CN110080863B - 一种提高船用柴油机低压scr系统低温性能的加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种提高船用柴油机低压SCR系统低温性能的加热系统，包括增压涡轮、废气抽气管路、SCR反应器、尿素喷射装置、补燃装置、电加热装置、风机、阀门。在增压涡轮前抽取高温废气，一部分高温废气流入尿素喷射装置来分解尿素，之后流入SCR反应器中；另一部分高温废气来对SCR反应器的催化剂载体加热，加热催化剂载体后的废气经过吹灰系统进入催化剂前参加反应。高低温废气的直接混合提高了进入SCR反应的废气温度。本发明减少了催化剂表面的硝酸铵和硫酸铵的结晶物，保证反应物在催化剂表面的接触面积，提高催化剂活性，从而提高催化还原反应的速率，增加氮氧化物的去除量。

Description

一种提高船用柴油机低压SCR系统低温性能的加热系统
技术领域
本发明涉及的是一种柴油机尾气处理系统，具体地说是船舶柴油机尾气处理系统。
背景技术
全球在步入21世纪后，随着经济全球化给世界经济带来的动力，船运也随之有了高速的发展，而其中产生的大量船舶污染物对大气和海洋环境造成了严重的破坏，世界各国和国际组织(IMO)相继制定了法规来限制污染物的排放，但随着人们对环境要求的日益增长，国际海事组织对船舶污染物排放的法规也越来越严苛，并规定在2016年以后,低速柴油机NOx的排放限值在指定排放控制区(ECA)降为3.4g/(KW·h)。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)水域设立为船舶大气污染物排放控制区，以控制我国领域内船舶污染物的排放。
目前，针对NOx污染物，世界上比较成熟的后处理技术主要有废气再循环洗涤(EGR)技术和选择性催化还原(SCR)技术。EGR技术能够大幅度降低NOx排放，但同时其油耗和微粒排放都将增加。SCR技术是国际海事组织公认的唯一可用于各类船舶发动机和船型的NOx减排技术，理论上能够满足IMO Tier III或更严格排放标准。按照SCR系统安装位置不同，可以分为高压SCR系统和低压SCR系统。高压SCR系统的涡前排气温度为280～420℃，高压SCR系统具有很好的脱硝效率。然而低压SCR系统涡后排气温度仅有210～240℃，而SCR系统中最佳反应温度为350～400℃，温度过低会降低脱硝效率并且会有生成的其他副产物在催化剂表面结晶。因而，对于低压SCR系统需要额外增加供热装置来提高SCR反应器中的温度。
发明内容
本发明的目的在于提供提高催化还原反应的速率、增加氮氧化物去除量的一种提高船用柴油机低压SCR系统低温性能的加热系统。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种提高船用柴油机低压SCR系统低温性能的加热系统，其特征是：包括增压涡轮、柴油机排气管、SCR反应器、尿素喷射装置、抽气管路，柴油机排气管连接增压涡轮，增压涡轮出口管路连通SCR反应器，所述SCR反应器里设置催化剂和吹灰系统，SCR反应器中部设置出气口，SCR反应器的上端设置上进气口，SCR反应器的下端设置下进气口，上进气口下方为上气室，下进气口上方为下气室，抽气管路连通增压涡轮前的柴油机排气管，抽气管路分成第一支路和第二支路，第一支路连通增压涡轮出口管路并在其上安装第一阀门和尿素喷射装置，第二支路连通SCR反应器的上进气口和下进气口，第二支路上安装第二阀门。
本发明一种提高船用柴油机低压SCR系统低温性能的加热系统，其特征是：包括增压涡轮、柴油机排气管、SCR反应器、尿素喷射装置、抽气管路，柴油机排气管连接增压涡轮，增压涡轮出口管路连通SCR反应器，所述SCR反应器里设置催化剂和吹灰系统，SCR反应器中部设置出气口，SCR反应器的上端设置上进气口，SCR反应器的下端设置下进气口，上进气口下方为上气室，下进气口上方为下气室，抽气管路连通增压涡轮出口管路，抽气管路上安装补燃装置，抽气管路分成第一支路和第二支路，第一支路连通SCR反应器前的增压涡轮出口管路并在其上安装第一阀门和尿素喷射装置，第二支路连通SCR反应器的上进气口和下进气口，第二支路上安装第二阀门，燃料和空气通过空气预热器连接补燃装置，空气预热器与SCR反应器的出口连通并实现换热。
