CN110090555A - 一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压scr系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR系统，其特征是：包括台架、排气箱、左涡轮增压器、右涡轮增压器、左SCR、右SCR，排气箱、左涡轮增压器、右涡轮增压器、左SCR、右SCR均设置在台架上，排气箱通过左排气出气C型渐扩管到连接左SCR，左SCR通过左涡轮进气C型渐缩管道，排气箱通过右排气出气C型渐扩管到连接右SCR，右SCR通过右涡轮进气C型渐缩管道，左SCR、右SCR对置嵌入排气箱下方，左涡轮增压器、右涡轮增压器分别布置在左SCR、右SCR前方侧。本发明具有增加主机配重少、低速增压效果好、反应气和废气混合效果好、紧凑性高、残余废热利用率高等优点，可以有效降低船用低速柴油机的NOx排放，以满足IMO Tier III排放标准。

Description

一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR 系统

技术领域

本发明涉及的是一种尾气处理系统，具体地说是船用柴油机尾气处理系统。

背景技术

随着“一带一路”倡议的实施，船舶运输在社会经济建设中的地位越来越突出。但是，船舶污染物是温室气体的重要来源，对港口城市和内河区域等地的空气质量造成了一定破坏。国际海事组织规定在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在珠三角、长三角、环渤海(京津冀)地区的周边和内河通航水域设立船舶大气污染物排放控制区，以减少船舶污染物的排放。并于2018年6月计划对全国沿海(不含港、澳、台管辖水域)及长江干线通航水域进行排放控制，控制重心从控制SOx向NOx侧重，该计划将在2018年底修订完成。

目前，废气再循环洗涤(EGR)技术和选择性催化还原(SCR)是解决船舶柴油机NOx排放，并使之满足IMO Tier III排放标准的主流技术。EGR技术采用较大的EGR率，并且循环废气温度较低，使得船舶主机NOx排放量大幅降低，满足IMO Tier III排放标准。但是在IMOTier III模式下时，船舶主机燃烧状况极度恶化，燃油消耗量大幅增加，其经济性代价较高。而SCR脱硝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或更严格的排放标准。船用SCR系统根据安装位置的不同，可以分为低压SCR系统和高压SCR系统。低压SCR系统安装在涡轮增压器后，排气温度仅有200～240℃。而SCR系统在使用钒基催化剂的条件下，最佳反应温度为350～400℃，温度过低会降低脱硝效率并且会生成其他副产物。因而，对于低压SCR系统需要额外增加供热装置来提高排气温度，将导致运营成本增加。相反，高压SCR系统安装在涡轮增压器前，排气温度为280～420℃，高压SCR系统具有很好的脱硝效率。

由于船用低速柴油机SCR反应器体积、重量均较大，安装布置受到排气流量、排气温度、脱硝效率、船舶可用空间和对主机能耗等的限制，因此SCR反应器的安装应该综合考虑。其次，现有的SCR反应器可位于涡轮后，反应器和主机系统一般分散布置，废热利用率低，且结构较为复杂；最后，针对船用柴油机高压SCR系统一般采用单涡轮增压器，采用双涡轮增压器或多涡轮增压器在相关专利中很少报道。

在申请号为201510957139.X的专利《一种适用于多增压器船用柴油机NOx减排装置SCR系统》中，主要涉及一种多增压器的SCR系统的控制方法，但是涡轮前布置SCR反应器，体积受限，重量较大，该专利并未解决SCR系统结构设计和安装的问题，且对主机能耗的影响较大。

在申请号为201610780805.1的专利《一种集成式船用柴油机废气处理装置》中，SCR反应器布置在涡轮之后，导致SCR反应器入口温度偏低。由于低速柴油机多为超大功率柴油机，其排气温度更低，且排气压力低，导致SCR反应器线速度更大，所需SCR反应器体积将增大。同时，低压SCR系统增加了涡轮背压，主机油耗；脱硝效率低下，很难满足IMO TierIII的排放标准。

由于SCR反应器体积和重量较大，现有的SCR系统主要有卧式和立式两种，均会造成主机系统重心偏移，需要增加配重，这将增加柴油机的能耗。因此船用低速柴油机高压SCR系统在实际应用中存在诸多问题，迫切需要开发高脱硝效率、高废热利用率、低振动噪声、便于管理维护、结构紧凑且能够满足相关排放标准的设计方案。

