一种低速柴油机匹配高压SCR系统的中、低负荷能量回收装置及回收方法

摘要

本发明的目的在于提供一种低速柴油机匹配高压SCR系统的中、低负荷能量回收装置及回收方法，包括进气箱、排气箱、涡轮增压器、动力涡轮、SCR反应器，柴油机进气口和排气口分别连通进气箱和排气箱，排气箱通过SCR进气管连通SCR反应器，SCR反应器连通SCR出气管，SCR进气管上设置蒸发混合器，SCR出气管连通涡轮增压器的涡轮，同时通过动力管路连通动力涡轮，涡轮增压器的压气机出口通过空冷器连通进气箱，动力涡轮连接涡轮发电组，涡轮发电组分别连接储电装置和整流逆变器，整流逆变器连接外部电网。本发明采用涡轮增压器旁通技术来提高废气温度，使其满足SCR系统的要求，同时利用这部分旁通废气来驱动动力涡轮发电，在降低NOx排放的同时，回收废气中的能量。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机排放处理系统，具体地说是低速柴油机SCR系统。

背景技术

船舶是能源消耗量巨大的运输工具，高能耗一方面使船舶运行成本增加，另一方面也给船舶运行带来了严重的环境问题。因此，如何有效的降低船舶能耗和排放是一个重大而现实的课题。

对于柴油机排放控制而言，重点是减少废气NOx的排放。目前，SCR技术是国际海事组织(IMO)公认的唯一可用于各类船舶发动机和船型的NOx减排技术，理论上能够满足IMOTier III或更严格排放标准。按照其工作特点和布置方式，低速柴油机SCR系统可以分为低压SCR系统和高压SCR系统。相对而言，高压SCR系统结构更加紧凑、能效利用率更高，更适用于功率较大的低速柴油机。

在高压SCR系统中，如果使用低硫燃油，则会进一步增加运营成本。对于船舶发动机，通常使用高硫渣油，废气中含有大量的SOx，如果废气温度较低，则在高压SCR系统中会形成硫酸或亚硫酸，与高压SCR系统中的NH3发生发应，从而形成硫酸盐，会阻塞管道和催化剂孔道。所以废气在进入高压SCR系统时需要具有较高的温度。

在高压SCR系统中，SCR反应器布置在涡轮之前，废气从扫气箱直接进入混合器与还原剂混合，在SCR系统中完成发应后再进入涡轮增压器，废气温度较高。在高负荷条件下，废气温度满足要求，不需要调制；然而，在中、低负荷条件下，废气温度通常低于高压SCR系统所需的工作温度，需要采取主机调制措施来提高废气温度。

在现有的主机调制中，通常采用缸旁通与涡轮增压器旁通技术来提高废气温度。缸旁通技术在扫气箱减少一部分进气，与此同时，主机喷油量不变。涡轮增压器旁通技术在废气进入涡轮增压器之前旁通一部分废气，从而使压气机的做功能力降低，同样减少进气。理论上讲，两种措施都减少了主机的进气量，喷油量不变，在提高废气温度的同时也增加了主机的油耗，提高了整个系统的运营成本。

由于高压SCR系统的作用，废气的背压发生了改变，对主机的烧烧造成了一定的影响，增加了系统的油耗。同时，在中、低负荷条件下采用主机调制，有进一步增加了油耗，增加了整个系统二氧化碳的排放。由于高压SCR系统的作用，降低了NOx的排放，但与此同时增加了油耗与二氧化碳的排放。因此，在高压SCR系统中如果能回收利用一部分能量，则能降低一部分油耗与二氧化碳的排放，在降低运营成本的同时能更好地保护环境。

在余热回收技术中，动力涡轮通常用来回收废气的余热，动力涡轮可以利用废气的余压能来发电，并且具有较高的能量回收效率。当高压SCR系统在中、低负荷条件下运行时，由于主机调制，在涡轮增压器旁通了一部分废气，这部分废气如果直接排入到环境中，则废气中的能量没有得到有效利用，如果这部分废气被用来驱动动力涡轮来发电，则废气中的能量可以得到有效回收利用，提高了整个系统的能量利用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供能够在有效降低NOx的同时，回收旁通废气中的能量，提高整个系统能量利用效率的一种低速柴油机匹配高压SCR系统的中、低负荷能量回收装置及回收方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种低速柴油机匹配高压SCR系统的中、低负荷能量回收装置，其特征是：包括进气箱、排气箱、涡轮增压器、动力涡轮、SCR反应器，柴油机的进气口和排气口分别连通进气箱和排气箱，排气箱通过SCR进气管连通SCR反应器，SCR反应器连通SCR出气管，SCR进气管上设置蒸发混合器，SCR出气管连通涡轮增压器的涡轮，同时通过动力管路连通动力涡轮，涡轮增压器的压气机出口通过空冷器连通进气箱，动力涡轮连接涡轮发电组，涡轮发电组分别连接储电装置和整流逆变器，整流逆变器连接外部电网。