本发明一种提高船用柴油机低压SCR系统低温性能的加热系统，其特征是：包括增压涡轮、柴油机排气管、SCR反应器、尿素喷射装置、抽气管路，柴油机排气管连接增压涡轮，增压涡轮出口管路连通SCR反应器，所述SCR反应器里设置催化剂，催化剂外部铺有电加热片，SCR反应器中部设置出气口，抽气管路连通增压涡轮前的柴油机排气管和增压涡轮出口管路，抽气管路上设置第一阀门和尿素喷射装置。
本发明的优势在于：抽取涡轮前高温废气加热催化剂载体，提高催化剂载体的温度，这部分加热催化剂载体后的废气可以通入SCR反应器，提高了进入SCR反应器的废气温度。抽气用于尿素喷射装置中，高温废气增大了尿素的分解率，使更多的尿素得到分解，加大了进入SCR反应器的氨气浓度。此抽气系统使得SCR反应器中的温度升高，氨气浓度增加，催化剂活性增强，很大的提高了催化还原反应的速率，使得脱硝率更大，污染物含量达到排放标准。
在原低压SCR系统中，低温废气在反应过程中因温度的持续降低，在催化剂中反应产生的副产物在催化剂表面结晶，以致于结晶物堵塞催化剂的孔道减小了反应的接触面积，比如硝酸铵和硫酸铵等在温度170℃左右时结晶。加热催化剂载体，可使结晶问题都得到有效解决。这不仅可以提高催化剂活性增大反应的效率，而且避免了结晶物堵塞通道所造成的安全隐患，提高了系统的安全系数。
在高温废气加热催化剂载体流出后，在其管路中添置一台风机，通入SCR反应器中，这部分抽气可用作吹灰系统来对催化剂进行吹灰，减少催化剂表面的灰粒堆积，降低系统需要重新布置吹灰系统所带来的复杂度，简化了系统，使得系统更加紧凑，降低空间占用率。
补燃装置型加热系统在涡轮后抽气，增压涡轮的输出功可得到最大值，保证了柴油机的高压空气需求量。其燃料采用轻油，在燃料与空气的输送管路布置一个换热器，采用系统的出口废气的余热对其进行预热，提高进入补燃装置的燃料温度，降低燃烧室中的废气与燃料空气的温差，既利用了出口的低温热量也降低了补燃装置中的燃烧
Figure BDA0002012394170000031
损，提高了能源利用率，节约了系统的运营成本。
电加热型加热系统采用电加热板对催化剂载体进行加热，通过控制器实现对加热功率的控制范围，提高催化剂载体到所需要的温度，优化低压SCR反应性能及系统的高能源利用率，减少不必要的能源消耗。
附图说明
图1为涡轮前抽气加热催化剂载体的结构示意图；
图2为补燃装置型加热催化剂载体的结构示意图；
图3为SCR反应器催化剂载体的布置方式示意图；
图4为电加热型加热催化剂载体的系统结构示意图；
图5为电加热型中SCR反应器中电加热板的布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-5，由于低压SCR系统的显著缺点是进入SCR反应器的废气温度较低，尿素在低温废气中的分解率和废气在催化剂中的催化还原反应速率都将受到温度的影响。反应后的硝酸铵和硫酸铵由于低温废气将会在催化剂表面出现结晶现象，并堵塞催化剂孔道，进一步影响反应速率，并出现系统安全性问题。
本发明中针对以上问题，将采用高温废气通过热对流换热着重解决低压SCR系统中关键部位的低温性能问题。将抽取增压涡轮前的高温废气一部分用于尿素喷射装置，提高尿素分解所需要的温度；一部分高温废气在SCR反应器中的催化剂载体外壳对流传热，再通过热传导来加热催化剂。高温废气从SCR反应器的筒体的上、下端口进入，从中部端口流出，增加催化剂的温度，然后将其通入SCR反应器催化剂前进行脱硝反应。
本发明还可通过其他两种方式实现低压SCR系统催化剂载体的加热，有补燃装置型和电加热型。
补燃装置型加热系统的实现途径是这样的，通过抽取增压涡轮后的部分低温废气通入补燃装置，补燃装置内轻质燃油的燃烧放出大量的热量来加热抽取的低温废气，抽取的低温废气升高温度后再分为两部分进入尿素喷射装置和SCR反应器中。其中，补燃装置中的燃油和空气经过系统出口废气的抽气预热装置进行预热，减小燃料与补燃装置内的温度差，减小燃烧
Figure BDA0002012394170000041
损失。
电加热型加热系统是这样实现的，SCR反应器中的催化剂载体外壳通过铺贴电加热板来升高催化剂的温度，电加热板需要通过控制器精准智能控制，根据催化剂的温度来调节电加热功率。其中，仍然采用增压涡轮前抽取高温废气，不仅可以通入尿素喷射系统来提高尿素的分解率，还可以提高进入SCR反应器的废气温度，提高反应速率。
