CN110714819A - 一种船机尾气scr净化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船机尾气SCR净化系统。包括SCR催化器、尿素喷射系统、控制系统；SCR催化器由混合器和催化器构成，混合器设置于催化器前端用于将发动机尾气与喷射尿素混合，尿素喷射系统由尿素溶液供给系统、尿素溶液喷嘴系统构成，尿素溶液喷嘴系统由多个喷嘴组成，控制系统基于OPEN‑ECU快速控制原型完成信息获取和对尿素喷射系统的喷射控制。本发明采用单个尿素泵结合压力共轨机构实现单路/多路尾管上安装多个喷嘴方案；能够解决现阶段单个喷嘴喷射大量尿素溶液时带来的不匹配问题，以及高压稳定性控制问题，喷嘴孔径大导致喷射尿素液柱雾化效果不佳等问题，避免在排气管壁的结晶现象，采用多个喷嘴能够实现尿素溶液更好的雾化和混合。

Description

一种船机尾气SCR净化系统
技术领域
本发明属于尾气环保处理技术领域，尤其属于发动机尾气排放催化处理技术领域，特别涉及一种船机尾气SCR净化系统及应用控制方法。
背景技术
我国是一个内河航运资源比较丰富的国家。鉴于中国港口和船舶大气污染防治的紧迫形势，为落实《环境保护法》、《大气污染防治法》要求，环境保护部制定船舶发动机排放标准，目的是加强船舶污染物排放控制。为了进一步降低船舶内燃机的炭烟颗粒和氮氧化物的排放，满足日益严格的排放法规的要求，内燃机后处理技术得到了广泛的关注、青睐和应用。
在内燃机后处理系统中，选择性催化还原技术(SCR)是针对柴油机尾气排放中氮氧化物的一项处理工艺，即在催化剂的作用下，喷入还原剂氨或尿素溶液，把尾气中的氮氧化物还原成氮气和水；以达到降低船舶尾气氮氧化物含量的目的。
现有SCR技术应用于船舶发动机后处理系统存在以下不足：船舶发动机排量较大，导致SCR系统尿素供给量较大，现阶段还没有合适的单个喷嘴来满足和实现尿素的喷射功能，造成尿素需求量与喷嘴不匹配。采用单个喷嘴满足大容量尿素溶液喷射时，其喷射压力和喷嘴孔径必然较大；喷射压力大，对于高压稳定性控制提出了一定技术要求；喷嘴孔径大，会导致喷射出的尿素液柱雾化效果不佳，容易在排气管壁上发生明显的结晶现象。低温SCR催化器处理氮氧化物转化效率不高。
发明内容
本发明根据现有技术的不足公开了一种船机尾气SCR净化系统。本发明目的是提出一种适用于船机尾气净化处理的SCR系统及应用控制方法，旨在提高SCR技术在船机尾气处理领域的可靠性、实用性，解决在船机SCR系统中尿素喷嘴不匹配、低温SCR转化效率低等技术问题。
本发明通过以下技术方案实现：
船机尾气SCR净化系统，包括SCR催化器、尿素喷射系统、控制系统，所述SCR催化器设置于船用发动机尾气排放通道上，其特征在于：
SCR催化器由混合器和催化器构成；混合器设置于催化器前端用于将发动机尾气与喷射尿素混合；催化器为蜂窝结构的载体催化器，包括载体、衬垫、加热夹层、筒体；
尿素喷射系统由尿素溶液供给系统、尿素溶液喷嘴系统构成；其中，尿素溶液喷嘴系统由位于混合器前端、沿排气通道垂直截面均匀间隔布置的多个喷嘴组成，喷嘴喷射方向与尾气流向相向；
控制系统基于OPEN-ECU快速控制原型完成信息获取和对尿素喷射系统的喷射控制。
本发明所述尿素喷射系统由尿素箱、尿素泵、尿素溶液压力共轨机构、尿素溶液管路构成尿素溶液供给系统，尿素箱与尿素泵相连，尿素泵通过尿素溶液管路与尿素溶液压力共轨机构相连，尿素溶液压力共轨机构通过出口分支共轨管路分别与各尿素喷嘴相连。
所述每条出口分支共轨管路均设置加热管路中流过的尿素溶液的加热装置。
所述加热夹层嵌套在催化器的衬垫与筒体之间，催化器筒体外壁还包覆有保温棉。
本发明所述控制系统包括尿素泵控制、信号反馈系统、喷嘴控制、通信模块系统、SCR催化器加热夹层控制、尿素溶液加热及管路加热控制、尿素溶液喷射计量控制。
