CN111749764B - Scr催化转化器、废气后处理系统和内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的废气后处理系统的SCR催化转化器包括用于蜂窝体的支撑结构，废气可流动通过该蜂窝体，该蜂窝体被金属外壳部分地包围。支撑结构包括具有第一开口的第一板状支撑体，具有第二开口的第二板状支撑体和在支撑体之间延伸的撑杆，它们一起限定用于蜂窝体的接收区域。每个蜂窝体可经由第一支撑体的相应第一开口引入相应蜂窝体的相应接收区域中，第一开口具有比由相应的外壳包围的蜂窝体大的横截面面积，并且第二支撑体的相应第二开口具有比由相应的外壳包围的蜂窝体小的横截面面积，使得相应蜂窝体只能经由相应的第一开口被引入或移出接收区域。框架状保持装置连接至第一支撑体，以便将布置在相应接收区域中的蜂窝体固定在支撑结构中。

Description

SCR催化转化器、废气后处理系统和内燃机
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的废气后处理系统的SCR催化转化器。此外，本发明涉及一种具有SCR催化转化器的废气后处理系统和一种具有废气后处理系统的内燃机。
背景技术
在例如用于发电厂的固定式内燃机的燃烧过程中，以及例如用在船舶上的非固定式内燃机的燃烧过程中，产生氮氧化物，其中，这些氮氧化物通常在燃烧含硫的化石燃料(诸如煤，矿井煤，褐煤，原油，重质燃料油或柴油)时产生。为此，将用于清洁、特别是使离开内燃机的废气脱氮的废气后处理系统被分配给这种内燃机。
为了减少废气中的氮氧化物，从实践中已知的废气后处理系统中主要采用所谓的SCR催化转化器。在SCR催化转化器中，发生氮氧化物的选择性催化还原，其中为了还原氮氧化物，需要氨(NH3)作为还原剂。为此目的，将氨或氨前体物质(例如尿素)以液态形式引入SCR催化转化器上游的废气中，其中，氨或氨前体物质与SCR催化转化器上游的废气混合。为此目的，根据实践，在引入氨或氨前体物质与SCR催化转化器之间设置混合区。
尽管使用从实践已知的SCR催化转化器和包括SCR催化转化器的废气后处理系统，已经可以成功地进行废气后处理，尤其是氮还原，但是仍需要进一步改进SCR催化转化器和废气后处理系统。特别地，需要这种SCR催化转化器和废气后处理系统的紧凑设计。
发明内容
由此出发，本发明基于以下目的：创造一种新型的SCR催化转化器，一种新型的内燃机的废气后处理系统以及一种具有这样的废气后处理系统的内燃机。
该目的通过根据本发明所述的用于内燃机的废气后处理系统的SCR催化转化器来解决。根据本发明的SCR催化转化器包括用于蜂窝体的支撑结构，废气可以流动通过该蜂窝体，该蜂窝体被金属外壳部分地包围。支撑结构包括具有第一开口的第一板状支撑体，具有第二开口的第二板状支撑体和在支撑体之间延伸的撑杆，它们一起限定了用于蜂窝体的接收区域。每个蜂窝体可经由第一支撑体的相应第一开口引入到相应蜂窝体的相应接收区域中，该第一开口具有比由相应的外壳包围的蜂窝体大的横截面面积，其中，第二支撑体的相应第二开口的横截面面积比由相应的外壳包围的蜂窝体的横截面面积小，从而相应蜂窝体只能经由相应的第一开口被引入到相应的接收区域中并且从相应的接收区域中移出。用于一个或多个蜂窝体的框架状保持装置连接至第一支撑体，以便将布置在相应接收区域中的蜂窝体固定在支撑结构中。
这种SCR催化转化器的特征在于紧凑的设计。独立的蜂窝体可以通过紧凑的设计容易地并安全地安装在SCR催化转化器的支撑结构中。如果需要，可以更换独立的蜂窝体。
根据有利的进一步改进，相应的框架状保持装置经由紧固螺钉或紧固螺栓连接至第一支撑体，其中，至少一些，优选地，所有的紧固螺钉或紧固螺栓延伸穿过第一弹簧元件，第一弹簧元件利用第一端将其自身支撑在框架状保持装置上，利用第二端将其自身支撑在相应的紧固螺钉或相应的紧固螺栓上。在第二支撑体和被外壳包围的蜂窝体之间，优选地布置了第二弹簧元件，第二弹簧元件通过第一端在第二支撑体上并通过第二端在相应蜂窝体的外壳上来支撑自身。这些进一步的改进用于提供SCR催化转化器的紧凑设计。这些特征的另一个优点在于，可补偿在支撑结构和蜂窝体的区域中由热引起的长度变化。
