积物，保证涡轮运行的安全性。总体来说，本发明能量循环利用率高，整体脱硝效率高，安全性能好。

Description

一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器
技术领域
本发明涉及船舶柴油机排放控制技术领域，具体涉及一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器。
背景技术
由于船舶动力装置废气对海洋大气和港口环境造成的严重危害，船舶废气污染已引起国际社会的广泛关注。为了减少船舶排气对环境大气的污染，世界各国和国际组织相继制定了不同的船舶排放法规，并计划在排放控制区域(ECA)内强制实施更加严格硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)排放标准。与此同时，我国交通运输部也将珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域设立为船舶设立船舶大气污染物排放控制区，以控制我国船舶硫氧化物、氮氧化物和颗粒物排放。
目前，SCR技术(SCR is the part of the engine)是国际海事组织(IMO)公认的唯一可用于各类船舶发动机和船型的氮氧化物(NOx)减排技术，理论上能够满足IMO TierIII或更严格排放标准。按照其工作特点和布置方式，低速柴油机SCR系统可以分为低压SCR系统和高压SCR系统。但是，在对低速柴油机更高效、更环保的要求下，不论是低压SCR系统，还是高压SCR系统都面临着安装成本高、运行效率低的问题，这也成为低速柴油机SCR系统所必须突破的瓶颈。
申请号为201611101052.3的专利，一种高效SCR脱硝反应器，其结构比较简单，未能有效地利用废气的残余能量，循环能效利用率不高，并且由于其竖直烟道的结构设计，容易受粉尘含量的影响。相对而言，高压SCR系统结构更加紧凑、能效利用率更高，更适用于功率较大的低速柴油机。
发明内容
本发明的目的在于提供高紧凑性、高密封性、高安全性、高脱硝效率和沉积物易于处理并防止沉积物流出的一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器。
本发明的目的是这样实现的：
一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器包括内部通道、外部通道、内部反应场所、环流腔室和末端吹灰系统；内部通道和外部通道均为管状，内部通道安装于外部通道中心轴线处，两个内部反应场所分别位于内部通道和外部通道之内，环流腔室位于内部通道和外部通道交接的装置末端位置，末端吹灰系统在环流腔室处的球面环流板7上。
所述的内部通道，包括废气入口1、内通道2、尿素喷嘴4和静态混合器5；内通道2为非变径直管通道，置于外通道3中心轴线位置；尿素喷嘴4和静态混合器5依次安装于内通道2中，尿素喷嘴4与静态混合器5安装距离为3～6倍的内通道管径。
所述的外部通道，包括外通道3、脱硝催化剂6和废气出口9；外通道3采用大、小变径结构，其直径外通道3的入口端最大，在废弃出口9处最小；内通道2和外通道3通过球面环流板7利用螺栓进行连接；脱硝催化剂6均匀环状布置于外通道3的入口段；废气出口9 向上垂直布置于外通道3的出口端小径管段。
所述的内部反应场所，包括尿素喷嘴4、静态混合器5和脱硝催化剂6；尿素喷嘴4贯穿内部通道的上方，由外部伸入内部通道中，并且尿素喷嘴4开口指向静态混合器5的方向。
所述的环流腔室，包括球面环流板7；球面环流板7通过螺栓连接在外部通道上；球面环流板7的曲率半径为0.75～1.5倍的外部通道最大管径值，球面环流板7的剖面为一段圆心角小于180°的圆弧。
所述的末端吹灰系统，包括球面环流板7、吹灰系统8、吹灰器11和高压蒸汽入口10；吹灰系统8安装于球面环流板7的中心位置；吹灰器11均匀覆盖在球面环流板7上，吹灰器 11的开口均指向脱硝催化剂6的迎风端；高压蒸汽入口10位于吹灰系统8的正下方管道口处。
所述的球面环流板7与外部通道的螺栓连接为可拆卸结构。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用内、外环形双通道的结构,内通道中布置静态混合器，外通道环形布置脱硝催化剂，能够有效减少SCR反应器的体积，提高SCR反应器紧凑性，并且增大脱硝催化剂的截面积，降低脱硝催化剂中废气的线速度，同时充分利用涡轮前高压高温废气的残余能量，在小体积SCR反应器中实现高效脱硝的效果；