所述信号反馈系统基于OPEN-ECU快速控制原型包括：传感器RTD通道模拟输入模块、电压模拟输入模块、A/D转换器模块，实现温度和尿素溶液压力信号采集及分析；其中：
在混合器前端、SCR催化器中部、SCR催化器后端的温度传感器，分别为：SCR催化器上游温度传感器用于测试SCR催化器上游温度、SCR催化器载体温度传感器用于测试SCR催化器载体床温、SCR催化器下游温度传感器用于测试SCR催化器下游温度，采集不同位置的温度为SCR控制提供信息。
所述的通信模块系统是利用CAN通信模块接收SCR催化器上下游氮氧化物信号获取氮氧化物排放量值；利用CAN通信模块接收尿素溶液温度传感器信息、液位传感器信息、尿素品质传感器信息，利用CAN通信模块接收船机信息；
其中：在混合器前端及SCR催化器下游设置氮氧化物传感器，用于测试SCR催化器上下游氮氧化物含量；在尿素箱安装尿素溶液温度传感器、液位传感器、尿素品质传感器、尿素溶液加热装置、加热温度传感器。
所述的SCR催化器加热夹层控制根据SCR催化器载体温度传感器信号判断加热，当催化器载体床温较低时，利用OPEN-ECU快速控制原型PWM输出模块来控制载体加热开关接通开始加热；当催化器载体床温加热到一定值时，载体加热开关断开停止加热。
所述的尿素溶液加热及管路加热控制是利用CAN通信模块接收加热温度传感器信息并对尿素溶液及管路加热；当需要加热时，控制器会给加热装置发送加热信号。
所述的尿素溶液喷射量计量控制是将控制策略模型刷写于OPEN-ECU快速控制原型中结合CAN通信模块接收船机信息、SCR上下游氮氧化物信号以及催化器载体温度信息计算尿素溶液喷射量，并进行喷射控制；喷嘴控制是通过OPEN-ECU快速控制原型PWM输出模块来实现喷嘴喷射控制。
本发明有益性：
本发明提出了一种适用于船机SCR系统及控制方法。旨在提高SCR技术在船机尾气处理领域的可靠性、实用性，对船机后处理SCR系统的研究、开发、应用具有重要意义。
本发明针对船机后处理问题，采用单个尿素泵结合压力共轨机构实现单路/多路尾管上安装多个喷嘴方案；在单路后处理尾管上加装多个喷嘴，能够解决现阶段单个喷嘴喷射大量尿素溶液时带来的不匹配问题，以及喷射压力大时，对于高压稳定性控制提出了一定技术要求，同时喷嘴孔径大，会导致喷射出的尿素液柱雾化效果不佳，因而容易在排气管壁上发生结晶现象；采用多个喷嘴能够实现尿素溶液更好的雾化和混合。
采用SCR载体电加热方案可以解决低温SCR转化效率不佳等问题。
采用OPEN-ECU快速控制原型作为SCR系统控制开发平台及控制器，能够缩短控制软件的开发周期和减轻开发难度。
附图说明
图1为船机SCR系统和控制系统布局示意图。
图中，1-1代表SCR催化器载体，1-2代表衬垫，1-3代表加热夹层，1-4代表筒体，1-5代表保温棉，2代表混合器，3代表尿素溶液喷嘴，4-1代表上游温度传感器，4-2代表催化器载体温度传感器，4-3代表下游温度传感器，5-1代表上游氮氧化物传感器，5-2代表下游氮氧化物传感器，6代表船机，7代表尿素箱，8代表液位传感器，9代表尿素溶液温度传感器，10代表尿素溶液品质传感器，11代表尿素溶液加热装置，12代表加热温度传感器，13代表尿素泵，14代表尿素溶液管路，15代表尿素溶液压力共轨，16代表尿素溶液管路加热装置，17代表载体加热开关，18代表载体加热电源，19代表OPEN-ECU控制器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
结合附图。
本发明船机SCR系统包括：圆柱形SCR催化器，由催化器载体、衬垫、加热夹层、筒体、保温棉构成，催化器载体内部结构可以简单的视为蜂窝状，处理氮氧化物是在SCR催化器载体内完成的，以到达处理船机尾气中氮氧化物为目的。
嵌套在衬垫与筒体之间的加热夹层，通过给催化器载体加热提高催化器载体床温，能够解决因SCR催化器载体床温低带来的氮氧化物转化率低的问题，从而实现船机全工况高效SCR转化率。
