CN114165315A - 一种船舶柴油机scr系统还原剂蒸发混合系统和供给方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶柴油机SCR系统还原剂蒸发混合系统和供给方法,通过还原剂泵将还原剂储罐内的还原剂输送至计量单元,然后通过喷射单元(包括喷枪和喷嘴)喷射进入柴油机排气集管。同时,SCR还原剂的喷射过程与柴油机运行状态直接相关。还原剂喷射量随柴油机实时的运行状态调整。排气集管内的废气具有温度高、气量大的特点,可以充分使喷射进入的还原剂发生蒸发和热分解,另外由于排气集管体积较大,能够有效延长还原剂在排气集管内的停留时间,从而可以使还原剂与废气发生混合。该发明具有技术路线简单、效率高、设备少、成本低等特点。

Description

一种船舶柴油机SCR系统还原剂蒸发混合系统和供给方法
技术领域
本发明涉及大气环境治理、脱硝技术、环保船舶等领域,尤其涉及一种船舶柴油机SCR系统还原剂蒸发混合系统和供给方法。
背景技术
还原剂蒸发热解混合技术对于SCR系统发挥氮氧化物(NOx)净化性能具有关键作用。尤其是在船用SCR领域,由于船舶柴油机废气温度通常较低,不能够使还原剂发生充分热解,进而使SCR系统净化效率下降,同时容易在SCR系统内以及柴油机排气烟管内产生结晶堵塞的风险。
目前在船用SCR领域较为常用的还原剂蒸发热解混合技术,主要有以下两类:
1)在废气排温合适的前提下,使用一段蒸发混合管(Vaporizer/Mixer),在该蒸发混合管内将还原剂进行充分蒸发热解和混合,但该技术使用的蒸发混合管通常距离长(2-6m),占用空间大,且成本较高;
2)采用补燃器(Burner)+喷氨格栅(AIG)技术,利用补燃器提供高温废气先将还原剂蒸发热解,然后通过喷氨格栅与废气进行混合,该技术设备多、工艺复杂,且初期投入成本和运营成本都较高。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种船舶柴油机SCR系统还原剂蒸发混合系统和供给方法,其能解决上述问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现:
一种新型的船舶柴油机SCR系统还原剂蒸发混合系统,系统包括依次可控连接的还原剂储罐、还原剂泵、计量单元、和喷射单元,所述喷射单元的喷嘴连接至船用柴油机排气集管上,系统还包括控制单元和监测单元,所述还原剂储罐、还原剂泵和计量单元能提供不同浓度和流量的还原剂,其中,所述还原剂储罐包括尿素罐和氨水罐,所述监测单元用于识别SCR系统类别并实时检测柴油机负荷、还原剂类型、喷射单元处的还原剂浓度和流量,所述控制单元根据监测单元的信息调控还原剂储罐的接入类型选择和还原剂泵流量。
优选的,所述SCR系统类别包括低压SCR系统和高压SCR系统。
优选的,所述还原剂浓度的调控节点为包含25%、50%和100%在内的柴油机全负荷
优选的,尿素罐、还原剂泵、计量单元的尿素流路提供的尿素浓度为10-50wt%喷射流量为10L/h-1500L/h;氨水罐、还原剂泵、计量单元的尿素流路提供的氨水浓度为10-60wt%,喷射流量为10L/h-2000L/h。
还提供了一种根据前述系统的还原剂供给方法,方法包括:
监测单元识别SCR系统类别并实时检测柴油机负荷,并将监测参数传送给控制单元;
控制单元根据船舶SCR处理性能和排放要求选择还原剂储罐接入流路、还原剂浓度、还原剂供给流量;同时监测单元监测并反馈SCR的NOx转化率和排放量,控制单元实时调整还原剂浓度和供给流量。
具体的:根据从柴油机采集的负荷,转速,排气正时等参数标定出控制单元在柴油机不同负荷下喷射量的MAP图,使还原剂蒸发混合及供给系统能够在柴油机任何工况下按照预设的流量进行喷射;