2.球面环流板控制内通道的来流废气均匀地回流进入外通道中环状布置的脱硝催化剂中，降低折流带来的压力损失，提高还原剂与废气的混合均匀性；
3.球面环流板上均匀安装的吹灰系统，定期使用高压蒸汽吹扫脱硝催化剂的迎风端，减少脱硝催化剂表面及通道中附着的沉积物；
4.向上垂直布置废气出口，避免流出废气中夹带杂物进入涡轮，保证涡轮运行的安全性。
5.球面环流板与外部通道的螺栓连接处可拆卸结构，方便拆卸进行操作，可以实现定期更换、维修和护理的功能。
附图说明
图1为一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器的总体结构图；
图2为本发明的吹灰系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
图1为一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器的总体结构图。主要由废气入口1、内通道2、外通道3、尿素喷嘴4、静态混合器5、脱硝催化剂6、球面环流板7、吹灰系统8、废气出口9及高压蒸汽入口10组成。内通道2安装于外通道3中心处，外通道3采用大、小变径结构，球面环流板7通过螺栓连接在外部通道上，脱硝催化剂6环状布置于外通道3入口段。
图2为本发明的吹灰系统结构示意图，主要由球面环流板7、吹灰系统8、高压蒸汽入口 10及吹灰器11组成。吹灰系统8安装在于球面环流板7上，吹灰器11均布于球面环流板7 的内部、催化剂6迎风端前面。
本发明涉及一种球面环流式双通道高压SCR反应器，即一种适用于船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器。
本发明的目的在于提供高紧凑性、高密封性、高安全性、高脱硝效率、沉积物易于处理并防止沉积物流出的一种适用于船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器。
本发明一种适用于船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器,其特征是包括内外通道、尿素喷射系统、静态混合器、催化剂、球面环流板以及吹灰系统组成。该高压 SCR反应器布置于柴油机排气管道中，位于柴油机排气口与涡轮之间，以充分利用柴油机涡轮前高压高温废气的热量。SCR反应器设置为内、外双通道，以提高SCR系统的紧凑性，并充分利用废气残余热量。内通道为非变径直管，并置于外管道中心位置，而外通道为大、小变径的环状管道。尿素喷射系统和静态混合器依次安装于内通道中，并且保证尿素喷嘴与静态混合器安装距离为3～6倍内通道管径，以保证尿素溶液与高温废气的充分混合。内通道末端与外通道进口处为环流腔室，并通过螺栓连接，腔室末端为球面折流板，曲率半径为 0.75～1.5倍管径，以保证高温废气能够均匀地逆流进入外通道的催化剂中。脱硝催化剂环状布置于外通道入口段，以增加废气流的截面积，降低催化剂中气流的线速度，提高脱硝效率。废气出口连接于外通道小径管段，并且开口向上，以避免流出废气夹带杂物进入涡轮，提高系统的安全性。吹灰系统安装于球面环流板上，且保证多个吹灰器能够均匀覆盖催化剂迎风端，而高压蒸汽通过多个均布吹灰器对催化剂表面、通道进行吹扫，附着于催化剂迎风端的沉积物随着掉落于环流腔室底端。通过打开环流腔室螺栓连接，可以定期进行沉积物的清理，以保证SCR反应器的脱硝效率。
本发明的优势在于本发明采用内、外环形双通道的结构,内通道中布置静态混合器，且外通道环形布置催化剂，其能够有效减少SCR反应器体积，提高SCR系统紧凑性，增大催化剂的截面积，降低催化剂中废气线速度，充分利用涡轮前高压高温废气的残余能量，在较小体积SCR反应器中实现高效脱除废气中NOx的效果；通过球面环流板的使用，控制来流废气能够均匀地回流进入环状布置的催化剂中，降低折流带来的压力损失，并提高还原剂与废气的混合均匀性；通过球面环流板上均匀安装吹灰器，定期使用高压蒸汽吹扫环状布置催化剂的迎风端，减少催化剂表面及通道中附着的沉积物；通过废气出口垂直布置，控制流出废气中夹带杂物，保证涡轮运行的安全性。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明一种适用于船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器布置于柴油机排气管道中，安装于柴油机排气口与涡轮之间，以充分利用柴油机涡轮前高压高温废气的残余热量。柴油机排气废气通过反应器废气入口1进入内通道2，来流高温废气与由尿素喷射系统4引入的高压尿素溶液接触并初步混合，并发生尿素分解反应，其化学反应为：