根据有利的进一步改进，框架状保持装置覆盖相应蜂窝体的外壳，其中，在框架状保持装置与相应蜂窝体的外壳之间布置有密封元件，该密封元件优选为由玻璃纤维材料制成的密封绳。这种密封元件促进提供紧凑的设计。密封元件特别是与弹簧元件结合，即使在支撑结构和蜂窝体的区域中由热引起的长度变化，也确保了SCR催化转化器的蜂窝体的良好密封。
本发明还提供包括上述SCR催化转化器的废气后处理系统。本发明还提供包括上述废气后处理系统的内燃机。
附图说明
本发明的优选的进一步改进从从属权利要求和以下说明中获得。通过附图更详细地解释本发明的示例性实施例，但不限于此。在附图中示出：
图1为具有废气后处理系统的内燃机的示意性透视图；
图2为图1的废气后处理系统的细节；
图3为图1和2的废气后处理系统在SCR催化转化器区域中的细节；
图4为SCR催化转化器区域中的废气后处理系统的进一步细节；以及
图5为通过SCR催化转化器的节取的横截面图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于废气后处理系统的SCR催化转化器，并且涉及一种内燃机(例如发电厂中的固定式内燃机或船舶上使用的非固定式内燃机)的废气后处理系统。特别地，废气后处理系统用在使用重质燃料油运行的船舶上的柴油内燃机上。
图1示出了具有废气涡轮增压系统2和废气后处理系统3的内燃机1的布置。内燃机1可以为非固定式或固定式内燃机，特别是船舶的非固定运行的内燃机。
离开内燃机1的气缸的废气被利用在废气增压系统2中，以便从废气的热能中提取机械能，以用于压缩待馈送给内燃机1的进气空气。
因此，图1示出具有废气涡轮增压系统2的内燃机1，该废气涡轮增压系统2包括多个废气涡轮增压器，即第一高压侧废气涡轮增压器4和第二低压侧废气涡轮增压器5。离开内燃机1的气缸的废气首先经由第一废气涡轮增压器1的高压涡轮6流动并且在其中膨胀，其中，在此过程中提取的能量在第一废气涡轮增压器4的高压压缩机中被利用，以压缩进气空气。在第一废气涡轮增压器4下游的废气的流动方向看，第二废气涡轮增压器5被布置成，已经流过第一废气涡轮增压器4的高压涡轮6的废气经由该第二废气涡轮增压器5被引导，即，经由第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7。在第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7中，废气在第二废气涡轮增压器5的低压压缩机中被利用的过程中，被进一步膨胀并且提取能量，以便同样地压缩待馈送到内燃机1的气缸中的进气空气。
除了包括两个废气涡轮增压器4和5的废气增压系统2之外，内燃机1还包括废气后处理3，该废气后处理为SCR废气后处理系统。SCR废气后处理3优选地连接在第一压缩机5的高压涡轮6与第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7之间，使得离开第一废气涡轮增压器4的高压涡轮6的废气在其进入第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7的区域之前，可以首先经由SCR废气后处理系统3被引导。
在图1中，废气后处理系统3竖立地布置在内燃机1的上方。可替代地，废气后处理系统3也可以例如水平地布置在内燃机1的上方或旁边。
图1示出了废气供应管路8，来自第一废气涡轮增压器4的高压涡轮6的废气可以经由该废气供应管路8朝着SCR催化转化器9的方向被引导，该SCR催化转化器9被布置在反应室10中。
此外，图1示出了废气排放管路11，其用于朝第二废气涡轮增压器5的低压涡轮7的方向从SCR催化转化器9排放废气。源自低压涡轮7的废气经由特别是管路21流入户外。
引向反应室10并因此引向位于反应室10中的SCR催化转化器9的废气供应管路8和从反应室10引出并因此从SCR催化转化器9引出的废气排放管路11通过旁通管被联接，在该旁通管中集成有关闭元件13。在关闭的关闭元件13的情况下，旁通管12被关闭，使得没有废气可以流过该旁通管。相反，特别是当关闭元件13打开时，废气可流经旁通管12，即流过反应室10，并因此流过位于反应室10中的SCR催化转化器9。图2用箭头14示出了废气通过废气后处理系统3的流动，其中旁通管12经由关闭元件13被关闭，其中从图2可以看出，废气供应管路9通向具有下游端15的反应室10，其中，在废气供应管路8的该端部15的区域中的废气经受约180°的流动偏转，其中在该流动偏转之后的废气经由SCR催化转化器9被引导。
