一种新型柴油机尾气低压选择性催化还原脱硝系统
阅读说明：本技术 一种新型柴油机尾气低压选择性催化还原脱硝系统 (Novel diesel engine tail gas low pressure selective catalytic reduction denitration system ) 是由 郭江峰 杨新伟 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种船用柴油机尾气处理系统,包括脱硝反应单元、旁通单元、还原剂供给单元以及还原剂计量喷射单元,旁通单元用于控制脱硝反应单元的接入反应量；还原剂计量喷射单元集成设置在柴油机的排气集管上,且还原剂计量喷射单元的多个喷嘴轴向间隔渐变或等间隔的布置在排气集管上；还原剂计量喷射单元在控制器的控制下将还原剂供给单元提供的还原剂流量和压力可调的向排气集管计量喷射；脱硝反应单元设置在增压器的上游或下游并与来自排气集管的还原剂反应处理尾气,增压器的增压轮侧与进气管和柴油机的扫气集管连接提供增压气体。本系统具有净化效率高、结构紧凑、占地面积小、成本低等优点。(The invention discloses a tail gas treatment system of a marine diesel engine, which comprises a denitration reaction unit, a bypass unit, a reducing agent supply unit and a reducing agent metering and spraying unit, wherein the bypass unit is used for controlling the access reaction amount of the denitration reaction unit; the reducing agent metering and injecting unit is integrally arranged on an exhaust manifold of the diesel engine, and a plurality of nozzles of the reducing agent metering and injecting unit are arranged on the exhaust manifold in a gradual change or equal interval mode in the axial direction; the reducing agent metering and injecting unit is used for metering and injecting the reducing agent provided by the reducing agent supply unit to the exhaust manifold in an adjustable flow and pressure manner under the control of the controller; the denitration reaction unit is arranged at the upstream or the downstream of the supercharger and reacts with the reducing agent from the exhaust manifold to treat the tail gas, and the side of the supercharger, which is connected with the air inlet pipe and the scavenging manifold of the diesel engine, provides the supercharging gas. The system has the advantages of high purification efficiency, compact structure, small occupied area, low cost and the like.)
技术领域
本发明涉及船舶发动机尾气处理技术，尤其涉及一种新型柴油机尾气低压选择性催化还原脱硝系统。
背景技术
船舶柴油机废气中的氮氧化合物(NOx)是大气污染物的重要组成之一，对于人类和动物的健康都具有较为直接的伤害。随着IMO Tier III阶段法规的开始实施以及逐渐扩大的排放物管控区(ECA)，研究和开发适用船机尾气净化的环保工艺将日益迫切。选择性催化还原脱除NOx(SCR)是目前广泛被认可的有效脱除NOx方法之一，近些年来在火力发电、汽车、船舶等行业中都发挥了关键作用。
在船舶领域，高低压(对应增压器前后接入反应系统)SCR系统由于具有柴油机改动小、系统布置简单等特点，被广泛认为是未来最具有广泛应用前景的船用SCR之一。然而，由于柴油机废气经过增压器做功后，废气排温明显降低(220-280℃)，其给SCR系统发挥脱硝性能带来巨大的挑战。其中的难点主要在于还原剂不能充分的发生分解，例如尿素溶液通常需要280℃以上才可以热分解生成反应所需的氨气(NH3)，当尾气温度不足以支持其发生充分的热分解时，将会有大量的结晶物产生在反应器的进口处，从而导致SCR系统失去净化性能。为解决该问题，国际上曼恩、斗山、现代等船用柴油机厂家研发出多种方法，例如韩国斗山开发出利用补燃器加热废气的方式来促进尿素发生热分解(CN107667210A)；韩国现代开发出从增压器前引出部分高温废气的方法来促进尿素热分解(CN107787397B)。但这些方法都具有明显的缺点，例如利用补燃器加热的方式会带来额外的能源消耗，同时系统复杂，成本较高；利用增压器前高温废气引流的方法会导致SCR系统控制难度增加，且尿素分解效果不明显。