发明内容

本发明的目的在于提供具有增加主机配重少、低速增压效果好、反应气和废气混合效果好、紧凑性高、残余废热利用率高等优点的一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR系统，其特征是：包括台架、排气箱、左涡轮增压器、右涡轮增压器、左SCR、右SCR，排气箱、左涡轮增压器、右涡轮增压器、左SCR、右SCR均设置在台架上，排气箱通过左排气出气C型渐扩管到连接左SCR，左SCR通过左涡轮进气C型渐缩管道，排气箱通过右排气出气C型渐扩管到连接右SCR，右SCR通过右涡轮进气C型渐缩管道，左SCR、右SCR对置嵌入排气箱下方，左涡轮增压器、右涡轮增压器分别布置在左SCR、右SCR前方侧。

本发明还可以包括：

1、左排气出气C型渐扩管的出口半径为R，左排气出气C型渐扩管的入口半径0.5-0.75R；右排气出气C型渐扩管的出口半径为R，右排气出气C型渐扩管的入口半径为0.5-0.75R。

2、左涡轮进气C型渐缩管道出口半径为r，左涡轮进气C型渐缩管道入口半径为2-3r；右涡轮进气C型渐缩管道出口半径为r，右涡轮进气C型渐缩管道入口半径为2-3r；左涡轮增压器进气一侧高于左SCR出气一侧，右涡轮增压器进气一侧高于右SCR出气一侧。

3、左排气出气C型渐扩管和右排气出气C型渐扩管上喷射尿素。

本发明的优势在于：

本发明采用并联的双涡轮增压系统，每个涡轮增压器都有一套独立的SCR系统。与传统的单个SCR系统相比，进气量减半，在温度和压力较高的情况下，流经催化剂的线速度减小，降低了废气冲刷催化剂产生的振动噪声，同时，提高了催化剂使用寿命；另外，SCR系统所需要的催化剂减少，布置更加灵活，有利于嵌入于排气箱底下，提高系统的紧凑性，减少空间需求，也便于管理和维护。

本发明尿素喷射在排气箱和SCR反应器的C型渐扩管道上。排气箱刚出来的废气不稳定、扰动大，在C型管道上废气线速度先增后降，脉冲波动增加，使得混合气与NH3混合更加均匀，也防止了反应气倒吸到排气箱中。另外，这个过程废气残余能量也得到了较好的利用。

本发明SCR反应器和涡轮增压器之间的连接采用C型渐缩管道，且涡轮增压器入口的管道要高于SCR反应器出口的管道。反应后的废气在C型渐缩管道中线速度先增后慢，可以利用废气中沉积物的惯性和C型渐缩管道入口和出口的高度差，有效防止沉积物进入涡轮增压器，影响涡轮正常运转。

本发明将两个SCR反应器对置嵌入于排气箱底下，对主机重心偏移量改变较小，所需增加配重较小，因此与一般高压SCR系统集成式结构相比，降低了船舶运营成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为左、右排气出气C型渐扩管道结构示意图；

图3为左、右涡轮进气C型渐缩管道结构示意图；

图4为竖直平面重心分布结构示意图。

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1-4，图1为本发明总系统三维模型空间结构示意图，主要由气缸头1、排气箱2、左排气出气C型渐扩管道3、左SCR4、左涡轮进气C型渐缩管道5、左涡轮增压器6、左进气管道7、前整机重心(不含SCR)14、右排气出气C型渐扩管道8、右SCR9、右涡轮进气C型渐缩管道10、右涡轮增压器11、右进气管道12、后整机重心(含SCR)15、支撑板13、防护栏16、台架17、气缸18等结构组成。

