CN101922333B - 船用选择性催化还原减排*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船用选择性催化还原减排***，包括将还原剂与发动机烟气混合的混合器，混合器与反应器烟气进口连接；反应器包括壳体，壳体上设置烟气进口、净化气出口，壳体内设置催化剂模块；所述还原剂为尿素水溶液。本发明结构合理、工作性能好，还原剂与烟气均匀的混合气体，经过反应器内的催化剂时，烟气中的NOx被选择还原为无害的氮气N2和水H2O，实现NOx达标排放。

Description

船用选择性催化还原减排***
技术领域：
本发明涉及一种船用选择性催化还原减排***。
背景技术：
由船舶造成的大气污染已经到了不能忽视的地步，给船舶内部环境和外部环境带来日益严重的影响，特别是在港口、海峡和一些航线密集、船舶流量大的海区，船舶排放的废气甚至是该地区的主要污染源。
船舶废气NOx的减排，国际海事组织IMO已向所有的船旗国提出了三个阶段的要求。从2011年开始实行NOx排放为Tier II限值的规定，到2016年将实行NOx排放为TierIII限值的规定，由于TierIII规定的NOx限值是发动机本身的技术改进所不能实现的，而所有的NOx减排措施只有发动机排气后处理装置SCR能够实现TierIII的限值规定。
选择性催化还原(selective catalytic reduction)，简称SCR，是降低船用柴油机NOx排放的有效手段，经过多年来在船用发动机行业的研究，要将船用柴油机的NOx排放降低到国际海事组织IMO“MARPOL附则VI《防止船舶造成空气污染》”所规定的TierIII的限值，以及更严格的地区排放标准，SCR原理是唯一的技术方法。
1.SCR反应方程式为：
尿素溶液还原剂反应：CO(NH2)2+H2O→CO2+2NH3    (1)
催化剂还原反应：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O       ！(2)
4NO2+4NH3+→3N2+6H2O    (3)
2.催化剂
船用SCR反应器中容纳的催化剂结构，采用的横截面是150mm×150mm，其中的蜂窝孔可根据不同的应用条件采用20mm×20mm，25mm×25mm，30mm×30mm。
常用催化剂组分：载体TiO2，活性物质V2O5温度窗口280～420℃。
但钒基催化剂不能满足船用低温工况的使用条件，必须开发新型船用SCR催化剂。
3.还原剂
车用SCR还原剂为32.5％尿素水溶液，它与船用的特点差异主要为车用尿素溶液需满足陆用的严寒气候条件的储存和运输，尿素溶液的析晶温度点为-11℃。船用SCR还原剂的条件，尿素水溶液是首选，其储存条件高于0℃，其尿素溶液40％的浓度等级符合国际船舶行业的认可，在全球范围内可以得到补充。
因此，船用SCR原理即，柴油机排气烟气(250～450℃)进入尿素水溶液喷射管，定量喷射的尿素水溶液在130℃以上的烟气温度下热解为氨(NH3)，烟气与氨在喷射管段内，经混合器的扰动形成均匀的混合气，并流经反应器中的催化剂，有选择地将混合烟气中的NOx还原为无害的氮气N2和水H2O。经过反应器催化剂的NOx减少率可达90％以上。
尽管通用的SCR技术原理已在陆用电厂和车用柴油机上得到应用，但其***装置特点与船舶应用的SCR装置有较大差别。
上述行业应用的SCR装置，燃用动力物料和***装置的结构特征与船用燃料和船用装置的特征有重大区别。
各行业应用SCR的特点
Figure BSA00000232929400031
由于船舶基础空间紧凑，安排SCR***装置需要精巧的设计，所有对船用SCR***装置的设计，特别是反应器的设计提出了较苛刻的要求，再加上船用燃料的特殊性和船舶运行负荷工况的多变性，因此船用SCR***装置的设计要求，特别是催化剂的性能结构参数与陆用的SCR设计要求有差别。国外船用SCR对其中有效问题予以解决，但对使用高含硫量的燃料和低温工况的应用，至今都无有效的解决办法。
所以在船舶上应用SCR，还需解决以下问题：
1.船舶机舱空间狭小，庞大的SCR***装置，特别是体积较大的反应器难以在机舱布置。因此船用SCR***装置必须结构紧凑、小型化的反应器技术开发是关键；
2.船用燃油含硫量高，目前，全球大量的航运船舶燃油含硫量为4.5％，2012年可降低为3.5％，高于1.5％以上的燃油使SCR催化剂温度反应窗口狭小，易中毒，不能满足船用SCR高效减排NOx的需要；
3.船用发动机运行工况变化频繁，低负荷工况时，相当一部分柴油机的排气温度过低，超出了一般钒基催化剂允许的最低反应温度，NOx减排效率降低，氨逃逸增加；
4.国内生产的应用于SCR装置的催化剂多是针对电厂脱硝的产品，还不能完全适应船舶应用的特点；
5.由于船舶航行的安全要求，SCR***还原剂不能采用电厂通用的氨还原剂，尿素溶液还原剂是船舶应用SCR的首选，但由于使用环境不同及成本因素的考虑以及全球范围内尿素溶液的供应，又不能应用车用32.5％尿素溶液，因此必须使用40％的尿素水溶液作为船用SCR还原剂；
6.国际、国内尚未颁布船用SCR***装置的检测、认证方法，只有通过首台船用SCR应用检测实践才能予以解决。
7.国内自主的船用柴油机产品，性能落后，匹配SCR***装置的减排性能与可靠性受限制。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种结构合理、工作性能好的船用选择性催化还原减排***。
本发明的技术解决方案是：
一种船用选择性催化还原减排***，其特征是：包括将还原剂与发动机烟气混合的混合器，混合器与反应器烟气进口连接；反应器包括壳体，壳体上设置烟气进口、净化气出口，壳体内设置催化剂模块；所述还原剂为尿素水溶液。
尿素水溶液中尿素的质量浓度为39.5～40.5％。