在SCR催化器前端位置加装有混合器，混合器内部结构的特殊设计有助于尿素溶液与船机尾气较好的混合，提高尿素分解为氨气的效率。
安装在混合器前端、SCR催化器中部、SCR催化器后端的温度传感器，分别为：SCR催化器上游温度传感器用于测试SCR催化器上游温度、SCR催化器载体温度传感器用于测试SCR催化器载体床温、SCR催化器下游温度传感器用于测试SCR催化器下游温度，采集不同位置的温度为SCR控制策略提供相应判断信息。
安装在混合器前端及SCR催化器下游的氮氧化物传感器，用于测试SCR催化器上下游氮氧化物含量，为尿素溶液喷射量计算提供输入信息。
安装在混合器前端的尿素溶液喷嘴，安装在尾气管道截面处开设多个等间距的喷嘴安装孔处，喷嘴喷射方向与尾气流向相向；采用多个喷嘴同时喷射能够实现较大喷射量的喷射，同时多个喷嘴对实现尿素溶液雾化、混合、分解起到了重要的作用。
尿素溶液供给系统实现将一定量的尿素溶液喷射到船机尾管中，分解成氨气与氮氧化物在SCR催化器载体上发生反应；该系统主要由尿素箱、尿素泵、尿素溶液压力共轨机构、尿素溶液管路及喷嘴等构成；尿素箱是储存和回收尿素溶液的装置，其内部安装有尿素溶液温度传感器、液位传感器、尿素品质传感器、尿素溶液加热装置、加热温度传感器；尿素箱与尿素泵相连，尿素泵的作用主要是建立一定压力大小的尿素溶液，以及实现尿素溶液回流于尿素箱的功能；建立好的目标压力尿素溶液通过尿素溶液管路与尿素溶液压力共轨机构相连；压力共轨机构有一定数量的分支，具体主要根据尿素喷嘴数量决定，每一分支管路连接一个喷嘴，连接每个喷嘴的尿素溶液管路带有加热装置，为尿素溶液管路加热；以上所述共同构成尿素溶液供给系统。
尿素溶液压力共轨机构能够储存和分配具有一定压力的尿素溶液，该共轨机构可以根据喷嘴数量来确定分支管路数，每一分支管路连接一个喷嘴，实现为每个喷嘴提供相同压力的尿素溶液喷射功能。
SCR控制系统主要基于OPEN-ECU快速控制原型来实现控制功能，将OPEN-ECU快速控制原型作为船机SCR系统的ECU可以减轻控制软件开发难度，极大的缩短了控制系统的开发周期。控制功能可划分为尿素泵控制、信号反馈系统、喷嘴控制、通信模块系统、SCR催化器载体电加热控制系统、尿素溶液加热及管路加热控制、尿素溶液喷射量计算控制策略。
尿素泵控制，当船机SCR系统准备开始工作时，利用OPEN-ECU快速控制原型PWM输出模块来实现尿素泵电机工作，建立起尿素溶液目标喷射压力，电机转数大小可实现溶液建压大小；通过控制尿素泵反向阀工作可实现尿素溶液的回流作用。
信号反馈系统，基于OPEN-ECU快速控制原型包括温度传感器(RTD通道)模拟输入模块、电压模拟输入模块、A/D转换器模块，实现温度和尿素溶液压力信号采集及分析。
喷嘴控制，利用OPEN-ECU快速控制原型PWM输出模块来实现喷嘴喷射控制；喷射量大小由尿素溶液喷射量计算控制策略计算得到，根据尿素溶液喷射量来计算出喷嘴喷射时间(PWM占空比)，从而实现尿素溶液的喷射。
通信模块系统，利用CAN通信模块接收SCR催化器上下游氮氧化物信号来获取氮氧化物排放量值；利用CAN通信模块接收尿素溶液温度传感器信息、液位传感器信息、尿素品质传感器信息，利用CAN通信模块接收船机信息(尾气质量流量、发动机转速等)。
SCR催化器载体电加热控制系统，根据SCR催化器载体温度大小(由催化器载体温度传感器信号)来判断是否需要加热，当催化器载体床温较低时，利用OPEN-ECU快速控制原型PWM输出模块来控制载体加热开关接通开始加热；当催化器载体床温加热到一定值时，载体加热开关断开停止加热。
尿素溶液加热及管路加热控制，利用CAN通信模块接收加热温度传感器信息来判断是否需要对尿素溶液及管路加热；当需要加热时，控制器会给加热装置发送加热信号。
尿素溶液喷射量计算控制策略，将控制策略模型刷写于OPEN-ECU快速控制原型里结合CAN通信模块接收船机信息、SCR上下游氮氧化物信号以及催化器载体温度信息等来计算尿素溶液喷射量，根据目标尿素溶液喷射量进行喷射控制工作。

