CN107269362A - 排出气体后处理***、内燃机及用于操作其的方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的排出气体后处理***(3)，即，SCR排出气体后处理***，具有SCR催化转化器(9)，具有通向SCR催化转化器(9)的排出气体供应管线(8)，且具有导引远离SCR催化转化器(9)的排出气体排放管线(11)，具有分配至排出气体供应管线(8)来用于将具体是氨或氨前体物质的还原剂引入排出气体中的引入装置(16)，且具有用于使排出气体与还原剂在SCR催化转化器(9)上游混合的在引入装置(16)下游由排出气体供应管线(8)提供的混合区段(18)，其中收纳SCR催化转化器(9)的反应器室(10)形成为至少双壁，具有第一壁(24)和定位在面对排出气流的第一壁的一侧上的第二壁(25)，以及其中形成在第一壁(24)与第二壁(25)之间的间隙(26)能够由热传递介质流过。

Description

排出气体后处理***、内燃机及用于操作其的方法
技术领域
本发明涉及内燃机的排出气体后处理***。本发明还涉及一种具有排出气体后处理***的内燃机，以及用于操作此内燃机的方法。
背景技术
在例如用于发电站中的静止内燃机中的燃烧过程期间，以及在例如用于船舶上的非静止内燃机中的燃烧过程中，产生了氮氧化物，其中这些氮氧化物通常在含硫化石燃料(诸如煤、矿煤、矿物油、重燃料油或柴油)的燃烧期间产生。出于此原因，此内燃机配备排出气体后处理***，其用于离开内燃机的排出气体的清洁，特别是脱氮。
为了减少排出气体中的氮氧化物，从实践中了解到在排出气体后处理***中主要采用所谓的SCR催化转化器。在SCR催化转化器中，氮氧化物的选择性催化还原发生，其中为了还原氮氧化物，需要氨(NH3)作为还原剂。氨或氨前体物质(诸如，例如尿素)以液体形式在SCR催化转换器上游引入到排出气体中，其中氨或氨前体物质在SCR催化转化器上游与排出气体相互混合。为此，根据实践，混合区段设在氨或氨前体物质的引入处与SCR催化转化器之间。
尽管利用从实践中获知的包括SCR催化转化器的排出气体后处理***，排出气体后处理，具体是氮氧化物还原，可能已经成功地进行，但需要进一步改进排出气体后处理***。具体而言，所需的是使具有此排出气体后处理***的紧凑设计的有效排出气体后处理和包括排出气体后处理***的内燃机的有效操作成为可能。
发明内容
从此出发，本发明基于创造出内燃机的新型排出气体后处理、具有排出气体后处理***的内燃机以及用于操作此内燃机的方法的目的。
该目的通过根据权利要求1的内燃机的排出气体后处理***来解决。根据本发明，收纳SCR催化转化器的反应器室设计为至少双壁，具有第一壁，以及定位在面对排出气流的第一壁的一侧上的第二壁，其中形成在第一壁与第二壁之间的间隙可由热传递介质流过或由热传递介质流过。排出气体后处理***的该实施例使得具有紧凑设计的有效排出气体后处理成为可能。
根据有利的进一步发展方案，一种用于热传递介质的回路包括热传递介质可经由其引入到间隙中的入口、热传递介质可经由其从间隙除去的出口、用于热传递介质的输送装置，以及用于热传递介质的温度控制装置。该进一步发展方案使得具有紧凑设计的有效排出气体后处理成为可能。
根据有利的进一步发展方案，反应器室的第一壁的厚度与反应器室第二壁的厚度之间的比合计为至少10:3，优选地至少10:2，特别优选地至少10:1。该进一步发展方案使得具有紧凑设计的有效排出气体后处理成为可能。
根据另一个有利的进一步发展方案，反应器室的第一壁与反应器室的第二壁之间的间隙的厚度合计为至少2mm，优选地至少4mm，特别优选地至少6mm。该进一步发展方案使得具有紧凑设计的有效排出气体后处理成为可能。
根据本发明的内燃机在权利要求7中限定。根据本发明的用于操作燃机的方法在权利要求9中限定。
特别优选的是，内燃机包括多级排出气体增压***，其具有包括高压涡轮的第一排出气体涡轮增压器，以及包括低压涡轮的第二排出气体涡轮增压器，其中排出气体后处理***连接在高压涡轮与低压涡轮之间。
附图说明
本发明的优选的其它发展方案从从属权利要求和以下描述获得。本发明的示例性实施例通过附图更详细阐释，而不限于此。这里附图示出：
图1是根据本发明的具有排出气体后来处理***的内燃机的示意性透视图；
图2是图1的排出气体后处理***的细节；以及
图3是图2的细节。
参考标号列表
1 内燃机
2 排出气体增压***
3 排出气体后处理***
4 排出气体涡轮增压器
5 排出气体涡轮增压器