根据从柴油机采集的进出口温度和压力等参数判断出还原剂蒸发混合及供给系统的喷射时机;
通过控制单元的PID调节,以及在PID调节的基础上加入NOx排放量的信号输入,进行负反馈调节和校正计算,以达到最好的喷射效率和效果。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
1)结合船舶柴油机自身特点,通过将还原剂喷射进入柴油机排气集管内,利用排气集管内的大流量高温废气作为热源,使喷射进入的还原剂充分蒸发和热解,同时利用排气集管体积大的特点,使蒸发热解后的还原剂能够与废气充分混合。
2)完成充分蒸发、热解和混合后的还原剂进入发动机增压器,经增压器高速扰动作用,还原剂进一步与废气发生充分混合。充分混合后的废气再流入下游的SCR反应器进行脱硝反应
3)与已有的船用SCR系统还原剂蒸发热解混合技术相比,该发明具有工艺路线简单、初期投入成本和运行成本低等特点。
附图说明
图1为本发明船舶柴油机SCR系统还原剂蒸发混合系统的示意图;
图2为双还原剂系统示意图。
图3为控制监测单元的内部结构示意图
图4为控制监测单元的控制示意图
具体实施方式
为使本发明测试例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明测试例中的附图,对本发明测试例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的测试例是本发明的一部分测试例,而不是全部的测试例。基于本发明中的测试例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他测试例,都属于本发明保护的范围。
一种新型的船舶柴油机SCR系统还原剂蒸发混合系统,参见图1和图2,系统包括依次可控连接的还原剂储罐1、还原剂泵2、计量单元3和喷射单元4,所述喷射单元4的喷嘴连接至船用柴油机排气集5管上,系统还包括控制单元6和监测单元7,所述还原剂储罐、还原剂泵和计量单元能提供不同浓度和流量的还原剂,其中,所述还原剂储罐包括尿素罐和氨水罐中的一种或多种,所述监测单元用于识别SCR系统类别并实时检测柴油机负荷、还原剂类型、喷射单元处的还原剂浓度和流量,所述控制单元根据监测单元的信息调控还原剂储罐的接入类型选择和还原剂泵流量。根据上述系统和供给方法,提供了不同测试例如下。
将该新型船舶柴油机SCR系统还原剂蒸发热解混合技术应用6S50 ME-C船用低速柴油机高压SCR(HP-SCR)系统,并与传统的安装蒸发混合管技术作对比。柴油机在25%负荷时,使用40wt%尿素作为还原剂,以60L/h流量进行喷射。对比发现,使用新型还原剂蒸发热解混合技术,检测到SCR反应器进口NH3浓度为1125ppm,尿素蒸发热解效率为99.4%;而使用传统的安装蒸发混合管技术,检测到SCR反应器进口NH3浓度为1112ppm,尿素蒸发热解效率为98.2%。
所述的控制监测单元的内部结构如下:
(1)监测控制单元的主要元件构成有:集成通讯接口的可编程控制器1,近地人机界面2,远程人机界面3,RS485接口4,I/O接口(信号输入输出接口)5,NOx传感器6。
(2)集成通讯接口的可编程控制器与I/O接口连接,具体为DI,DO,AI,AO接口,其中AI,AO接口由AD转换电路与可编程控制器连接,IO接口外部与还原剂蒸发混合及供给系统和柴油机排气集管上的传感器及执行器连接。
(3)集成通讯接口的可编程控制器与带以太网接口的NOx传感器连接,NOx传感器内部集成以太网接口,支持TCP/IP协议,与可编程控制器进行数据通讯。
(4)集成通讯接口的可编程控制器与近地和远程人机界面连接,可在不同的位置进行人机对话操作和监测。
(5)集成通讯接口的可编程控制器与RS485模块连接,可以通过其与第三方设备进行数据通信。