NH2-CO-NH2·xH2O→NH2-CO-NH2+xH2O
NH2-CO-NH2→NH3+HNCO
HNCO+H2O→NH3+CO2
而后混合气流经静态混合器5，废气扰动增强，部分未分解尿素溶液、氨气与废气再次充分混合，并流出内通道2，进入球面环流腔室。由于球面环流板7的阻挡及整流作用，来流废气折流进入外通道3布置的催化剂6中，并在催化剂6的作用下发生脱硝反应，其化学反应为：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+6NO→5N2+6H2O
4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O
4NH3+3O2→2N2+6H2O
脱硝反应后的洁净废气流出催化剂6，并通过外通道3流入垂直布置的废气出口9，进入柴油机涡轮中。此外，整个脱硝反应过程中，还会发生以下反应：
2NH3+2NO2→NH4NO3+N2+H2O
NH3+SO2+H2O→NH4HSO3
因此，当催化剂6工作一段时间后，催化剂6表面及孔道内部会存在铵盐结晶物、沉积物，堵塞催化剂通道，降低SCR系统脱硝效率。此时，吹灰系统8则需要采用高压蒸汽吹扫催化剂6表面及孔道内部，以保证SCR系统的高效运行。吹扫后的沉积物，则通过球面环流板7与外通道3的螺栓连接进行清除。

Claims (7)

1.一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器，其特征在于：包括内部通道、外部通道、内部反应场所、环流腔室和末端吹灰系统；内部通道和外部通道均为管状，内部通道安装于外部通道中心轴线处，两个内部反应场所分别位于内部通道和外部通道之内，环流腔室位于内部通道和外部通道交接的装置末端位置，末端吹灰系统在环流腔室处的球面环流板(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器，其特征在于：所述的内部通道，包括废气入口(1)、内通道(2)、尿素喷嘴(4)和静态混合器(5)；内通道(2)为非变径直管通道，置于外通道(3)中心轴线位置；尿素喷嘴(4)和静态混合器(5)依次安装于内通道(2)中，尿素喷嘴(4)与静态混合器(5)安装距离为3～6倍的内通道管径。
3.根据权利要求1所述的一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器，其特征在于：所述的外部通道，包括外通道(3)、脱硝催化剂(6)和废气出口(9)；外通道(3)采用大、小变径结构，其直径外通道(3)的入口端最大，在废弃出口(9)处最小；内通道(2)和外通道(3)通过球面环流板(7)利用螺栓进行连接；脱硝催化剂(6)均匀环状布置于外通道(3)的入口段；废气出口(9)向上垂直布置于外通道(3)的出口端小径管段。
4.根据权利要求1所述的一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器，其特征在于：所述的内部反应场所，包括尿素喷嘴(4)、静态混合器(5)和脱硝催化剂(6)；尿素喷嘴(4)贯穿内部通道的上方，由外部伸入内部通道中，并且尿素喷嘴(4)开口指向静态混合器(5)的方向。
5.根据权利要求1所述的一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器，其特征在于：所述的环流腔室，包括球面环流板(7)；球面环流板(7)通过螺栓连接在外部通道上；球面环流板(7)的曲率半径为0.75～1.5倍的外部通道最大管径值，球面环流板(7)的剖面为一段圆心角小于180°的圆弧。
6.根据权利要求1所述的一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器，其特征在于：所述的末端吹灰系统，包括球面环流板(7)、吹灰系统(8)、吹灰器(11)和高压蒸汽入口(10)；吹灰系统(8)安装于球面环流板(7)的中心位置；吹灰器(11)均匀覆盖在球面环流板(7)上，吹灰器(11)的开口均指向脱硝催化剂(6)的迎风端；高压蒸汽入口(10)位于吹灰系统(8)的正下方管道口处。
7.根据权利要求5所述的一种船用大功率柴油机的球面环流式双通道高压SCR反应器，其特征在于：所述的球面环流板(7)与外部通道的螺栓连接为可拆卸结构。
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