一种船用SCR系统还原剂喷射及控制方法与流程

一种船用scr系统还原剂喷射及控制方法
技术领域
1.本发明涉及大气环境治理、船舶动力等领域，涉及一种可用于船舶发动机尾气氮氧化物净化选择性催化还原脱硝系统(scr)中的还原剂喷射及控制方法，可有效促进还原剂分解与废气混合均匀度，提高还原剂利用率。
技术背景
2.选择性催化还原脱硝技术是目前最有效的净化船用发动机尾气氮氧化物(nox)的方法之一。而影响scr技术净化效率的关键因素之一便是还原剂的高效热解及混合技术。同时，受限于nh3逃逸的管控(通常是10ppm)，这对于scr还原剂的混合均匀度提出了更高的要求。另外，对于船用scr技术，由于发动机尾排温度相对较低，这无疑对于还原剂的高效分解带来严峻的挑战。并且，通常船舱空间较为狭小，难以布置充足的还原剂蒸发混合管，非常不利于还原剂的高效混合。因此，为克服这些难题，需要充分结合船用scr技术特点，开发适用船上的还原剂喷射技术。
3.韩国斗山和现代公司在船用低压选择性催化还原脱硝技术(lp-scr)中引入尿素蒸发分解器(udc)的尿素喷射技术，将还原剂喷射进入该设备，同时利用外部供热设备对分解器进行加热，从而促进还原剂的高效热解与混合。但该方法引入设备较多，控制复杂，布置困难，难以推广使用。国内七一一船用发动机研究所，在其低压选择性催化还原脱硝系统中直接将还原剂喷射进入蒸发混合管的方法，利用催化剂的作用来促进还原剂的分解，但该方法存在氨逃逸风险较高的缺点。


技术实现要素：

4.本发明目的提供一种船用scr系统还原剂喷射及控制技术，结合发动机性能及结构特征，在各气缸排气阀与排气集管连接处布置相应的还原剂喷枪，各喷枪还原剂喷射顺序与发动机气缸发火顺序相同。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种船用scr系统还原剂喷射及控制方法，基于船用scr系统，该船用scr系统包括发动机排气集管、分别与该发动机排气集管相连的气缸，和喷射单元、计量单元、供给单元、存储单元，以及与该喷射单元、计量单元、供给单元、存储单元分别相连的监测控制单元，其特征在于，所述的喷射单元，包括多个布置在发动机排气集管与各气缸连接处的喷枪，利用发动机排气集管作为还原剂蒸发混合单元，还原剂通过所述的喷射单元直接喷入发动机排气集管。
7.所述的喷枪布置数目与气缸数目相同，喷枪布置于各气缸与排气集管的连接管处，即排气阀门后端。
8.各还原剂喷枪采用间歇式脉冲喷射方式，开启顺序与机各气缸发火顺序相同，喷射持续时间与发动机排气正时维持一致，即与发动机排气阀门开启时间维持相同，从而使喷枪喷射的还原剂与气缸排出的废气充分混合后，进入发动机排气集管再进一步混合。
9.所述的监测控制单元，用于监测发动机负荷、转速、排气温度、排气压力、排气正时，并通过控制所述的供给单元和计量单元来控制所述的喷射单元的各喷枪的启停与喷射流量。
10.当所述的监测控制单元监测到发动机的排气温度满足条件，气缸排气阀门启时，控制相应的喷枪喷射还原剂，还原剂的喷射量受发动机负荷及转速而决定；当气缸排气阀门关闭时，控制喷枪停止喷射还原剂。
11.所述的排气温度280℃以上。
12.所述的还原剂是氨水、尿素溶液等溶液中的一种或者多种。
13.本发明适用于高压选择性催化还原脱硝系统和低压选择性催化还原脱硝系统。可以适用柴油、天然气、液化石油气、甲醇、氨气等不同燃料船用发动机尾气scr系统。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