此外，将SCR反应器安装于船舶柴油机增压器前端，由于增压器前端的废气未发生做功，其温度通常较高(280-500℃)，足够使还原剂发生热分解，同时该温度也是脱硝催化剂发挥其催化性能的最佳温度区间，因此增压前高压选择性催化还原系统(HP-SCR)目前已经广泛应用于船舶柴油机尾气净化中。然而，其缺点也较为明显，系统内通常需要在反应器前布置一根较长的还原剂蒸发混合管，以保证还原剂得到充分分解并与烟气充分混合，从而在经过反应器时可以获得较好的净化效果。但这给系统布置带来一定的困难，会导致系统整体占用面积较大，且系统成本较高。
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用柴油机尾气处理系统，其能解决上述问题。
设计原理：本方案结合船舶柴油机结构及尾气排放特征，将还原剂喷射单元集成于柴油机增压器前排气集管上，由于排气集管中的废气温度较高(280-500℃)，因此可以充分利用柴油机尾气余热用于还原剂热分解，同时实现还原剂与柴油机废气充分混合。
本发明的目的采用以下技术方案实现。
一种船用柴油机尾气处理系统，处理系统包括脱硝反应单元、旁通单元、还原剂供给单元以及还原剂计量喷射单元，其中，所述旁通单元用于控制脱销反应单元的接入反应量；所述还原剂计量喷射单元集成的设置在柴油机的排气集管上，且还原剂计量喷射单元的多个喷嘴轴向间隔渐变或等间隔的布置在排气集管上；所述还原剂供给单元在控制器的控制下浓度可调的向还原剂计量喷射单元供给还原剂，所述还原剂计量喷射单元在控制器的控制下将还原剂供给单元提供的还原剂流量和压力可调的向所述排气集管计量喷射；所述脱硝反应单元设置在增压器的上游或下游并与来自排气集管的还原剂反应处理尾气，增压器的增压轮侧与进气管和柴油机的扫气集管连接提供增压气体。
优选的，所述还原剂供给单元包括还原剂箱和还原剂泵，所述还原剂计量喷射单元包括计量器和喷射阀，所述还原剂箱、还原剂泵、计量器和喷射阀依次连接，喷射阀的尾端连接多个所述喷嘴以向排气集管非均布的喷射还原剂。
优选的，所述还原剂箱内的还原剂为尿素溶液、氨水中的一种或组合。
优选的，所述脱硝反应单元包括脱硝反应器、进气阀和出气阀，所述进气阀、脱硝反应器、和出气阀依次设置在从增压器或排气集管下游的排气管上。
优选的，当所述脱硝反应单元连接至所述增压器的增压排气支管上时，所述旁通单元包括旁通阀和旁通管，所述旁通管从所述进气阀上游与所述脱硝反应器下游之间旁通并联设置，所述旁通阀设置在所述旁通管上，通过控制器控制旁通阀的接入。
优选的，当所述脱硝反应单元连接至所述排气集管下游的直排支管上时，所述旁通单元包括旁通阀和旁通管，所述旁通管的两端与所述增压器的涡轮两端并联连接，所述旁通阀设置在所述旁通管上；在排气集管与增压器涡轮之间的增压排气支管上设置增压排气阀，脱硝反应单元的管路末端连接至所述增压排气阀与旁通管之间的管路上；在所述出气阀与扫气集管之间通过一个反应直排阀及管路可控的连接；通过控制器控制旁通阀、进气阀、出气阀、增压排气阀、和反应直排阀的接入及开度大小。
优选的，还原剂计量喷射单元末端的多个喷嘴从所述排气集管的上游至下游的间隔依次变大。
优选的，所述系统适用于船用低速、中速、高速柴油机主机以及柴油机发电机组，柴油机功率覆盖200kW～80000kW。
优选的，所述船用柴油机适用油品包括但不限于轻油、船用燃油、或重油。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：该系统具有净化效率高、结构紧凑、占地面积小、成本低等优点。
附图说明
图1为船用柴油机尾气处理系统一个实施例的示意图；
图2为船用柴油机尾气处理系统第二实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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实施例，都属于本发明保护的范围。
船用发动机排气进气示意图，参见图1和图2，包括柴油机300、排气集管400、增压器200、扫气集管500和尾气处理系统100。
船用柴油机尾气处理系统，处理系统100包括脱硝反应单元10、旁通单元20、还原剂供给单元30以及还原剂计量喷射单元40。
其中，所述旁通单元20用于控制脱销反应单元10的接入反应量；所述还原剂计量喷射单元40集成的设置在柴油机300的排气集管400上，且还原剂计量喷射单元40的多个喷嘴轴向间隔渐变的布置在排气集管400上；所述还原剂供给单元30在控制器600的控制下浓度可调的向还原剂计量喷射单元40供给还原剂，所述还原剂计量喷射单元40在控制器600的控制下将还原剂供给单元30提供的还原剂流量和压力可调的向所述排气集管400计量喷射；所述脱硝反应单元10设置在增压器200的上游或下游并与来自排气集管400的还原剂反应处理尾气，增压器200的增压轮侧与进气管和柴油机300的扫气集管500连接提供增压气体。
所述还原剂供给单元30包括还原剂箱31和还原剂泵32，所述还原剂计量喷射单元40包括计量器41和喷射阀42，所述还原剂箱31、还原剂泵32、计量器41和喷射阀42依次连接，喷射阀42的尾端连接多个所述喷嘴以向排气集管400非均布的喷射还原剂。
所述还原剂箱31内的还原剂为尿素溶液、氨水中的一种或组合。
所述脱硝反应单元10包括脱硝反应器11、进气阀12和出气阀13，所述进气阀12、脱硝反应器11、和出气阀13依次设置在从增压器200或排气集管400下游的排气管14上。
还原剂计量喷射单元40末端的多个喷嘴从所述排气集管400的上游至下游的间隔依次变大，该布置按照排气集管400处的温度布置经热力学计算而定，以此是的最终末端供给排除的还原剂排气混合体温度均匀。
所述系统100适用于船用低速、中速、高速柴油机主机以及柴油机发电机组，柴油机功率覆盖200kW～80000kW。
