CN113828152A - 一种用于船用低硫燃油的低温scr装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于船用低硫燃油的低温SCR装置及方法，该装置的催化氧化反应器进口与船机排放口进行连接，催化氧化反应器出口与尿素溶液喷射混合段进口相连接，尿素溶液喷射混合段出口与SCR反应器进口相连接；尾气先经催化氧化反应器预处理，后在混合段内与尿素溶液混合均匀，最后进入SCR反应器脱除；采集分析模块采集尾气入口段、催化氧化反应器出口段、SCR反应器出口段的相关气体数据，并将各数据传输至控制模块；控制模块对来自尾气入口段、催化氧化反应器出口段、SCR反应器出口段的相关气体数据进行处理，并实时反馈输出相关控制信号，从而实现催化氧化反应器、尿素溶液喷射混合段、SCR反应器中执行机构对控制命令的执行。
Description
技术领域
本发明涉及一种船用低硫燃油的低温SCR装置及方法，属于船舶尾气排放控制领域。
背景技术
船舶的排放尾气已成为沿海区域的主要大气污染源。根据上海市环境监测中心2014年的研究，船舶排放的NOx就占据了上海市排放的11.6％。虽然目前主机已实现TierⅡ等级排放，但距离新实行的TierⅢ等级排放仍具有一定差距。目前船舶排放为满足TierⅢ等级，多采取IMO推荐的选择性催化还原技术(SCR)，并配合低硫燃油，以减少硫氧化物对SCR技术的影响。SCR技术在船舶的应用，采用成熟的NH3-SCR模式，多使用W/Mo修饰的V2O5/TiO2催化剂，直接喷射40％的尿素水溶液，以此产生还原剂NH3，从而将NOx还原成N2和H2O。
但目前V2O5/TiO2体系为中高温活性催化剂，对1:0的NO：NO2与0：1的NO:NO2反应气，可实现300～500℃高效脱除，而1:1的NO:NO2的反应气可实现200℃左右较高的脱硝活性(因此该反应又称为快速SCR反应)。而实际船舶尾气中NO:NO2≈9:1，因此在300℃以上才能保证较高反应活性，导致实船烟气的NH3-SCR反应中，低温脱硝活性较差。而船舶SCR反应器内反应温度，主要依赖烟气温度(排气温度)。而船机的功率波动较广，导致排气温度难以保证SCR反应的中高温运行，使得NH3-SCR无法最佳工况运行，造成达标排放困难。目前，船用NH3-SCR的V2O5/TiO2催化剂的高效活性区间位于中高温，低温脱硝反应活性差。为了维持催化剂的较高催化活性温度，则需要消耗大量高品位热能，经济性差。而快速SCR需要调整反应尾气中NO与NO2比例，并保证NO2不超过NO，否则过量NO2又会剧烈影响脱硝反应。
发明内容
本发明的目的是为了改进船舶低硫燃油的NOx控制中，NH3-SCR低温脱硝活性差的技术问题，而提供一种用于船用低硫燃油的低温SCR装置及方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于船用低硫燃油的低温SCR装置，包括：催化氧化反应器、尿素溶液喷射混合段、SCR反应器、采集分析模块、控制模块，所述催化氧化反应器的进口与船机排放口进行连接，尾气进入催化氧化反应器内，催化氧化反应器的出口与尿素溶液喷射混合段的进口相连接，尿素溶液喷射混合段的出口与SCR反应器进口相连接；所述采集分析模块分别采集尾气入口段、催化氧化反应器出口段、SCR反应器出口段的相关气体数据，并将各尾气数据传输至控制模块；所述控制模块对来自尾气入口段、催化氧化反应器出口段、SCR反应器出口段的相关气体数据进行处理，并实时输出相关控制信号，从而实现催化氧化反应器、尿素溶液喷射混合段、SCR反应器中执行机构对控制命令的执行。
进一步，所述催化氧化反应器包含催化氧化单元、旁通调节装置及可控变流量调节装置；其中，所述可控变流量调节装置位于催化氧化单元前置位，能控制烟气中的氧化反应；所述旁通调节阀用于旁通路径控制，两阀共同作用实现出口尾气中的NO2:NO比例调节控制，使NO2：NO接近1:1，且NO2不超过NO。