综上所述,本发明通过还原剂泵将还原剂储罐内的还原剂输送至计量单元,然后通过喷射单元(包括喷枪和喷嘴)喷射进入柴油机排气集管。排气集管内的废气具有温度高、气量大的特点,可以充分使喷射进入的还原剂发生蒸发和热分解,另外由于排气集管体积较大,能够有效延长还原剂在排气集管内的停留时间,从而可以使还原剂与废气发生混合。该发明具有技术路线简单、效率高、设备少、成本低等特点。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种船舶柴油机SCR系统还原剂蒸发混合系统,系统包括依次可控连接的还原剂储罐、还原剂泵、计量单元和喷射单元,所述喷射单元的喷嘴连接至船用柴油机排气集管上,其特征在于:还包括控制单元和监测单元,所述还原剂储罐、还原剂泵和计量单元能提供不同浓度和流量的还原剂,所述监测单元用于识别SCR系统类别并实时监测柴油机负荷、柴油机还原剂类型、喷射单元处的还原剂浓度和流量,所述控制单元根据监测单元的信息调控还原剂储罐的接入类型选择和还原剂泵流量,使喷射后的还原剂在排气集管内发生蒸发和分解。充分分解后的还原剂经发动机增压器作用,与废气发生充分混合。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述还原剂浓度的调控范围覆盖柴油机全负荷的25%、50%或100%。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述还原剂储罐包括尿素罐和/或氨水罐。
4.根据权利要求3所述的系统,其特征在于:所述的尿素罐、还原剂泵、计量单元的还原剂流路提供的尿素浓度为10-50wt%,喷射流量为10L/h-1500L/h;氨水罐、还原剂泵、计量单元的还原剂流路提供的氨水浓度为10-60wt%,喷射流量为10L/h-2000L/h。
5.根据权利要求1-4任一所述的系统,其特征在于,所述的控制单元和监测单元包括集成通讯接口的可编程控制器(1)、近地人机界面(2)、远程人机界面(3)、RS485接口(4)、I/O接口(5)和带以太网接口的Nox传感器(6);
所述的集成通讯接口的可编程控制器与I/O接口(5)连接,具体为DI,DO,AI,AO接口,其中AI,AO接口由AD转换电路与可编程控制器连接,IO接口外部与还原剂蒸发混合及供给系统和柴油机排气集管上的传感器及执行器连接;
所述的集成通讯接口的可编程控制器与带以NOx传感器连接,NOx传感器内部集成以太网接口,支持TCP/IP协议,与可编程控制器进行数据通讯;
所述的集成通讯接口的可编程控制器与近地和远程人机界面连接,在不同的位置进行人机对话操作和监测;
所述的集成通讯接口的可编程控制器与RS485接口连接,用于与第三方设备进行数据通信。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的系统的还原剂供给方法,其特征在于,该方法包括:
监测单元识别SCR系统类别并实时检测柴油机负荷,并将监测参数传送给控制单元;
控制单元根据船舶SCR处理性能和排放要求选择还原剂储罐接入流路、还原剂浓度、还原剂供给流量;同时监测单元监测并反馈SCR的NOx转化率和排放量,控制单元实时调整还原剂浓度和供给流量。
7.根据权利要求6所述的还原剂供给方法,其特征在于,
根据从柴油机采集的负荷,转速,排气正时等参数标定出控制单元在柴油机不同负荷下喷射量的MAP图,使还原剂蒸发混合及供给系统能够在柴油机任何工况下按照预设的流量进行喷射;
根据从柴油机采集的进出口温度和压力等参数判断出还原剂蒸发混合及供给系统的喷射时机;
通过控制单元的PID调节,以及在PID调节的基础上加入NOx排放量的信号输入,进行负反馈调节和校正计算,以达到最好的喷射效率和效果。
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