CN207377629U - 船舶废气脱硝尿素自动添加装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种船舶废气脱硝尿素自动添加装置及其方法，包括反应器（10），在反应器（10）的废气进气管道处设置有接入控制器（1）的SCR入口废气流量计（15）、混合器（7）、电加热器（8）、SCR入口氮氧化合物分析仪（13）和SCR入口温度传感器（14），压缩空气（5）通过压缩空气管道与安装在废气进气管道内的喷枪（6）连通，该喷枪（6）位于混合器（7）内。本实用新型的优点是：考虑到船舶柴油机在不同负荷条件下废气温度、废气质量流量、氮氧化物浓度等工况条件的实时变化，以及对氨逃逸造成的二次污染的有效控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种船舶废气脱硝尿素自动添加装置，属于船舶领域。
背景技术
随着船舶工业的发展，船舶废气已逐渐成为全球大气污染的主要污染源之一。随着各国政府对陆用交通工具、火力发电厂等的排放控制日益严格，为进一步控制船舶废气污染物对大气的污染，国际海事组织( IMO )颁布实施了《防止船舶造成大气污染规则》(MARPOL 73/78公约附则VI )，规则第13条规定：2016年1月1日或以后建造的船舶，在ECA(排放控制区)航行，要求氮氧化合物( NOX )排放满足Tier Ⅲ排放标准，并且Tier Ⅲ标准要求的NOx限值排放量小于Tier Ⅱ标准限制排放量的三分之一。以现有技术而言，仅仅依靠柴油机缸内燃烧优化无法满足Tier Ⅲ排放标准，因此必须加装船舶柴油机废气后处理装置。
船舶废气脱硝处理多利用SCR（选择性催化还原）系统对船舶废气中的氮氧化物进行处理，采用尿素溶液作为还原剂，在催化剂作用下与高温烟气发生反应，将废气中的氮氧化物转化为氮气和水。现有其他废气脱硝方法存在尿素用量大，易造成二次污染，控制精度低且不稳定等不足。现有技术多是按照稳定工况条件下计算尿素溶液添加量，不易精确控制废气氮氧化物排放量，且未考虑氨逃逸造成的二次污染。由于柴油机在不同负荷下的废气质量流量、温度、氮氧化物浓度等工况条件变化较大，并且Tier Ⅲ排放标准对废气氮氧化物排放量限制较为严格，如果尿素溶液添加过量，SCR出口氮氧化物浓度会达到Tier Ⅲ排放标准，但同时也会导致SCR出口氨气浓度过高，产生氨逃逸，造成二次污染；如果尿素溶液添加量不足，则氮氧化物排放无法满足Tier Ⅲ标准，这就要求船舶废气脱硝处理装置具有很高的脱硝效率、稳定性及控制精度。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本实用新型提供一种船舶废气脱硝尿素自动添加装置，本实用新型的技术方案是：
一种船舶废气脱硝尿素自动添加装置，包括反应器，在反应器的废气进气管道处设置有接入控制器的SCR入口废气流量计、混合器、电加热器、SCR入口氮氧化合物分析仪和SCR入口温度传感器，压缩空气通过压缩空气管道与安装在废气进气管道内的喷枪连通，该喷枪位于混合器内；在反应器的废气出气管道处设置接入控制器的SCR出口氨逃逸分析仪和SCR出口氮氧化合物分析仪；还包括一尿素溶液箱，该尿素溶液箱与压缩空气通道之间依次安装有尿素溶液流量计和计量泵；该尿素溶液箱上设置有与控制器连接的尿素溶液箱液位传感器和尿素溶液浓度传感器，所述的控制器连接有人机交互界面。
还包括一与计量泵并联设置的备用计量泵。
所述的控制器采用欧姆龙CJ2M系列，控制器的控制方法为模糊PID控制。
本实用新型的优点是：本实用新型的目的在于考虑到船舶柴油机在不同负荷条件下废气温度、废气质量流量、氮氧化物浓度等工况条件的实时变化，以及对氨逃逸造成的二次污染的有效控制。通过实时监测SCR入口废气温度、质量流量、氮氧化物浓度，SCR出口的氮氧化物浓度、NH3浓度等状态信号，实时接收关于柴油机功率、负荷、船舶航速等工况信息，以及尿素溶液浓度等参数，控制器根据上述所得信息计算需要添加的尿素溶液量，并通过计量泵喷射至混合器中充分与高温烟气混合，达到调整反应器中催化还原反应效率的目的。对废气氮氧化物排放浓度进行实时控制以满足Tier Ⅲ排放标准，并可有效控制氨逃逸，避免二次污染。实现了船舶废气脱硝装置提高脱硝效率、提高控制精度、增加稳定性、控制二次污染的目的。