进一步，所述尿素溶液喷射混合段由尿素溶液单元、尿素喷射装置、喷射控制单元、混合装置组成，其中，所述尿素喷射装置位于混合装置前段，喷射方向与尾气流动方向一致，与管段平行。
进一步，所述混合装置，用于将尾气与尿素溶液颗粒混合，以保证尿素水解的还原剂与烟气混合均匀。
进一步，所述尿素溶液单元的出口流量接口接至采集分析模块，实时传输喷嘴流量及压力情况，并经由控制模块判断其堵塞严重程度问题。
进一步，所述尿素喷射装置具有多组耐腐蚀的喷射出口，且喷射出口结构为易更换、维修的喷射出口结构，避免尿素分解堵塞出口。
进一步，所述SCR反应器由选择性催化还原催化剂、旁通阀、辅助加热模块组成，其中，选择性催化还原催化剂为具有抗硫、碱金属、碱土金属中毒能力的催化剂。
进一步，所述采集分析模块包括尾气入口采集模块、催化氧化反应器出口采集模块、SCR反应器口出采集模块，以及数据采集存储装置，每一采集点配置多组探头；所述尾气入口采集模块由流量传感器、NO传感器、NO2传感器组成；所述催化氧化反应器出口采集模块由流量传感器、NO传感器、NO2传感器、温度传感器、压力传感器组成；所述SCR反应器出口采集模块由流量传感器、NO传感器、NO2传感器、温度传感器、NH3传感器、压力传感器组成。
进一步，所述控制模块，具有深度学习功能，能实现对采集分析模块中的多组信号进行分析判断，并执行相关操作，并能提前示警，预估使用寿命；具备手动切换控制模块，并能根据各传感器进行判断催化氧化反应器、尿素溶液喷射混合段、SCR反应器间的目前健康状态。
一种船用低硫燃油的低温脱硝方法，采用用于船用低硫燃油的低温SCR装置，对于氮氧化物控制区域排放：船机尾气进入催化氧化反应器内，首先完成尾气中NO部分氧化，后与尿素水解热解产生的NH3充分混合，最后进入SCR反应器内，进行脱硝反应，通过采集分析模块，实时监测催化氧化反应器入口与出口相关参数变化，从而精确调节氧化段出口的NO2:NO比例。将催化氧化反应器的出口气体参数：流量、NO、NO2、温度作为尿素喷射量的控制参数，将SCR反应器出口气体参数：流量、NO、NO2与NH3作为反馈调节参数，调整尿素喷射量，实现对催化还原过程的还原剂精确控制；对于非氮氧化物控制区域，实现手动切换，直接排放TierⅡ等级的烟气。
与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
1.本发明提出一种适用于船用低硫燃油的低温SCR装置及方法，旨在提高尾气处理的实用性；
2.该装置反应温度更低(200℃上下)，利用快速SCR反应提高低温脱硝效率，降低运营成本；
3.仅通过控制NO2在烟气中的含量比例，即可以提高低温、中低温的效率，可实现性强；
4.航行至非氮氧化物控制区域，可实现手动切换，直接排放TierII等级主机的烟气；
5.多传感器数据，协同深度学习控制模块，可实现装置安全预警使用，实现船舶健康管理，同时该数据可作为监管依据，避免使用方，在氮氧化物排放区，为节约成本，不使用SCR装置。
附图说明
图1是本发明的用于船用低硫燃油的低温SCR装置及控制示意图；
附图标记：催化氧化反应器1、尿素溶液喷射混合段2、SCR反应器3、采集分析模块4、控制模块5。催化氧化反应器1包含氧化气路变流量调节装置1-1、旁通气路变流量调节装置1-2、催化氧化单元1-3；尿素溶液喷射混合段2包含尿素喷射装置2-1、尿素溶液单元2-2；SCR反应器3包含SCR气路调节装置3-1、旁通气路调节装置3-2、SCR催化剂3-3、辅助加热模块3-4；采集分析模块4包含尾气入口采集模块4-1、催化氧化反应器出口采集模块4-2、SCR反应器出口采集模块4-3、数据采集存储装置4-4。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于理解，以下实施例结合附图对本发明实施例的技术方案进行具体阐述。应理解，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的范围。