对于四冲程增压中冷、转速为600～1200r/min柴油机，其硫含量＜1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为280～420℃时，催化剂采用V2O5-TiO2，其中V2O5∶TiO2的质量比为：V2O5∶TiO2＝1∶90；对于四冲程增压中冷、转速为600～1200r/min柴油机，其硫含量＞1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为280～420℃时，催化剂采用硫化后的钴氧化物，钴氧化物中S与CoxOy的质量比S∶CoxOy＝10∶83；对于四冲程增压中冷、转速为1500～2100r/min柴油机，其硫含量＜1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为300～550℃时，催化剂采用Cu-ZSM-5，其中Cu与ZSM-5的质量比Cu∶ZSM-5＝10∶86；对于二冲程低速柴油机、转速为70-120r/min柴油机，其硫含量＜1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为200～300℃时，催化剂采用MnOx-TiO2，且质量比MnOx∶TiO2＝11∶85；对于二冲程低速柴油机、转速为70-120r/min柴油机，其硫含量＞1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为200～300℃时，催化剂采用Zr-MnOx-TiO2，且质量比Zr∶MnOx∶TiO2＝4∶10∶84。
壳体内设置多层催化剂模块，每层催化剂模块下方设置吹灰装置。
在最下方一层催化剂模块下方设置格栅层，格栅层上设置不锈钢网层。
在每层催化剂模块对应部位的壳体上设置方便催化剂模块更换的反应器门。所述混合器有蒸发段，蒸发段后设置混合段，蒸发段前设置烟气进口和还原剂喷射进口，混合段中设置扰流装置。还原剂喷射进口与还原剂喷射器连接。
本发明结构合理、工作性能好，还原剂与烟气均匀的混合气体，经过反应器内的催化剂时，烟气中的NOx被选择还原为无害的氮气N2和水H2O，实现NOx达标排放。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个实施例的结构示图。
图2是反应器的结构示图。
图3是混合器的结构示图。
具体实施方式：
一种船用选择性催化还原减排***，包括将还原剂与发动机烟气混合的混合器1，混合器与反应器2烟气进口连接；反应器包括壳体3，壳体上设置烟气进口4、净化气出口5，壳体内设置催化剂模块6；所述还原剂为尿素水溶液。尿素水溶液中尿素的质量浓度为39.5～40.5％。
对于四冲程增压中冷、转速为600～1200r/min柴油机，其硫含量＜1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为280～420℃时，催化剂采用V2O5-TiO2，其中V2O5∶TiO2的质量比为：V2O5∶TiO2＝1∶90；对于四冲程增压中冷、转速为600～1200r/min柴油机，其硫含量＞1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为280～420℃时，催化剂采用硫化后的钴氧化物，钴氧化物中S与CoxOy的质量比S∶CoxOy＝10∶83；对于四冲程增压中冷、转速为1500～2100r/min柴油机，其硫含量＜1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为300～550℃时，催化剂采用Cu-ZSM-5，其中Cu与ZSM-5的质量比Cu∶ZSM-5＝10∶86；对于二冲程低速柴油机、转速为70-120r/min柴油机，其硫含量＜1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为200～300℃时，催化剂采用MnOx-TiO2，且质量比MnOx∶TiO2＝11∶85；对于二冲程低速柴油机、转速为70-120r/min柴油机，其硫含量＞1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为200～300℃时，催化剂采用Zr-MnOx-TiO2，且质量比Zr∶MnOx∶TiO2＝4∶10∶84。
壳体内设置多层催化剂模块，每层催化剂模块下方设置吹灰装置7。电控***根据反应器控制的背压变化的增幅值或根据使用时间定时驱动烟尘压力吹扫装置。
在最下方一层催化剂模块下方设置格栅层8，格栅层上设置不锈钢网层9。
在每层催化剂模块对应部位的壳体上设置方便催化剂模块更换的反应器门10。
所述混合器1有蒸发段11，蒸发段后设置混合段12，蒸发段前设置烟气进口和还原剂喷射进口，混合段中设置扰流装置13。还原剂喷射进口与还原剂喷射器14连接。图中还有尿素柜15。
尿素水溶液技术指标
  项目   指标要求
  尿素含量(NH2-CO-NH2)，％   39.5-40.5
  密度(20℃)，(kg/m3)   1093-1107
  冰点，℃   0±1
  碱度(以NH3计)，％   ≤0.2
  缩二脲，％   ≤0.3
  甲醛(HCHO)，(mg/kg)   ≤5
  不溶物，(mg/kg)   ≤20
  磷酸盐(以PO4计)，(mg/kg)   ≤0.5
  钙(Ca)，(mg/kg)   ≤0.5
  铁(Fe)，(mg/kg)   ≤0.5
  铜(Cu)，(mg/kg)   ≤0.2
  锌(Zn)，(mg/kg)   ≤0.2
  铬(Cr)，(mg/kg)   ≤0.2
  镍(Ni)，(mg/kg)   ≤0.2
  铝(Al)，(mg/kg)   ≤0.5
  镁(Mg)，(mg/kg)   ≤0.5
  钠(Na)，(mg/kg)   ≤0.5
  钾(K)，(mg/kg)   ≤0.5
本发明性能结构参数
Figure BSA00000232929400081
本发明还可设置电控单元16、监测单元17：
电控单元16需要根据柴油机18的功率、转速、排气温度及反应器前后的氮氧化物浓度，决定尿素溶液的喷射量，即定量控制、烟尘压力吹扫和烟气中的NOx监测。
定量喷射是船用SCR控制单元中的关键技术，需要同时有2种方式控制尿素溶液的喷射量：
1)反馈控制：尿素定量依据SCR反应器后的NOx浓度；
2)前馈控制：尿素定量依据船用柴油机的转速、负荷等参数。