所述船用柴油机适用油品包括但不限于轻油(MGO)、船用燃油(MDO)、或重油(HFO)。
需要说明的是：①还原剂浓度的调节，可以通过还原剂箱31进行，如还原剂罐与热水罐(发动机循环水路进行控温)并联形成所述还原剂箱31，每个罐的下游设置相应的泵及流量控制阀，以此来调节还原剂供给的浓度。
进一步的，作为还原剂的尿素或氨水可以一同供给，并联接入，有控制器600根据环境选择接入与否。
②还原剂流量调节，由计量器41和喷射阀42以及上有的还原剂泵32共同控制。
实施例一
脱硝反应单元10连接至所述增压器200的增压排气支管14上，所述旁通单元20包括旁通阀21和旁通管22，所述旁通管22从所述进气阀12上游与所述脱硝反应器11下游之间旁通并联设置，所述旁通阀21设置在所述旁通管22上，通过控制器600控制旁通阀21的接入。
工作原理：SCR系统中的还原剂计量喷射单元40的喷射阀42集成于柴油机增压前的排气集管400上；脱硝反应器11安装于柴油机增压器200后，脱硝反应器1操作压力近似于常压；柴油机启动Tier III运行模式后，SCR系统开始运行，还原剂将直接喷入柴油机排气集管400内；由于排气集管400内收集是气缸内燃油充分燃烧后的废气，其温度较高(280-500℃)，喷射进入的还原剂尿素、氨水或二者组合在该高温烟气的作用下发生充分的热分解，生成SCR反应所需的NH3；生成的NH3与高温烟气充分混合并经过增压器200做功，然后进入脱硝反应器11，在催化剂的作用下，NH3与废气中的NOx发生选择性催化还原反应，生成N2和H2O，从而达到净化柴油机废气的目的。本实施例适应于低压选择性催化还原脱硝系统。
试验验证实例1
将系统安装于6S50-MEC 8.5船用低速柴油机上(额定功率9960KW，转速127rpm)，燃油为低硫油(MGO)。柴油机在75％负荷时，切换至Tier III运行模式后，新型的LP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，经增压器做功后，进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.85时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为203ppm，氨逃逸为1ppm。
试验验证实例2
将系统安装于6S50-MEC 8.5船用低速柴油机上(额定功率9960KW，转速127rpm)，燃油为低硫油(MGO)。柴油机在100％负荷时，切换至Tier III运行模式后，新型的LP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，经增压器做功后，进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.95时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为189ppm，氨逃逸为2ppm。
试验验证实例3
将系统安装于MAN 6L23-30H船用辅机上(额定功率852KW，转速720rpm)，燃油为低硫油(MGO)。柴油机在75％负荷时，切换至Tier III运行模式，新型的LP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，经增压器做功后，进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.85时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为157ppm，氨逃逸为2ppm。
试验验证实例4
将系统安装于MAN 6L23-30H船用中速辅机柴油机上(额定功率852KW，转速720rpm)，燃油为低硫油(MGO)。柴油机在100％负荷时，切换至Tier III运行模式，新型的LP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，经增压器做功后，进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.95时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为174ppm，氨逃逸为1ppm。
试验验证实例5
将系统安装于6S50-MEC 8.5船用低速柴油机上(额定功率9960KW，转速127rpm)，燃油为船用柴油(MDO)。柴油机在75％负荷时，切换至Tier III运行模式后，新型的LP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，经增压器做功后，进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.85时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为224ppm，氨逃逸为1ppm。
试验验证实例6
将系统安装于6S50-MEC 8.5船用低速柴油机上(额定功率9960KW，转速127rpm)，燃油为低硫油(MDO)。柴油机在75％负荷时，切换至Tier III运行模式后，新型的LP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将20wt.％氨水输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，经增压器做功后，进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.85时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为205ppm，氨逃逸为1ppm。