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提供一种船用低硫燃油的低温SCR装置，如图1所示，其由以下5部分组成：催化氧化反应器1、尿素溶液喷射混合段2、SCR反应器3、采集分析模块4、控制模块5。催化氧化反应器1的进口与船机排放口进行连接，尾气进入催化氧化反应器内，催化氧化反应器1的出口与尿素溶液喷射混合段2的进口相连接，尿素溶液喷射混合段的出口与SCR反应器3进口相连接。
其中催化氧化反应器1主要由氧化气路变流量调节装置1-1、旁通气路调节装置1-2、催化氧化单元1-3组成。通过氧化气路变流量调节装置1-1与旁通气路变流量调节装置1-2的调节，实现出口的NO2:NO比例。
尿素溶液喷射混合段2主要由尿素喷射装置2-1、尿素溶液单元2-2组成，尿素喷射装置2-1具有多组喷射出口，并具有较好的抗腐蚀功能。喷射出口为避免尿素分解堵塞出口，应具有易更换、维修特点。尿素溶液单元2-2出口流量接口接至采集分析模块4，实时传输流量压力情况，并经由分析控制模块5判断堵塞严重程度问题。
SCR反应器3主要由SCR气路调节装置3-1、旁通气路调节装置3-2、SCR催化剂3-3、辅助加热模块3-4组成。其中SCR催化剂3-3应具有较好的抗硫、抗碱能力，可选用W或Mo修饰后的V2O5/TiO2。
采集分析模块4主要有尾气入口采集模块4-1、催化氧化反应器1出口采集模块4-2、SCR反应器3出口采集模块4-3，以及数据采集存储装置4-4，每一采集点配置多组探头。尾气入口采集模块4-1主要包含流量传感器、NO传感器、NO2传感器；催化氧化反应器1出口采集模块4-2主要由流量传感器、NO传感器、NO2传感器、温度传感器、压力传感器组成；SCR反应器3出口采集模块4-3主要包含流量传感器、NO传感器、NO2传感器、温度传感器、NH3传感器、压力传感器。
控制模块5，具有深度学习等功能，可以实现对采集分析模块4中的多组信号进行分析判断，实现执行相关操作、设备运行监测报警及预估使用寿命等功能；具备手动切换控制模块，根据各传感器进行判断各装置间的目前健康。
本发明提供一种船用低硫燃油的低温SCR方法。
在氮氧化物控制区域：
烟气首先进入催化氧化反应器1内，控制模块5分析来自尾气入口采集模块4-1与催化氧化反应器1出口采集模块4-2的流量、NO及NO2参数，输出调节信号至氧化气路变流量调节装置1-1与旁通气路变流量调节装置1-2，调节两装置开度，以控制催化氧化反应器1的出口尾气NO：NO2比例的接近1:1(其中NO2不得超过NO)。
尿素溶液单元2-2的执行尿素水溶液喷射用量命令，执行信号来自于控制模块5。控制模块5分析催化氧化反应器1出口采集模块4-2的流量、NO及NO2信号与SCR反应器3出口采集模块4-3的NH3、NO及NO2信号，实现调节运行中尿素用量。
控制模块5分析催化氧化反应器1出口采集模块4-2采集的温度信号与SCR反应器3出口采集模块4-3的温度信号，判断辅助加热模块3-4的加热量，以维持1:1的NO：NO2的在200℃高效反应要求。运行时，保持SCR气路调节装置3-1开启，旁通气路调节装置3-2关闭，在SCR催化剂3-3作用下进行脱硝反应。
在非氮氧化物控制区域：
控制模块5设置非氮氧化物控制切换，通过关闭变流量调节装置1-1，全开旁通气路调节装置1-2，关闭尿素溶液单元2-2，开启旁通气路调节装置3-2、关闭SCR气路调节装置3-1，实现直接排放船舶TierⅡ主机尾气，节省运行成本。
并可借助相关传感器，对SCR装置进行健康管理：
(1)喷嘴堵塞检查：尿素喷射装置2-1的实际喷射量及压力传输至采集分析模块4，可作为尿素溶液喷射混合段的健康判断依据。混合均匀后的尾气，再进入SCR反应器。
(2)SCR催化剂堵塞检查：保持旁通气路调节装置3-2关闭，监测催化氧化反应器1出口与SCR反应器3出口压力差值。在达到一定压差后，通过辅助加热模块3-4对SCR催化剂3-3进行ABS再生，降低SOx对催化剂的影响。
Claims (10)