废气后处理系统3的废气供应管路8配设有引入装置16，通过该引入装置可以将还原剂、特别是氨或氨前体物质引入到废气流中，这是为了以限定的方式在SCR催化转化器9的区域中转化废气的氮氧化物所必需的。废气后处理系统3的该引入装置16优选为喷嘴，经由该喷嘴，氨或氨前体物质喷射到废气供应管路8内的废气流中。图2示出了将还原剂以锥体17喷射到废气供应管路8的区域中的废气流中。在废气的流动方向上看，废气后处理系统3的区域位于引入装置16的下游并且在SCR催化转化器9的上游，该区域称为混合区。特别地，废气供应管路8在引入装置16的下游提供混合区18，在该混合区中，废气可以在SCR催化转化器9的上游与还原剂混合。
废气供应管路8以下游端15通向反应室10中。废气供应管路8的该下游端15配设有挡板元件20，该挡板元件可相对于废气供应管路8的下游端15移动。在所示的示例性实施例中，挡板元件20可相对于废气供应管路8的端部15线性移动，该端部15通向反应室10中。挡板元件20可相对于废气供应管路8的下游端15移动，以便在下游端15关闭废气供应管路8或在下游端15打开废气供应管路8。特别地当挡板元件20在下游端15处关闭废气供应管路8时，旁通管12的关闭元件13优选地打开，以便随后将废气完全引导通过SCR催化转化器9或通过容纳SCR催化转化器9的反应室10。特别地当挡板元件20打开废气供应管路8的下游端15时，旁通管12的关闭元件13可以完全关闭或至少部分地打开。
特别地当挡板元件20打开废气供应管路8的下游端15时，挡板元件20相对于废气供应管路8的下游端15的相对位置尤其取决于通过废气供应管路8的废气质量流量和/或取决于废气供应管路8中的废气的废气温度和/或取决于经由引入装置16引入到废气流中的还原剂的量。
在废气供应管路8的下游端15打开的情况下，挡板元件20的另一功能在于，存在于废气流中的液体还原剂的任何液滴都到达挡板元件20，在该挡板元件20处，它们被拦截并雾化，以避免液体还原剂的这样的液滴进入SCR催化转化器9的区域。在下游端15打开的情况下，通过挡板元件20相对于废气供应管路8的下游端15的相对位置，尤其可以确定在废气供应管路8的下游端15的区域中偏转的废气是朝着SCR催化转化器9的位于径向内侧的部分的方向被引导更多还是朝着SCR催化转化器9的位于径向外侧的部分的方向被引导更多。
优选地，挡板元件20在面向废气供应管路8的侧面20a上为弯曲的，优选弯曲的钟形，服从于形成用于废气的导流件。因此，挡板元件20的面向废气供应管路8的下游端15的侧面20a在挡板元件20的径向内部部分上与废气供应管路8的下游端15相距的距离比其在径向外部部分上更短。因此，挡板元件20在侧面20a的中心朝废气供应管路8的下游端15的方向与废气的流动方向相反地被拉入或弯曲。
如已经说明的，废气供应管路8用其下游端15通向容纳SCR催化转化器9的反应室10。根据图2，废气供应管路8穿过SCR催化转化器9的凹部，并且以其下游端15的末端邻近反应室10的上侧23终止，其中，如已经说明的，在下游端15处离开废气供应管路的废气在后续经由SCR催化转化器9流动之前被偏转180°。
SCR催化转化器9包括用于多个蜂窝体25的支撑结构24。在所示的示例性实施例中，蜂窝体25优选地具有矩形的横截面，其中，蜂窝体25也被称为蜂窝。蜂窝体25在运行期间被废气流过，其中，废气在蜂窝体25的第一端面上进入蜂窝体25，并在相对定位的第二端面上离开蜂窝体25。在蜂窝体25的在端面之间延伸的纵向侧上，蜂窝体25被金属外壳包围，该金属外壳26也称为外壳装置。
在图3中详细示出的SCR催化转化器9的支撑结构24包括第一板状支撑体27、第二板状支撑体28和在这些板状支撑体27和28之间延伸的撑杆29，它们共同限定了SCR催化转化器9的蜂窝体25的接收区域30。