本发明一种低速柴油机匹配高压SCR系统的中、低负荷能量回收装置还可以包括：

1、SCR进气管上设置第一阀组，SCR反应器出口处的SCR出气管上设置第二阀组，动力管路上设置第三阀组。

本发明一种低速柴油机匹配高压SCR系统的中、低负荷能量回收方法，其特征是：柴油机处于高负荷条件下，打开第一阀组和第二阀组，关闭第三阀组，从柴油机中排出的废气，进入排气箱，废气从排气箱经过第一阀组进入蒸发混合器，在蒸发混合器中与还原剂混合后，进入SCR反应器，在催化剂的作用下废气中的NOx被催化还原为氮气，废气从SCR反应器中出来，经第二阀组进入涡轮增压器，之后废气从涡轮增压器中排出；

柴油机处于中、低负荷条件下，打开第一阀组、第二阀组、第三阀组，从柴油机中排出的废气，进入排气箱，废气从排气箱出来经第一阀组进入蒸发混合器，在蒸发混合器中与还原剂混合，进入SCR反应器，在催化剂的作用下废气中的NOx被催化还原为氮气，废气从SCR反应器中出来，分为两部分：一部分废气通过第三阀组进入动力涡轮驱动动力涡轮发电，之后这部分废气从动力涡轮排出进入空气，另一部分废气进入涡轮增压器，之后废气从涡轮增压器中排出进入大气。

本发明的优势在于：本发明在中、低负荷条件下采用涡轮增压器旁通技术来提高废气温度，使其满足SCR系统的要求，同时利用这部分旁通废气来驱动动力涡轮发电，在降低NOx排放的同时，回收废气中的能量，最大可能降低系统的油耗和二氧化碳的排放，降低运营成本的同时减少对环境的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明包括主机1、高压SCR系统、废气旁通驱动动力涡轮发电系统，在中、低负荷条件下，主机1首先废气进入排气箱2，之后废气进入SCR系统，废气中的NOx在SCR系统中被催化还原为氮气，废气在SCR系统发生反应之后一部分进入涡轮增压器9，用来压缩空气，之后排到大气中；另一部分旁通进入动力涡轮8，用来驱动动力涡轮8发电，之后排到大气中。

本发明的连接方式和流程为：废气从柴油机1中出来，进入废气箱2，之后进入高压SCR系统，废气中的NOx被还原为氮气，之后整个系统分为两种工作状态。1)在高负荷条件下，废气从高压SCR系统中出来，全部进入涡轮增压器9，用来压缩空气，之后排入到大气中，整个过程结束。2)在中、低负荷条件下，一部分废气被旁通进入动力涡轮8，用来驱动动力涡轮发电，另一部分废气进入涡轮增压器，用来压缩空气，之后这两部分废气混合，排入到空气中，整个过程结束。

上述图1中的整个系统在实际运行过程中分为2种运行状态。

1)在高负荷条件下，主机不调制。此时阀组V1与V2打开，阀组V3关闭。废气从柴油机1中排出，进入排气箱2，废气从排气箱2经过阀组V1进入蒸发混合器4，在蒸发混合器中与还原剂混合，进入SCR反应器5，在催化剂的作用下废气中的NOx被催化还原为氮气，废气从SCR反应器5中出来，经阀组V2进入涡轮增压器9，用来压缩空气，之后废气从涡轮增压器9中排出。

2)在中、低负荷条件下，采用涡轮增压器旁通进行主机调制。阀组V1、V2和V3全部打开。废气从柴油机1中排出，进入废气箱2，废气从排气箱2出来经阀组V1经过阀组V1进入蒸发混合器4，在蒸发混合器中与还原剂混合，进入SCR反应器5，在催化剂的作用下废气中的NOx被催化还原为氮气，废气从SCR反应器5中出来，分为两部分：一部分废气通过阀组V3进入动力涡轮8驱动动力涡轮发电，之后这部分废气从动力涡轮8排出进入空气；另一部分废气进入涡轮增压器9用来压缩空气，之后废气从涡轮增压器9中排出进入大气。

动力涡轮8与发电机组12相连，涡轮发电机组发电之后一方面通过整流逆变器14的作用进入外部电网15，用于船上的日常供电需求；另一反面，在船上用电需求较小时，涡轮发电机组在发电之后可以将相应的电储存在储电装置13中，在用电需求较大时来供应船上的用电需求。