1.一种用于船用低硫燃油的低温SCR装置，其特征在于：包括：催化氧化反应器、尿素溶液喷射混合段、SCR反应器、采集分析模块、控制模块，所述催化氧化反应器的进口与船机排放口进行连接，尾气进入催化氧化反应器内，催化氧化反应器的出口与尿素溶液喷射混合段的进口相连接，尿素溶液喷射混合段的出口与SCR反应进口相连接；所述采集分析模块分别采集尾气入口段、催化氧化反应器出口段、SCR反应器出口段的相关气体数据，并将各尾气数据传输至控制模块；所述控制模块对来自尾气入口段、催化氧化反应器出口段、SCR反应器出口段的相关气体数据进行处理，并实时反馈输出相关控制信号，从而实现催化氧化反应器、尿素溶液喷射混合段、SCR反应器中执行机构对控制命令的执行。
2.根据权利要求1所述的用于船用低硫燃油的低温SCR装置，其特征在于：所述催化氧化反应器包含催化氧化单元、旁通调节装置及可控变流量调节装置；其中，所述可控变流量调节装置位于催化氧化催化剂前置位，能控制烟气中的氧化反应；所述旁通调节阀用于旁通路径控制，两阀共同作用实现出口尾气中的NO2:NO比例调节控制，使NO2：NO接近1:1，且NO2不超过NO。
3.根据权利要求1所述的用于船用低硫燃油的低温SCR装置，其特征在于：所述尿素溶液喷射混合段由尿素溶液单元、尿素喷射装置、喷射控制单元、混合装置组成，其中，所述尿素喷射装置位于混合装置前段，喷射方向与尾气流动方向一致，与管段平行。
4.根据权利要求3所述的用于船用低硫燃油的低温SCR装置，其特征在于：所述混合装置，用于将尾气与尿素颗粒混合，以保证尿素水解的还原剂与烟气混合均匀。
5.根据权利要求3所述的用于船用低硫燃油的低温SCR装置，其特征在于：所述尿素溶液单元的出口流量接口接至采集分析模块，实时传输流量压力情况，并经由控制模块判断堵塞严重程度问题。
6.根据权利要求3所述的用于船用低硫燃油的低温SCR装置，其特征在于：所述尿素喷射装置具有多组耐腐蚀的喷射出口，且喷射出口结构为易更换、维修的喷射出口结构，避免尿素分解堵塞出口。
7.根据权利要求1所述的用于船用低硫燃油的低温SCR装置，其特征在于：所述SCR反应器由选择性催化还原催化剂、旁通阀、辅助加热模块组成，其中，选择性催化还原催化剂为具有抗硫、碱金属、碱土金属中毒能力的催化剂。
8.根据权利要求1所述的用于船用低硫燃油的低温SCR装置，其特征在于：所述采集分析模块包括尾气入口采集模块、催化氧化反应器出口采集模块、SCR反应器口采集模块，以及数据采集存储装置，每一采集点配置多组探头；所述尾气入口采集模块由流量传感器、NO传感器、NO2传感器组成；所述催化氧化反应器出口采集模块由流量传感器、NO传感器、NO2传感器、温度传感器、压力传感器组成；所述SCR反应器出口采集模块由流量传感器、NO传感器、NO2传感器、温度传感器、NH3传感器、压力传感器组成。
9.根据权利要求1所述的用于船用低硫燃油的低温SCR装置，其特征在于：所述控制模块，具有深度学习功能，能实现对采集分析模块中的多组信号进行分析判断，并执行相关操作，并能提前示警，预估使用寿命；具备手动切换控制模块，并能根据各传感器进行判断催化氧化反应器、尿素溶液喷射混合段、SCR反应器间的目前健康状态。
10.一种船用低硫燃油的低温脱硝方法，其特征在于：采用权利要求1-9任一所述的用于船用低硫燃油的低温SCR装置，对于氮氧化物控制区域排放：船机尾气进入催化氧化反应器内，首先完成尾气中NO的氧化反应，后与尿素水解热解产生的NH3充分混合，最后进入SCR反应器与催化还原催化剂进行反应，脱除氮氧化物，通过采集分析模块，实时监测催化氧化反应器入口与出口相关参数变化，从而精确调节氧化段出口的NO2:NO比例，将催化氧化反应器的出口气体参数：流量、NO、NO2、温度作为尿素喷射量的控制参数，并将SCR反应器出口气体参数：流量、NO、NO2与NH3作为反馈调节参数，调整尿素喷射量，实现对催化还原过程的还原剂精确控制；对于非氮氧化物控制区域，实现手动切换，直接排放TierII等级的烟气。
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