图1为抽取涡轮前高温废气加热催化剂载体的结构示意图，其主要由增压涡轮1、尿素喷射装置2、SCR反应器3、催化剂4、风机5、吹灰系统6、阀门7,8,9组成。
图2为补燃装置型的高温废气加热催化剂载体的结构示意图，其主要是由增压涡轮1、补燃装置10、尿素喷射装置2、SCR反应器3、催化剂4、风机5、吹灰系统6、空气预热器11、阀门7,8,9、抽气管路12、SCR出口废气换热管路13、燃料空气管路14组成。
图3为高温废气加热SCR反应器催化剂载体区的废气流通路径示意图，其主要由上进气口20、下进气口25、出气口23，24、气室22、气室废气口21及催化剂载体26组成。高温废气加热通道与催化剂都是密封隔开，不会泄露到反应区。每个端口进气口的左右布置可使得废气进入气室后交叉扰动流动来获得均匀分布，气室的存在也将使得废气进入催化剂载体换热区时尽可能的分散均匀，所有的催化剂单元可以都得到有效加热。
图4为电加热SCR反应器催化剂载体，其主要由增压涡轮1、电加热装置控制器15、SCR反应器3、电加热控制显示器16、尿素喷射装置2、阀门8、温度计17等组成。
电加热型加热SCR反应器载体可选用碳纤维电加热板，厚度很薄，可粘贴在SCR反应器催化剂载体外壳上，并在催化剂外壳上采用全面积铺张，催化剂模块间安放电加热片的的间隙仍需密封处理。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明是一种适用于船用大功率柴油机的提高低压SCR低温性能的加热系统。利用涡轮前高温废气加热催化剂载体和提高进入反应器的废气温度，提高催化剂的活性，提高SCR反应的速率，达到更高效率、更节能及降低运行成本的脱硝过程。
柴油机排气废气在进入涡轮前抽取部分废气进入抽气管路，来流高温废气与由尿素喷射系统2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，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，之后高温废气和涡轮后的低温废气混合进入SCR反应器中，并在催化剂4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4，最后流出SCR系统。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4工作一段时间后，催化剂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，高温废气加热催化剂载体可提高催化剂的表面温度，使得结晶物温度升高而挥发；同时吹灰系统可清扫沉积物，将其吹入吹灰箱，保证了催化剂表面的洁净和反应接触面积。

Claims (2)

1.一种提高船用柴油机低压SCR系统低温性能的加热系统，其特征是：包括增压涡轮、柴油机排气管、SCR反应器、尿素喷射装置、抽气管路，柴油机排气管连接增压涡轮，增压涡轮出口管路连通SCR反应器，所述SCR反应器里设置催化剂和吹灰系统，SCR反应器中部设置出气口，SCR反应器的上端设置上进气口，SCR反应器的下端设置下进气口，上进气口下方为上气室，下进气口上方为下气室，抽气管路连通增压涡轮前的柴油机排气管，抽气管路分成第一支路和第二支路，第一支路连通增压涡轮出口管路并在其上安装第一阀门和尿素喷射装置，第二支路连通SCR反应器的上进气口和下进气口，第二支路上安装第二阀门。
2.一种提高船用柴油机低压SCR系统低温性能的加热系统，其特征是：包括增压涡轮、柴油机排气管、SCR反应器、尿素喷射装置、抽气管路，柴油机排气管连接增压涡轮，增压涡轮出口管路连通SCR反应器，所述SCR反应器里设置催化剂和吹灰系统，SCR反应器中部设置出气口，SCR反应器的上端设置上进气口，SCR反应器的下端设置下进气口，上进气口下方为上气室，下进气口上方为下气室，抽气管路连通增压涡轮出口管路，抽气管路上安装补燃装置，抽气管路分成第一支路和第二支路，第一支路连通SCR反应器前的增压涡轮出口管路并在其上安装第一阀门和尿素喷射装置，第二支路连通SCR反应器的上进气口和下进气口，第二支路上安装第二阀门，燃料和空气通过空气预热器连接补燃装置，空气预热器与SCR反应器的出口连通并实现换热。
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