6 高压涡轮
7 低压涡轮
8 排出气体供应管线
9 SCR催化转化器
10 反应器室
11 排出气体排放管线
12 旁路
13 关闭元件
14 排出气体路线
15 端
16 引入装置
17 喷射圆锥
18 混合区段
19 挡板元件
20 侧部
21 管线
22 侧部
23 侧部
24 第一壁
25 第二壁
26 间隙
27 回路
28 入口
29 出口
30 输送装置
31 温度控制装置
32 壁。
具体实施方式
本发明涉及内燃机的排出气体后处理***，例如，发电站中的静止内燃机，或用在船舶上的非静止内燃机，具体而言，排出气体后处理***用在以重燃料油操作的船舶上的柴油机上。此外，本发明涉及具有此排出气体后处理***的内燃机，以及用于操作内燃机的方法。图1示出了具有排出气体增压***2和排出气体后处理***3的内燃机1的布置。内燃机可为非静止或静止内燃机，具体是非静止操作的船舶的内燃机。离开内燃机1的缸的排出气体用于排出气体增压***2，以便从排出气体的热能获得机械能，来用于压缩将供应至内燃机1的填充空气。因此，图1示出了具有排出气体增压***或排出气体涡轮增压器***2的内燃机1，排出气体涡轮增压器***2包括多个排出气体涡轮增压器，即，高压侧上的第一排出气体涡轮增压器4，以及低压侧上的第二排出气体涡轮增压器5。离开内燃机1的缸的排出气体首先经由第一排出气体涡轮增压器1的高压涡轮6流动，且在其中膨胀，其中在该过程中获得的能量用于第一排出气体涡轮增压器4的高压压缩机中，以便压缩填充空气。在排出气体的流动方向上所见，第二涡轮增压器5布置在第一排出气体涡轮增压器4下游，已经流过第一排出气体涡轮增压器4的高压涡轮6的排出气体经由第二涡轮增压器5传导，即，经由第二排出气体涡轮增压器5的低压涡轮7。在第二排出气体涡轮增压器5的低压涡轮7中，排出气体进一步膨胀，且在该过程中获得的能量用于第二排出气体涡轮增压器5的低压压缩机中，以便同样压缩将供应至内燃机1的缸中的填充空气。
在单级增压发动机的情况下，在一个排出气体涡轮上游的布置是类似地适合的，以便使用存在于该处的较高压力和温度水平来有利于反应。
除包括两个排出气体涡轮增压器4和5的排出气体增压***2之外，内燃机1包括排出气体后处理***3，其例如为SCR、CH4、HCHO或氧化排出气体后处理***。排出气体后处理***3连接在第一压缩机5的高压涡轮6与第二排出气体涡轮增压器5的低压涡轮之间，使得离开第一排出气体涡轮增压器4的高压涡轮6的排出气体因此首先在其到达第二排出气体涡轮增压器5的低压涡轮7的区域之前经由排出气体后处理***3传导。
图1示出了排出气体供应管线8，经由其，从第一排出气体涡轮增压器4的高压涡轮6出发的排出气体可沿布置在反应器室10中的SCR催化转化器9的方向传导。
此外，图1示出了排出气体排放管线11，其用于沿第二排出气体涡轮增压器5的低压涡轮7的方向从SCR催化转化器9排放排出气体。
从低压涡轮7出发，排出气体经由管线21流动，具体是流入开口中。
通向反应器室10且因此通向定位在反应器室10中的SCR催化转化器9的排出气体供应管线8，以及导引远离反应器室10且因此远离SCR催化转化器9的排出气体排放管线11经由旁路12联接，关闭元件13整体结合在旁路12中。在关闭元件13闭合的情况下，旁路12闭合，使得没有排出气体可经由其流动。相比之下，具体是在关闭元件13开启时，排出气体可经由旁路12流动，即，经过反应器室10，且因此经过定位在反应器室10中的SCR催化转化器9。
图2以箭头14示出了穿过排出气体后处理***3的排出气体的流，其中旁路12经由关闭元件13闭合，其中从图2清楚的是，排出气体供应管线8以下游端15通入反应器室10中，其中排出气体供应管线8的该端15的区域中的排出气体经历大约180°的流动偏转，其中流动偏转之后的排出气体经由SCR催化转化器9传导。
排出气体后处理***3的排出气体供应管线8配备引入装置16，经由其，还原剂可引入排气流中，具体是氨或氨前体物质，需要其以便以限定方式转化SCR催化转化器9的区域中的排出气体的氮氧化物。排出气体后处理***3的该引入装置16优选为喷射喷嘴，经由其，氨或氨前体物质喷射到排出气体供应管线8内的排出气流中。图2以圆锥17示出了还原剂喷射到排出气体供应管线8的区域中的排出气流中。在排出气体的流动方向上所见的位于引入装置16下游且在SCR催化转化器上游的排出气体后处理***3的区段称为混合区段。具体而言，排出气体供应管线8在引入装置16上游提供混合区段18，其中排出气体可在SCR催化转化器9上游与还原剂混合。
