一种适用于高硫燃油的低速柴油机SCR系统及其控制方法

摘要

本发明的目的在于提供一种适用于高硫燃油的低速柴油机SCR系统及其控制方法，排气箱和进气箱分别连通柴油机排气管和进气管，排气箱的第一出口通过蒸发连通管连通蒸发混合器的第一入口，排气箱的第二出口连通扫气旁通管，进气箱分别连通扫气旁通管和涡轮增压器的压气机，蒸发混合器的第二入口连通还原剂水槽，蒸发混合器的出口连通SCR反应器，SCR反应器通过反应器旁通管连通扫气旁通管，扫气旁通管分别支出废气旁通管和涡轮进气管，涡轮进气管连通涡轮增压器的涡轮进口，废气旁通管连通涡轮增压器的涡轮出口，涡轮增压器的涡轮出口连通大气。本发明能有效提高发动机废气温度，且缓解SCR催化剂气体通道阻塞问题。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机废气污染物后处理系统，具体地说是船舶柴油机废气污染物后处理系统。

背景技术

随着船舶废气污染物对大气环境的影响日益严重,针对船舶废气的减排工作愈发受到人们的重视。而氮氧化物是船舶废气的主要污染物,国际海事组织IMO海洋环境保护委员会MPEC在《国际防止船舶造成污染公约MARPOL》附则Ⅵ中要求船舶在排放控制区内航行时,其氮氧化物排放量需达到TierⅢ标准，即NOx加权排放量不高于3.4g/kWh，而TierⅠ和TierⅡ分别为17g/kWh和14.4g/kWh。

由于TierⅢ对于NOx排放提出了更加严格的要求，机内减排方法已经不能满足要求。选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)是一种发动机废气后处理技术,能够有效脱除废气中的NOx，使废气中含量达到TierⅢ标准。

SCR系统的基本原理是将发动机废气中的NOx在一定温度下以NH3作为还原剂进行催化还原反应,将有毒害、有污染的NOx转化为无毒无污染的氮气和水蒸气。由于NH3不易储存和运输，且具有一定的毒性，故一般以尿素水溶液的形式储存。

中国专利申请号为201210135244.1、名称为“大型发动机SCR脱硝方法及其系统”的专利文件中，提出了将SCR放置在涡轮增压器与发动机之间，以及将扫气箱中的部分空气直接旁通到到涡轮增压器上游的方法，使得排气温度升高。此种方法废气升温幅度有限，不能达到大型低速二冲程柴油机在中、低负荷下进行SCR脱硝所需最佳温度。

中国专利申请号为201010555816.2、名称为“通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法及实施装置”的专利文件中，提出了一种通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法,其技术方案是,通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法及实施装置,借助于发动机的排温控制单元实现，将一红外加热器镶套在催化转化器进气口扩张段,发动机冷启动阶段控制红外加热器提高尾气温度与催化转化效率，当催化转化器内温度与压差达到一定范围时,ECU控制红外加热器的开启和关闭,促使捕集体上的未燃烧产物与复杂络合物气化，缓解催化转化器堵塞情况。

对于大型二冲程低速柴油机而言，高压SCR系统目前存在以下问题：

低速柴油机废气温度低、成分复杂，主机废气条件不能直接满足SCR工作要求，必须借助不同的主机调制技术，对其废气温度进行升温处理，这势必会进一步增加SCR系统的运营成本；

由于柴油机中脱硫装置一般置于SCR之后，这意味着废气在到达SCR设备中时仍含有SO3，而在温度低于300℃时，SO3易于和SCR设备中的氨气和水蒸气发生反应产生硫酸氢铵，硫酸氢铵附着在催化剂表面阻碍了SCR的催化还原反应，更进一步，由于硫酸氢铵是一种胶状物质，它会吸附颗粒形成复合沉积，从而阻塞催化剂块的气体通道；

以上两个问题都可以由增大反应表面积和增大气体通路来解决，然而受船体的空间限制，难以实现。

发明内容

本发明的目的在于提供能在不增加其他升温设备的基础上有效提高发动机废气温度，且缓解SCR催化剂气体通道阻塞问题的一种适用于高硫燃油的低速柴油机SCR系统及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种适用于高硫燃油的低速柴油机SCR系统，其特征是：包括进气箱、排气箱、涡轮增压器、SCR反应器、蒸发混合器，排气箱和进气箱分别连通柴油机排气管和进气管，排气箱的第一出口通过蒸发连通管连通蒸发混合器的第一入口，排气箱的第二出口连通扫气旁通管，进气箱分别连通扫气旁通管和涡轮增压器的压气机，蒸发混合器的第二入口连通还原剂水槽，蒸发混合器的出口连通SCR反应器，SCR反应器通过反应器旁通管连通扫气旁通管，扫气旁通管分别支出废气旁通管和涡轮进气管，涡轮进气管连通涡轮增压器的涡轮进口，废气旁通管连通涡轮增压器的涡轮出口，涡轮增压器的涡轮出口连通大气。

本发明一种适用于高硫燃油的低速柴油机SCR系统还可以包括：

1、进气箱出口处的扫气旁通管上设置第一阀组，排气箱第二出口处的扫气旁通管上设置第二阀组，反应器旁通管上设置第三阀组，蒸发连通管上设置第四阀组，废气旁通管上设置第五阀组。

本发明一种适用于高硫燃油的低速柴油机SCR控制方法，其特征是：

当柴油机处于低负荷状态时，打开第一阀组、第三阀组、第四阀组、第五阀组，同时关闭第二阀组；当柴油机处于中负荷时，打开第一阀组、第三阀组、第四阀组、第五阀组，同时关闭第二阀组；当柴油机处于高负荷时，打开第三阀组、第四阀组，同时关闭第一阀组、第二阀组、第五阀组；当船舶非排放控制区域或SCR系统出现故障时，打开第二阀组，同时关闭第一阀组、第三阀组、第四阀组、第五阀组。