附图说明
图1是本实用新型的主体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本实用新型，本实用新型的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本实用新型的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本实用新型的精神和范围下可以对本实用新型技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本实用新型的保护范围内。
参见图1，本实用新型涉及一种船舶废气脱硝尿素自动添加装置，包括反应器10，在反应器10的废气进气管道处设置有接入控制器1的SCR入口废气流量计15、混合器7、电加热器8、SCR入口氮氧化合物分析仪13和SCR入口温度传感器14，压缩空气5通过压缩空气管道与安装在废气进气管道内的喷枪6连通，该喷枪6位于混合器7内；在反应器10的废气出气管道处设置接入控制器的SCR出口氨逃逸分析仪11和SCR出口氮氧化合物分析仪12；还包括一尿素溶液箱16，该尿素溶液箱16与压缩空气通道之间依次安装有尿素溶液流量计19和计量泵3；该尿素溶液箱16上设置有与控制器连接的尿素溶液箱液位传感器17和尿素溶液浓度传感器18，所述的控制器1连接有人机交互界面2。
还包括一与计量泵并联设置的备用计量泵4。
所述的控制器采用欧姆龙CJ2M系列，控制器的控制方法为模糊PID控制。
本实用新型的工作原理是：
（1）废气经过反应器的废气进气管道进入反应器内，在进入反应器之前经过SCR入口废气流量计15计量，通过混合器7实现废气与尿素溶液的混合,雾化的尿素溶液在废气的高温作用下分解为氨气，经过混合器实现废气与氨气的混合，电加热器8对混合后的废气与尿素溶液进行加热，SCR入口氮氧化合物分析仪13对加热后的废气进行氧氮化合物浓度分析，SCR入口温度传感器14对加热后废气的温度进行监测；
（2）废气经过反应器的废气出气管道后，通过SCR出口氨逃逸分析仪11对氨气浓度进行分析，SCR出口氮氧化物分析仪12对氮氧化合物进行分析；
（3）根据步骤（1）和步骤（2）得出的数据，即SCR入口废气流量计15、SCR入口氮氧化合物分析仪13、SCR入口温度传感器14、SCR出口氨逃逸分析仪11和SCR出口氮氧化物分析仪12得出的数据，反馈给控制器，通过控制器实现对尿素溶液的自动添加。
所述的尿素溶液通过以下方式添加，具体为：尿素溶液箱内溶液通过计量器进入混合器内的喷枪，与压缩空气相混合；计量泵、尿素溶液流量计19以及尿素溶液箱上的尿素溶液箱液位传感器17和尿素溶液浓度传感器18均通过控制器控制，实现尿素溶液的自动添加。
其中，SCR入口氮氧化物分析仪13，SCR入口温度传感器14，SCR入口废气流量计15，尿素溶液浓度传感器18，尿素溶液流量计19通过4-20mA电信号与控制器的模拟量输入单元连接，用于计算尿素溶液添加量。
SCR出口氨逃逸分析仪11，SCR出口氮氧化物分析仪12通过4-20mA电信号与控制器的模拟量输入单元连接，用于计算尿素溶液添加量。
SCR出口氨逃逸分析仪11、SCR出口氮氧化物分析仪12实时监测信号传输至控制器，与Tier Ⅲ标准进行比较得到差值；控制器实时接收来自SCR入口氮氧化物分析仪13、SCR入口温度传感器14、SCR入口废气流量计15、尿素溶液浓度传感器18的监测信号，以及催化剂脱硝效率（反应器中添加有催化剂9）、柴油机功率、负荷、船舶航速等工况信息，并根据历史工况变化，进行相应比例、积分、微分计算，得到尿素溶液添加量，通过模拟量输出单元的4-20mA电信号对计量泵进行定量控制。尿素溶液经压缩空气喷射至混合器中充分雾化，雾化后的尿素溶液在废气高温作用下分解为氨气，氨气与废气(高温烟气)充分混合，在反应器中发生催化还原反应，将废气中的氮氧化物转化为氮气和水，实现船舶废气的脱硝处理。
对SCR入口废气温度进行监测，若废气温度低于催化还原反应的最佳温度，则通过电加热器对废气进行加热，以获得最优的废气脱硝效率；亦可避免废气温度过低造成硫酸氢铵在烟气管道内结晶。