系统采用双涡轮增压器，每个涡轮增压器都有一套独立的SCR系统，两个SCR反应器对置嵌入于排气箱底下，两个涡轮增压器分别紧凑布置在各自对应的SCR反应器前方侧。

系统排气箱用三套支撑板固定，两个SCR反应器对置固定在台架上，涡轮增压器也用支撑板固定。

图2为本发明左右排气出气C型渐扩管道结构示意图，SCR反应器入口的管径半径为R，排气箱出气出口管道半径为0.5R～0.75R。

图3为本发明左右涡轮进气C型渐缩管道结构示意图，涡轮增压器入口管道半径为r，SCR反应器出口管道半径为2r～3r。

图4为本发明总系统竖直平面重心分布结构示意图，主要由前整机重心(不含SCR)14和后整机重心(含SCR)15组成。

本发明是一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR系统，与传统的SCR相比，SCR反应器体积将减小，布置更加灵活，将SCR反应器对置嵌入于排气箱底下，提高了整机系统的结构紧凑性，节省了船用可用安装空间，提高了催化剂使用寿命。主机需要配重较小，降低了运营成本。并联式双涡轮增压器在低速机低负荷时能够减小涡轮迟滞，增强增压效果。其次，尿素喷射在排气箱与SCR反应器之间的排气出气C型渐扩管道处，可以利用脉冲扰动，更好的混合废气和反应气，进而提高对NOx的去除效果；最后，SCR反应器和涡轮增压器之间的连接采用C型渐缩管道，利用沉积物惯性作用，可以有效防止反应后的沉积物进入涡轮增压器，影响涡轮正常运转。

(1)柴油机废气从气缸头1处的排气歧管流入排气箱2，经排气箱侧方左排气出气管C型渐扩管道3和右排气出气C型渐扩管道8，废气速度先增后降，扰动大，与由尿素喷射系统引入的高压尿素溶液接触，废气和反应气混合更均匀，整个过程会发生尿素分解反应，其化学反应：

尿素热解：CO(NH2)2＝NH3+HNCO

异氰酸水解：HNCO+H2O＝NH3+CO2

(2)而后混合均匀的反应气和废气流入左SCR4和右SCR9反应器模块，在催化剂的作用下发生脱硝反应，其化学反应为：

标准反应：4NO+4NH3+O2＝4N2+6H2O

快速反应：2NO+2NO2+4NH3＝4N2+6H2O

慢速反应：2NO2+4NH3+O2＝3N2+6H2O

(3)脱硝反应后的洁净废气流出催化剂模块，经左排气出气C型渐扩管道5和右排气出气C型渐扩管道10，进入柴油机左涡轮增压器6和右涡轮增压器11中。此外，整个脱硝反应过程中，还会发生以下副反应：

硝酸铵生成：2NH3+2NO2＝N2+NH4NO3+H2O

硫酸铵生成：SO3+H2O+2NH3＝(NH4)2SO4

氧化亚氮：4NH3+4NO+3O2＝4N2O+6H2O

在较低的反应温度下，生成大量NH4NO3，严重时会堵塞催化剂孔道，降低催化剂活性。

硫含量较高时也会有相应的硫酸盐生成，当催化剂模块表面及孔道内部存在铵盐结晶物、沉积物，会堵塞催化剂通道，降低系统脱硝效率。

沉积物在左排气出气C型渐扩管道5和右排气出气C型渐扩管道10中由于惯性和C型渐扩管道入口和出口的高度差，返回到左SCR4和右SCR9反应器中。

洁净的废气在左涡轮增压器6和右涡轮增压器11中做功后排放到大气，新鲜空气通过左进气管道7和右进气管道12进入气缸18，至此，完成一个废气循环处理过程。

Claims (5)

1.一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR系统，其特征是：包括台架、排气箱、左涡轮增压器、右涡轮增压器、左SCR、右SCR，排气箱、左涡轮增压器、右涡轮增压器、左SCR、右SCR均设置在台架上，排气箱通过左排气出气C型渐扩管到连接左SCR，左SCR通过左涡轮进气C型渐缩管道，排气箱通过右排气出气C型渐扩管到连接右SCR，右SCR通过右涡轮进气C型渐缩管道，左SCR、右SCR对置嵌入排气箱下方，左涡轮增压器、右涡轮增压器分别布置在左SCR、右SCR前方侧。

2.根据权利要求1所述的一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR系统，其特征是：左排气出气C型渐扩管的出口半径为R，左排气出气C型渐扩管的入口半径0.5-0.75R；右排气出气C型渐扩管的出口半径为R，右排气出气C型渐扩管的入口半径为0.5-0.75R。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR系统，其特征是：左涡轮进气C型渐缩管道出口半径为r，左涡轮进气C型渐缩管道入口半径为2-3r；右涡轮进气C型渐缩管道出口半径为r，右涡轮进气C型渐缩管道入口半径为2-3r；左涡轮增压器进气一侧高于左SCR出气一侧，右涡轮增压器进气一侧高于右SCR出气一侧。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR系统，其特征是：左排气出气C型渐扩管和右排气出气C型渐扩管上喷射尿素。

5.根据权利要求3所述的一种适用于双涡轮船用低速柴油机的对置嵌入式高压SCR系统，其特征是：左排气出气C型渐扩管和右排气出气C型渐扩管上喷射尿素。