15.这里发明的新型船用scr系统还原剂喷射方法，充分结合发动机性能及结构特征，在各气缸排气阀与排气集管连接处布置相应的还原剂喷枪。各喷枪还原剂喷射顺序与发动机气缸发火顺序相同。该发明充分发动机排气特征，同时由于排气集管废气温度较高，还原剂可以获得较高的分解效率以及混合均匀度。
附图说明
16.图1是本发明船用scr系统还原剂喷射系统的示意图
17.图2是本发明还原喷枪布置示意图
18.图3是本发明船用scr系统还原剂喷射及控制方法的流程图
19.具体实施方法
20.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但绝不是限制本发明的保护范围。
21.如图1主要包含还原剂储罐、还原剂供给单元、还原剂喷射单元以及还原剂系统监测控制单元。如图2所示，该发明在发动机排气集管各气缸连接处布置还原剂喷枪，喷枪与还原剂计量单元以及存储单元相连。图3显示控制单元主要组成，包括监测发动机负荷、转速、排气管压力、发动机排气正时信号，控制操作包括还原剂喷射顺序、喷射开始时间、喷射持续时间以及喷射流量等。
22.通过实验标定提前向控制单元预输入还原剂喷射量与发动机负荷转速map图。在系统实际运行期间，控制单元实时监测发动机负荷信号、转速信号、排气集管压力温度以及排气正时等信号。发动机排气管温度满足不低于280℃，还原剂喷射系统进入ready状态。当发动机达到设定运行负荷时，还原剂供给单元和计量单元按照map图对应的还原剂喷射量将还原剂供给到喷枪处。各气缸上的喷枪喷射顺序由发动机排气正时决定。如图1所示，假设气缸发火顺序为1-5-2-4-3，则各气缸排气阀门开启顺序也为1-5-2-4-3。在1号气缸排气阀门开启时，安装在该气缸排气阀门后端的还原剂喷枪(如图1和图2所示)开启喷射还原剂，排气阀门关闭后，还原剂喷枪停止喷射。5号缸排气阀门开启时，则对应的还原剂喷枪开启喷射还原剂。依照该顺序，完成一个循环周期还原剂喷射。单位时间内还原剂喷射量与实验标定的map图里的值相等。
23.喷射出的还原剂，在排气集管内与气缸排出的废气充分混合，然后进入发动机排气集管进行进一步混合。由于气缸排气时，废气温度较高，通过该还原剂喷射方法可充分提
升还原剂分解效率，同时由于喷射后还原剂迅速进入发动机排气集管，由于排气集管体积大，废气紊流强度高，还原剂可以充分与废气发生混合。
24.如果监测信号，如温度、压力等，超出设定范围，将引发控制系统报警，还原剂供给单元将立即终止还原剂供给，以保护整个还原剂系统；如遇发动机气缸发火不正常，例如排气正时信号出现异常，系统也将立即终止还原剂供给。
25.实施例1：
26.将该新型还原剂喷射技术应用于船用高压选择性催化还原脱硝系统(hp-scr)并安装于man 6s50me-c8.2船用低速发动机上(额定功率9960kw,转速127rpm)，配置6根还原剂喷枪，并安装于各气缸与排气集管连接管处。发动机排气正时为1-5-2-4-3-6，还原剂各喷枪采用间歇脉冲式喷射，每次喷施持续时间为0.17s,喷射顺序与发动机排气正时相同。采用尿素作为还原剂，在100负荷时，尿素喷射流量为140l/h。经试验检测，还原剂分解率为97.3％，混合均匀度为96.6％，氮氧化物(nox)净化效率为86.7％，nh3逃逸为7ppm。
27.实施例2：
28.将该新型还原剂喷射技术应用于船用低压选择性催化还原脱硝系统(hp-scr)并安装于man 6s50me-c8.2船用低速发动机上(额定功率9960kw,转速127rpm)，配置6根还原剂喷枪，并安装于各气缸与排气集管连接管处。发动机排气正时为1-5-2-4-3-6，还原剂各喷枪采用间歇脉冲式喷射，每次喷施持续时间为0.17s,喷射顺序与发动机排气正时相同。采用尿素作为还原剂，在100负荷时，尿素喷射流量为140l/h。经试验检测，还原剂分解率为96.9％，混合均匀度为97.4％，氮氧化物(nox)净化效率为81.3％，nh3逃逸为1ppm。