SCR催化转化器9的支撑结构24的第一支撑体27包括第一开口31。这些第一开口31具有比被相应的外壳26包围的蜂窝体25大的横截面面积，使得被金属外壳26部分地包围的每个蜂窝体25可经由第一开口31中的一个被引入相应接收区域30中的一个区域中。
支撑结构24的第二支撑体28包括第二开口32，第二开口32的横截面面积小于被外壳包围的蜂窝体25的横截面面积。因此，被相应的外壳26包围的蜂窝体25可经由相应的第一开口31专门地引入到相应蜂窝体25的相应接收区域30中，或者从相应接收区域30中移出，然而不能经由相应的第二开口32移出。
框架状保持装置33用于将插入在接收区域30中的蜂窝体25固定在支撑结构24上，其中，每个框架状保持装置33用于将一个或多个蜂窝体25固定在支撑结构24上。特别地，每个框架状保持装置33用于将多个蜂窝体25共同固定在支撑结构24上。
相应框架状保持装置33经由紧固螺钉或紧固螺栓34连接至支撑结构24的第一支撑体27，其中，相应框架状保持装置33在第一板状支撑体27的区域中覆盖相应蜂窝体25的外壳26。
紧固螺钉34延伸穿过第一弹簧元件35，其中，这些第一弹簧元件35中的每个通过第一端在框架状保持装置33上以及通过相对定位的第二端在相应的紧固螺钉或相应的紧固螺栓34上来支撑自身。当在运行期间，例如在支撑结构24或蜂窝体25的区域中发生由热引起的长度变化时，这些变化可以通过第一弹簧元件35来补偿。
如已经说明的，相应的框架状保持装置33覆盖通过相应的保持装置33固定在支撑结构24上的蜂窝体25或每个蜂窝体25的外壳26，其中，在框架状保持装置33和相应蜂窝体25的外壳26之间，布置有密封元件36。该密封元件36优选为由玻璃纤维材料制成的密封绳。
在支撑结构24的第二支撑体28和蜂窝体25之间，即蜂窝体25的外壳26之间，放置有第二弹簧元件37，该弹簧元件通过第一端在支撑结构24的第二支撑体28上并且通过第二端在相应蜂窝体25的外壳26上来支撑它们自身。这些第二弹簧元件37在框架状保持装置33的方向上将蜂窝体25或它的外壳26压在密封元件36上。由热引起的长度变化也可以通过这些第二弹簧元件37来补偿。
相应地，SCR催化转化器9包括支撑结构24，该支撑结构接收多个蜂窝体25，其中，每个蜂窝体25被金属外壳26部分地包围，即，经受暴露蜂窝体25的端面，废气经由该端面进入或离开相应蜂窝体25。
支撑结构24包括板状的支撑体27和28，其通过撑杆29彼此间隔开并且彼此平行地延伸，并具有其开口31和32。蜂窝体25可以经由第一支撑体27的第一开口31被引入到相应的接收区域30中，并且随后通过框架状保持装置33被固定在支撑结构24上。
在此，框架状保持装置33各自优选地用于固定多个蜂窝体25，其中，相应保持装置33在第一支撑体27的区域中覆盖相应蜂窝体25的外壳26。
在相应的保持装置33和由相应的保持装置33固定的蜂窝体25或每个蜂窝体25之间，优选放置密封元件36。第一弹簧元件35和第二弹簧元件37用于抵消由热引起的长度变化，其中，第一弹簧元件35将其自身支撑在相应的框架状保持装置33上并且支撑在紧固螺钉或紧固螺栓35上，并且其中，第二弹簧元件37将其自身支撑在SCR催化转化器9或支撑结构24或蜂窝体25的一侧上，相对地一方面在蜂窝体25上而另一方面在第二板状支撑体28上定位。
附图编号列表
1 内燃机
2 废气增压系统
3 废气后处理系统
4 废气涡轮增压器
5 废气涡轮增压器
6 高压涡轮
7 低压涡轮
8 废气供应管路
9SCR催化转化器
10反应室
11 废气排放管路
12 旁通管
13 关闭元件
14 废气引导
15 端部
16 引入装置
17 喷射锥体
18 混合区
19 壁
20 挡板元件
21 管路
22侧面
23侧面
24支撑结构
25蜂窝体
26外壳
27支撑体
28支撑体
29 撑杆
30 接收区域
31 开口
32 开口
33保持装置
34紧固螺钉/紧固螺栓
35第一弹簧元件
36密封元件
37第二弹簧元件

Claims (12)

1.一种用于内燃机的废气后处理系统(3)的SCR催化转化器(9)，
其中，所述SCR催化转化器(9)包括用于蜂窝体(25)的支撑结构(24)，废气能流动通过所述蜂窝体，所述蜂窝体被金属外壳(26)部分地包围，