Claims (7)

1.一种船用选择性催化还原减排***，其特征是：包括将还原剂与发动机烟气混合的混合器，混合器与反应器烟气进口连接；反应器包括壳体，壳体上设置烟气进口、净化气出口，壳体内设置催化剂模块；所述还原剂为尿素水溶液；对于四冲程增压中冷、转速为600～1200r/min柴油机，其硫含量＜1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为280～420℃时，催化剂采用V2O5-TiO2，其中V2O5∶TiO2的质量比为：V2O5∶TiO2＝1∶90；对于四冲程增压中冷、转速为600～1200r/min柴油机，其硫含量＞1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为280～420℃时，催化剂采用硫化后的钴氧化物，钴氧化物中S与CoxOy的质量比S∶CoxOy＝10∶83；对于四冲程增压中冷、转速为1500～2100r/min柴油机，其硫含量＜1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为300～550℃时，催化剂采用Cu-ZSM-5，其中Cu与ZSM-5的质量比Cu∶ZSM-5＝10∶86；对于二冲程低速柴油机、转速为70-120r/min柴油机，其硫含量＜1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为200～300℃时，催化剂采用MnOx-TiO2，且质量比MnOx∶TiO2＝11∶85；对于二冲程低速柴油机、转速为70-120r/min柴油机，其硫含量＞1.5％的燃油产生的烟气，且烟气温度为200～300℃时，催化剂采用Zr-MnOx-TiO2，且质量比Zr∶MnOx∶TiO2＝4∶10∶84。
2.根据权利要求1所述的船用选择性催化还原减排***，其特征是：尿素水溶液中尿素的质量浓度为39.5～40.5％。
3.根据权利要求1或2所述的船用选择性催化还原减排***，其特征是：壳体内设置多层催化剂模块，每层催化剂模块下方设置吹灰装置。
4.根据权利要求3所述的船用选择性催化还原减排***，其特征是：在最下方一层催化剂模块下方设置格栅层，格栅层上设置不锈钢网层。
5.根据权利要求3所述的船用选择性催化还原减排***，其特征是：在每层催化剂模块对应部位的壳体上设置方便催化剂模块更换的反应器门。
6.根据权利要求1或2所述的船用选择性催化还原减排***，其特征是：所述混合器有蒸发段，蒸发段后设置混合段，蒸发段前设置烟气进口和还原剂喷射进口，混合段中设置扰流装置。
7.根据权利要求6所述的船用选择性催化还原减排***，其特征是：还原剂喷射进口与还原剂喷射器连接。
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Assignor: Wang Derong

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Granted publication date: 20120321

License type: Exclusive License

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