29.实施例3：
30.将该新型还原剂喷射技术应用于船用高压选择性催化还原脱硝系统(hp-scr)并安装于wingd 11x92-b船用低速发动机上(额定功率63000kw,转速79rpm)，配置11根还原剂喷枪，并安装于各气缸与排气集管连接管处。发动机排气正时为1-10-3-7-2-11-4-8-6-9-5，还原剂各喷枪采用间歇脉冲式喷射，每次喷施持续时间为0.27s,喷射顺序与发动机排气正时相同。采用尿素作为还原剂，在100负荷时，尿素喷射流量为896l/h。经试验检测，还原剂分解率为94.6％，混合均匀度为96.9％，氮氧化物(nox)净化效率为91.1％，nh3逃逸为1ppm。
31.实施例4：
32.将该新型还原剂喷射技术应用于船用低压选择性催化还原脱硝系统(lp-scr)并安装于wingd 11x92-b船用低速发动机上(额定功率63000kw,转速79rpm)，配置11根还原剂喷枪，并安装于各气缸与排气集管连接管处。发动机排气正时为1-10-3-7-2-11-4-8-6-9-5，还原剂各喷枪采用间歇脉冲式喷射，每次喷施持续时间为0.27s,喷射顺序与发动机排气正时相同。采用尿素作为还原剂，在25负荷时，尿素喷射流量为390l/h。经试验检测，还原剂分解率为95.1％，混合均匀度为97.2％，氮氧化物(nox)净化效率为80.3％，nh3逃逸为7ppm。
33.实施例5：
34.将该新型还原剂喷射技术应用于船用高压选择性催化还原脱硝系统(hp-scr)并安装于man 6s50me-c8.2船用低速发动机上(额定功率9960kw,转速127rpm)，配置6根还原剂喷枪，并安装于各气缸与排气集管连接管处。发动机排气正时为1-5-2-4-3-6，还原剂各
喷枪采用间歇脉冲式喷射，每次喷施持续时间为0.17s,喷射顺序与发动机排气正时相同。采用氨水作为还原剂，在100负荷时，尿素喷射流量为210l/h。经试验检测，还原剂分解率为99.4％，混合均匀度为97.4％，氮氧化物(nox)净化效率为83.2％，nh3逃逸为2ppm。
35.实施例6：
36.将该新型还原剂喷射技术应用于船用高压选择性催化还原脱硝系统(hp-scr)并安装于液化石油气燃料man 6g70me-lgip船用低速发动机上(额定功率15600kw,转速90rpm)，配置6根还原剂喷枪，并安装于各气缸与排气集管连接管处。发动机排气正时为1-5-2-4-3-6，还原剂各喷枪采用间歇脉冲式喷射，每次喷施持续时间为0.24s,喷射顺序与发动机排气正时相同。采用尿素作为还原剂，在100负荷时，尿素喷射流量为180l/h。经试验检测，还原剂分解率为96.2％，混合均匀度为98.4％，氮氧化物(nox)净化效率为84.1％，nh3逃逸为2ppm。
37.以上实施例表明，各气缸后的还原剂喷枪采用间歇式脉冲喷射方式，其开启顺序与发动机各气缸排气正时相同，且还原喷射持续时间与气缸排气正时相同，即在排气阀开启时，还原剂喷枪开始喷射，还原剂与气缸排出的废气充分混合，然后进入发动机排气集管进行进一步混合，在排气阀关闭后，喷枪停止喷射。控制单元通过监测发动机负荷、转速、排气温度、排气压力、排气正时等发动机信号，通过控制供给单元、计量单元来控制还原剂喷射启停、喷射流量等参数。本发明充分提升还原剂精准度、提高还原剂利用率，也可以充分发动机废气余热，提高还原剂分解效率以及还原剂与废气混合均匀度，有效促进船用scr系统净化效率的提高。