实施例二
反应单元10连接至所述排气集管400下游的直排支管15上，所述旁通单元20包括旁通阀21和旁通管22，所述旁通管22的两端与所述增压器200的涡轮两端并联连接，所述旁通阀21设置在所述旁通管22上；在排气集管400与增压器200涡轮之间的增压排气支管14上设置增压排气阀16，脱硝反应单元10的管路末端连接至所述增压排气阀16与旁通管22之间的管路上；在所述出气阀13与扫气集管500之间通过一个反应直排阀23及管路可控的连接；通过控制器600控制旁通阀21、进气阀12、出气阀13、增压排气阀16、和反应直排阀23的接入及开度大小。
工作原理：本实施例适用于船舶柴油机尾气氮氧化物净化的高压选择性催化还原脱硝系统(HP-SCR)设计方法，SCR系统中的还原剂喷射阀集成于柴油机增压前的排气集管上。柴油机启动Tier III运行模式后，SCR系统启动运行，还原剂将直接通过喷射阀的喷嘴喷射进入柴油机排气集管400内；在排气集管内，由于废气温度较高(280-500℃)，喷射进入的还原剂将发生充分的热分解，生成SCR反应所需的NH3并与高温烟气充分混合，然后进入脱硝反应器发生选择性催化还原反应，生成N2和H2O，从而达到净化柴油机废气的目的；净化后的废气直接进入增压器继续推动增压器做功。该新型HP-SCR系统具有净化效率高、占地面积小等特点，同时其也不会影响增压器以及柴油机的性能。具体实验验证实例如下。
试验验证实例7
将系统安装于6S50-MEC 8.5船用低速柴油机上(额定功率9960KW，转速127rpm)，燃油为低硫油(MGO)。柴油机在75％负荷时，切换至Tier III运行模式后，新型的HP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，然后随废气进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.85时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为207ppm，氨逃逸为1ppm。
试验验证实例8
将系统安装于6S50-MEC 8.5船用低速柴油机上(额定功率9960KW，转速127rpm)，燃油为低硫油(MGO)。柴油机在100％负荷时，切换至Tier III运行模式后，新型的HP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，然后随废气进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.95时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为178ppm，氨逃逸为1ppm。
试验验证实例9
将系统安装于MAN 6L23-30H船用辅机柴油机上(额定功率852KW，转速720rpm)，燃油为低硫油(MGO)。柴油机在75％负荷时，切换至Tier III运行模式，新型的HP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，然后随废气一同进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.85时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为169ppm，氨逃逸为2ppm。
试验验证实例10
将系统安装于MAN 6L23-30H船用中速辅机柴油机上(额定功率852KW，转速720rpm)，燃油为低硫油(MGO)。柴油机在100％负荷时，切换至Tier III运行模式，新型的LP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，经增压器做功后，进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.95时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为174ppm，氨逃逸为1ppm。
试验验证实例11
将系统安装于6S50-MEC 8.5船用低速柴油机上(额定功率9960KW，转速127rpm)，燃油为船用柴油(MDO)。柴油机在75％负荷时，切换至Tier III运行模式后，新型的HP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将40.wt％尿素溶液输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，然后随废气进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.85时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为219ppm，氨逃逸为3ppm。
试验验证实例12
将系统安装于6S50-MEC 8.5船用低速柴油机上(额定功率9960KW，转速127rpm)，燃油为低硫油(MGO)。柴油机在75％负荷时，切换至Tier III运行模式后，新型的HP-SCR系统开始运行。还原剂供给单元将20wt.％氨水输送至还原剂喷射单元，并直接喷入柴油机排气集管中，然后随废气进入SCR反应器发生脱硝反应。在氨氮比为0.85时，经检测，净化后柴油机废气中的NOx浓度为203ppm，氨逃逸为1ppm。
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。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：后处理喷射系统、车辆及控制方法