对SCR出口氮氧化物浓度及氨气浓度进行监测，若氮氧化物浓度符合Tier Ⅲ标准要求，并且氨气浓度超限，则控制器经计算后减少尿素溶液添加量，同时可通过电加热器加热废气，增大反应器中催化还原反应效率，减少氨逃逸，以控制氨逃逸造成的污染。
对SCR出口氮氧化物浓度及氨气浓度进行监测，若氮氧化物浓度超出Tier Ⅲ标准要求，并且氨气浓度符合控制要求，则控制器经计算后增加尿素溶液添加量，亦可同时通过电加热器加热废气，增大反应器中催化还原反应效率，以控制废气脱硝效果满足Tier Ⅲ标准要求。
控制器实时接收柴油机功率、负荷、船舶航速等工况信息，本实用新型中考虑到上述工况信息变化对废气氮氧化物排放的波动影响，经过计算获得当前工况下实时尿素添加量，并实时调整。
对SCR出口氮氧化物浓度监测信号设置超限报警值，当SCR出口氮氧化物浓度过高时，控制器发出声光报警；对SCR出口氨逃逸浓度监测信号设置超限报警值，当SCR出口氨逃逸浓度过高时，控制器发出声光报警。
对SCR入口废气温度进行监测，当废气温度过低时，控制器发出声光报警。
对尿素溶液箱液位监测信号设置超限报警值，当尿素溶液液位过高、过低时，控制器发出声光报警。
实施例1：选用柴油机进行试验，其功率为8800KW，转速为100rpm，试验中监测几个功率点时的废气参数，如表1、表2所示：
表1 试验中SCR入口废气监测参数
表2 试验中SCR出口废气监测参数
其中tier Ⅲ排放标准要求，转速n<130rpm时，NOx排放限值为3.4 g/kWh；氨逃逸设计限值为10ppm。由试验数据可见，本实用新型中对船舶废气脱硝尿素溶液自动添加的控制方法及装置满足tier Ⅲ排放标准；也可有效控制SCR出口氨逃逸浓度。
实施例2：选用柴油机进行试验，其功率为2060KW，转速为525rpm，试验中监测几个功率点时的废气参数，如表3、表4所示。
表3 试验中SCR入口废气监测参数
表4 试验中SCR出口废气监测参数
其中tier Ⅲ排放标准要求，当转速130rpm <n< 2000rpm时，NOx排放限值为9*n-0.2g/kWh，n=525时为2.57g/kWh；氨逃逸设计限值为10ppm。由试验数据可见，本实用新型中对船舶废气脱硝尿素溶液自动添加的控制方法及装置满足tier Ⅲ排放标准；也可有效控制SCR出口氨逃逸浓度。
本实施例中，反应器中催化还原反应式为:
废气中含量可根据下式计算得到：
其中，
所添加尿素溶液中含量可根据下式计算得到：
根据催化还原反应式及其效率：
则尿素溶液添加量的理论初值为：
其中，V是指浓度为40%的尿素溶液体积；功率因数表示柴油机实时功率与额定功率的比值，决定了不同功率下废气中的含量比；负荷因子与船舶柴油机负荷及船舶航速有关，影响同功率下废气中的氮氧化物含量；参数θ表示废气中与的比例；脱硝效率表示催化剂脱硝效率；系数0.97表示催化还原反应计量比；热分解率表示尿素经高温分解为氨气的效率；氨逃逸影响因子表示氨逃逸浓度对尿素溶液添加量的影响程度。
Claims (3)
1.一种船舶废气脱硝尿素自动添加装置，其特征在于，包括反应器（10），在反应器（10）的废气进气管道处设置有接入控制器（1）的SCR入口废气流量计（15）、混合器（7）、电加热器（8）、SCR入口氮氧化合物分析仪（13）和SCR入口温度传感器（14），压缩空气（5）通过压缩空气管道与安装在废气进气管道内的喷枪（6）连通，该喷枪（6）位于混合器（7）内；在反应器（10）的废气出气管道处设置接入控制器的SCR出口氨逃逸分析仪（11）和SCR出口氮氧化合物分析仪（12）；还包括一尿素溶液箱（16），该尿素溶液箱（16）与压缩空气通道之间依次安装有尿素溶液流量计（19）和计量泵（3）；该尿素溶液箱（16）上设置有与控制器连接的尿素溶液箱液位传感器（17）和尿素溶液浓度传感器（18），所述的控制器（1）连接有人机交互界面（2）。
2.根据权利要求1所述的船舶废气脱硝尿素自动添加装置，其特征在于，还包括一与计量泵并联设置的备用计量泵（4）。
3.根据权利要求1或2所述的船舶废气脱硝尿素自动添加装置，其特征在于，所述的控制器采用欧姆龙CJ2M系列，控制器的控制方法为模糊PID控制。
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