Claims (10)

1.一种船机尾气SCR净化系统，包括SCR催化器、尿素喷射系统、控制系统，所述SCR催化器设置于船用发动机尾气排放通道上，其特征在于：
SCR催化器由混合器和催化器构成；混合器设置于催化器前端用于将发动机尾气与喷射尿素混合；催化器为蜂窝结构的载体催化器，包括载体、衬垫、加热夹层、筒体；
尿素喷射系统由尿素溶液供给系统、尿素溶液喷嘴系统构成；其中，尿素溶液喷嘴系统由位于混合器前端、沿排气通道垂直截面均匀间隔布置的多个喷嘴组成，喷嘴喷射方向与尾气流向相向；
控制系统基于OPEN-ECU快速控制原型完成信息获取和对尿素喷射系统的喷射控制。
2.根据权利要求1所述的船机尾气SCR净化系统，其特征在于：所述尿素喷射系统由尿素箱、尿素泵、尿素溶液压力共轨机构、尿素溶液管路构成尿素溶液供给系统，尿素箱与尿素泵相连，尿素泵通过尿素溶液管路与尿素溶液压力共轨机构相连，尿素溶液压力共轨机构通过出口分支共轨管路分别与各尿素喷嘴相连。
3.根据权利要求2所述的船机尾气SCR净化系统，其特征在于：所述每条出口分支共轨管路均设置加热管路中流过的尿素溶液的加热装置。
4.根据权利要求3所述的船机尾气SCR净化系统，其特征在于：所述加热夹层嵌套在催化器的衬垫与筒体之间，催化器筒体外壁还包覆有保温棉。
5.根据权利要求2或3或4所述的船机尾气SCR净化系统，其特征在于：所述控制系统包括尿素泵控制、信号反馈系统、喷嘴控制、通信模块系统、SCR催化器加热夹层控制、尿素溶液加热及管路加热控制、尿素溶液喷射计量控制。
6.根据权利要求5所述的船机尾气SCR净化系统，其特征在于：所述信号反馈系统基于OPEN-ECU快速控制原型包括：传感器RTD通道模拟输入模块、电压模拟输入模块、A/D转换器模块，实现温度和尿素溶液压力信号采集及分析；其中：
在混合器前端、SCR催化器中部、SCR催化器后端的温度传感器，分别为：SCR催化器上游温度传感器用于测试SCR催化器上游温度、SCR催化器载体温度传感器用于测试SCR催化器载体床温、SCR催化器下游温度传感器用于测试SCR催化器下游温度，采集不同位置的温度为SCR控制提供信息。
7.根据权利要求6所述的船机尾气SCR净化系统，其特征在于：所述的通信模块系统是利用CAN通信模块接收SCR催化器上下游氮氧化物信号获取氮氧化物排放量值；利用CAN通信模块接收尿素溶液温度传感器信息、液位传感器信息、尿素品质传感器信息，利用CAN通信模块接收船机信息；
其中：在混合器前端及SCR催化器下游设置氮氧化物传感器，用于测试SCR催化器上下游氮氧化物含量；在尿素箱安装尿素溶液温度传感器、液位传感器、尿素品质传感器、尿素溶液加热装置、加热温度传感器。
8.根据权利要求6所述的船机尾气SCR净化系统，其特征在于：所述的SCR催化器加热夹层控制根据SCR催化器载体温度传感器信号判断加热，当催化器载体床温较低时，利用OPEN-ECU快速控制原型PWM输出模块来控制载体加热开关接通开始加热；当催化器载体床温加热到一定值时，载体加热开关断开停止加热。
9.根据权利要求6所述的船机尾气SCR净化系统，其特征在于：所述的尿素溶液加热及管路加热控制是利用CAN通信模块接收加热温度传感器信息并对尿素溶液及管路加热；当需要加热时，控制器会给加热装置发送加热信号。
10.根据权利要求6所述的船机尾气SCR净化系统，其特征在于：所述的尿素溶液喷射量计量控制是将控制策略模型刷写于OPEN-ECU快速控制原型中结合CAN通信模块接收船机信息、SCR上下游氮氧化物信号以及催化器载体温度信息计算尿素溶液喷射量，并进行喷射控制；喷嘴控制是通过OPEN-ECU快速控制原型PWM输出模块来实现喷嘴喷射控制。
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