本发明的优势在于：本发明能够提高SCR入口处的柴油机废气温度，且几乎不增加其体积和成本的船舶低速二冲程柴油机高压SCR系统。它能在不增加其他升温设备的基础上有效提高发动机废气温度，且缓解SCR催化剂气体通道阻塞问题。

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，本发明系统主要包括：涡轮增压器2、进气箱3、柴油机4、排气箱5、蒸发混合器6、SCR反应器8以及阀组V1-V5。经涡轮增压器2增压后进入进气箱3的空气一部分旁通至涡轮增压器2涡轮端入口前，另一部分空气进入发动机参与燃烧，发动机废气进入排气箱5，经由蒸发混合器6进入SCR反应器8,脱硝完成之后的废气分为两部分，一部分经由涡轮增压器2涡轮端做功后排出，另一小部分直接进入涡轮后的排气管路，不参与涡轮增压器2做功。

压气机通过管路连接进气箱3，进气箱3通过管路与柴油机相连，柴油机排气口通过排气管路与排气箱5相连，排气箱5通过排气管路和阀组V4与蒸发器混合6相连，蒸发混合器6另一入口与还原剂水槽7相连，蒸发混合器6出口通过排气管路与SCR反应器8相连，SCR反应器8通过排气管路和阀组V3与涡轮增压器2相连，涡轮增压器2与排气管路相连，排出废气。

同时，进气箱3另一出口通过管路和阀组V1与通过SCR反应器8后的排气管路相连，共同进入涡轮增压器2。当发动机废气温度不够时，打开阀组V1，使部分扫气进入排气管道从而进入涡轮增压器2的涡轮端入口，以控制进入气缸的新鲜空气量。当阀组V1打开时，部分新鲜空气会流入排气管，进入气缸的新鲜空气量将减少，但扫气压力保持不变。在燃油消耗量增加的情况下，柴油机废气温度必然随之升高，其升高程度取决于燃油消耗量的增加情况。

此外，排气箱5另一端出口通过管路和阀组V2与进入涡轮增压器2的涡轮端入口前的排气管路相连，共同进入涡轮增压器2。当船舶行驶在非排放控制区或者SCR系统故障(如堵塞严重)时，阀组V2打开，阀组V1、V3、V4关闭，排气直接从排气箱进入涡轮增压器2，SCR系统处于不工作状态。

最后，在阀门V2之后和进入涡轮增压器2的涡轮端入口前的排气管路之间增设一条排气管路，通过阀组V5直接与涡轮增压器2涡轮端之后的排气管路相连，即不经涡轮增压器2直接排出一部分废气。若柴油机NOx排放能够满足排放要求，则关闭阀组V5，若柴油机NOx排放不能满足排放要求，则打开阀组V5，降低涡轮前排气压力，从而减少进气，提高废气温度，以保证柴油机NOx排放满足排放要求。

具体控制方法见下表：

表1：主机调制方案中阀组开关策略

主机负荷调制状态阀组V1阀组V2阀组V3阀组V4阀组V5低负荷是打开关闭打开打开打开中负荷是打开关闭打开打开打开高负荷否关闭关闭打开打开关闭旁通状态否关闭打开关闭关闭关闭

柴油机在中、低负荷时，废气温度不能达到SCR反应所需催化温度，且易阻塞催化剂气体通道，故而需要采用缸旁通联合增压器旁通调制方案使废气升温。具体操作为：阀组V1、V3、V4、V5打开，阀组V2关闭。

此时，阀组V1打开，通过将扫气箱中的部分气体从涡轮增压器涡轮端的上游直接排出，使得进入主机缸内新鲜空气总量减少，空燃比降低，燃油燃烧不充分，由于主机调制需要保证其输出功率不变，因此需要增加喷油量，在燃油消耗量增加的情况下，柴油机废气温度必然随之升高，提高脱硝效率，同时可以有效减轻催化剂堵塞现象。

阀组V5打开，将脱硝后的一部分废气不经涡轮增压器直接排出，进入涡轮的废气量减少，使得增压器进入空气量也减少，同样减少了进入气缸内的新鲜空气总量，使得进气压力降低，空燃比降低，废气温度升高，进而提高脱硝效率，减轻催化剂堵塞现象。

柴油机在高负荷时，废气温度可以满足脱硝催化剂所需的催化温度，故而不需进行主机调制，即阀组V1、V2、V5关闭，V3、V4打开，SCR系统正常工作即可。

当船舶行驶在非排放控制区域或SCR系统出现故障(如堵塞严重)时，阀组V2打开，V1、V3、V4、V5关闭，此时SCR系统被关闭，废气直接进入涡轮增压器。

本发明将发动机的扫气箱中的部分气体直接旁通至涡轮增压器之前，以减少发动机气缸内的进气压力、空燃比，提高发动机的排气温度，以及将脱硝后的部分排气旁通至涡轮增压器之后，使涡轮增压器进气减少，以减少进入发动机的扫气，从而使进入SCR的排气温度升高。当柴油机在中、低负荷时，将扫气箱中的部分气体从涡轮增压器涡轮端的上游直接排出。当柴油机在中、低负荷时，将脱硝后的一部分废气不经涡轮增压器直接排出。当柴油机在高负荷时，直接对发动机产生的排气进行脱硝处理，不附加任何旁通。当船舶行驶在非排放控制区域或系统出现故障时，将发动机的废气直接排向涡轮增压器，不进行脱硝处理。