其中，所述支撑结构(24)包括具有第一开口(31)的第一板状支撑体(27)，具有第二开口(32)的第二板状支撑体(28)和在所述第一板状支撑体(27)和第二板状支撑体(28)之间延伸的撑杆(29)，它们一起限定了用于所述蜂窝体(25)的接收区域(30)，
其中，每个蜂窝体(25)包括所述第一板状支撑体(27)的相应第一开口(31)，其横截面面积大于被相应金属外壳(26)包围的所述蜂窝体(25)的横截面面积，所述蜂窝体(25)被引入到相应蜂窝体(25)的相应接收区域(30)中，并且其中，所述第二板状支撑体(28)的相应第二开口(32)的横截面面积小于被所述相应金属外壳(26)包围的所述蜂窝体(25)的横截面面积，使得相应蜂窝体(25)仅能经由相应的第一开口(31)引入相应接收区域(30)中并且从所述接收区域中移出，
其中，用于一个或多个蜂窝体(25)的框架状保持装置(33)连接至所述第一板状支撑体(27)，以便将布置在所述相应接收区域(30)中的蜂窝体(25)固定在所述支撑结构(24)中。
2.根据权利要求1所述的SCR催化转化器，其特征在于，所述框架状保持装置(33)覆盖相应蜂窝体(25)的金属外壳(26)，其中，在所述框架状保持装置与所述相应蜂窝体的金属外壳之间，布置有密封元件(36)。
3.根据权利要求2所述的SCR催化转化器，其特征在于，在所述框架状保持装置(33)与所述蜂窝体(25)的金属外壳(26)之间的相应密封元件(36)为由玻璃纤维材料制成的密封绳。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的SCR催化转化器，其特征在于，相应框架状保持装置(33)经由紧固螺钉或紧固螺栓(34)连接至所述第一板状支撑体(27)，其中，至少一些紧固螺钉或紧固螺栓(34)延伸穿过第一弹簧元件(35)，所述第一弹簧元件(35)通过第一端在所述框架状保持装置(33)上并且通过第二端在相应紧固螺钉或相应紧固螺栓(34)上来支撑自身。
5.根据权利要求4所述的SCR催化转化器，其特征在于，每个紧固螺钉或每个紧固螺栓(34)延伸穿过第一弹簧元件(35)。
6.根据权利要求5所述的SCR催化转化器，其特征在于，在所述第二板状支撑体(28)与被所述金属外壳包围的所述蜂窝体(25)之间，布置有第二弹簧元件(37)。
7.根据权利要求6所述的SCR催化转化器，其特征在于，所述第二弹簧元件(37)通过第一端在所述第二板状支撑体(28)上并且通过第二端在相应蜂窝体(25)的所述金属外壳(26)上支撑自身。
8.一种内燃机的废气后处理系统(3)，
具有被容纳在反应室(10)中的SCR催化转化器(9)，
具有引向所述反应室(10)并因此引向所述SCR催化转化器(9)的废气供应管路(8)和从所述反应室(10)引出并因此从所述SCR催化转化器(9)引出的废气排放管路(11)，具有分配给所述废气供应管路(8)的引入装置(16)，所述引入装置用于将还原剂引入所述废气中，
具有在所述引入装置(16)下游从所述废气供应管路(8)提供的混合区(18)，所述混合区用于在所述反应室(10)或SCR催化转化器(9)上游将所述废气与所述还原剂混合，其特征在于，
所述SCR催化转化器(9)根据权利要求1至7中的任一项形成。
9.根据权利要求8所述的废气后处理系统，其特征在于，所述还原剂是氨或氨前体物质。
10.一种内燃机(1)，所述内燃机具有根据权利要求8所述的废气后处理系统(3)。
11.根据权利要求10所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机包括多级废气增压系统(2)，所述多级废气增压系统具有第一废气涡轮增压器(4)，所述第一废气涡轮增压器包括高压涡轮(6)，以及第二废气涡轮增压器(5)，所述第二废气涡轮增压器包括低压涡轮(7)，其中，所述废气后处理系统(3)连接在所述高压涡轮(6)和所述低压涡轮(7)之间。
12.根据权利要求10所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机用柴油或重质燃油燃料运行。
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