排出气体供应管线8以下游端15通入反应器室10中。排出气体供应管线8的该下游端15配备有挡板元件19，其可关于排出气体供应管线8的下游端15转移。在所示示例性实施例中，挡板元件19关于通入反应器室10中的排出气体供应管线8的端15线性地转移。
挡板元件19关于排出气体供应管线8的下游端15是可转移的，以便关闭下游端15处的排出气体供应管线8或打开下游端15处的排出气体供应管线8。具体是在挡板元件19关闭下游端15处的排出气体供应管线8时，旁路12的关闭元件13优选地打开，以便然后将排出气体完全传导经过SCR催化转化器9或经过收纳SCR催化转化器9的反应器室10。
具体是在挡板元件19打开排出气体供应管线8的下游端15时，旁路12的关闭元件13可完全闭合或至少部分地打开。具体是在挡板元件19打开排出气体供应管线8的下游端15时，挡板元件19关于排出气体供应管线8的下游端15的相对位置具体取决于穿过排出气体供应管线8的排出气体质量流，和/或排出气体供应管线8中的排出气体的排出气体温度，和/或经由引入装置16引入排出气流中的还原剂的量。
具有排出气体供应管线8的闭合的下游端15的挡板元件19的另一个功能在于存在于排出气流中的液体还原剂的任何微滴都到达挡板元件19，在该处，它们被截住且雾化，以便避免液体还原剂的此微滴到达SCR催化转化器9的区域。通过挡板元件19关于具有打开的下游端15的排出气体供应管线8的下游端15的位置，具体也可确定在挡板元件19的区域中的排出气体供应管线8的下游端15的区域中偏转的排出气体是沿位于径向内侧的区段的方向上传导或操纵更强，或是沿位于径向外侧的SCR催化转化器9的区段的方向上传导或操纵更强。
根据优选实施例，在下游端15的区域中的排出气体供应管线8是扩张的漏斗状物体来形成扩散器。由于此，在下游端15的区域中的排出气体供应管线8的流动截面增大，其中如具体从图2中清楚那样，可提供的是，在排出气体的流动方向上所见，在排出气体供应管线8的下游端15上游，排出气体供应管线8的流动截面开始减小。因此，图2示出了排出气体的流动方向所见的在引入装置16下游用于还原剂的排出气体供应管线8的流动截面最初是大致恒定的，但然后开始逐渐成锥形，且最终在下游端15的区域中扩张。在此情况下，排出气体供应管线8的下游端15处的流动截面的这样扩张优选经由比排出气体供应管线8最初经由其在下游端15的上游成锥形的区段更短的排出气体供应管线8的区段来实现。
挡板元件19优选在经历形成用于排出气体的流动引导件的面对排出气体供应管线8的一侧20上成钟状弯曲。因此，从图3清楚的是，在挡板元件19的径向内区段处的面对排出气体供应管线8的下游端15的挡板元件19的一侧20具有比其径向外区段上更短的到排出气体供应管线8的下游端15的距离。挡板元件19在排出气体供应管线8的下游端15的方向上相对于侧20的中心中的排出气体的流动方向拉进或弯曲。
如具体从图2清楚那样，排出气体供应管线8和排出气体排放管线11连接在反应器室10的公共第一侧22上，或者通入或延伸入从该公共侧22出发的反应器室10中。
这里，排出气体供应管线8以一种方式延伸到反应器室10中，使得排出气体供应管线8的下游端15定位在反应器室10的第二侧23附近，反应器室10的第二侧23位于与反应器室10的第一侧22的对面，而排出气体排放管线11通入第一侧22上的反应器室10中。因此，经由排出气体供应管线8供应的排出气体在位于与排出气体供应管线8的下游端15相对的反应器室10的第二侧23的区域中偏转大约180°，然后经由SCR催化转化器9流动，在此之后经由第一侧22流入排出气体排放管线11的区域中。从图2清楚的是，这里在反应器室10的一侧22附近的排出气体排放管线11优选同心地包绕外侧上的某些区段中的排出气体供应管线8。
为了使得特别有效的排出气体后处理和包括排出气体后处理***3的内燃机1的特别有效的操作成为可能，至少收纳SCR催化转化器9的反应器室10形成为双壁的，即，至少在布置于两侧22,23之间的反应器室10的壁32的区域中的某些区段中。
由于此，确保了排出气体的热能保持在排出气体中，且不会过量地发散至反应器室10的壁。高排出气体温度一方面对于SCR催化转化器9的区域中的有效排出气体后处理，另一方面对于位于排出气体后处理装置3下游的排出气体涡轮增压器的有效操作都是有利的。
有可能的是，排出气体供应管线8和/或排出气体排放管线11也形成为至少双壁的。
SCR催化转化器9的区域中的高排出气体温度是有利的，以便避免还原剂的非期望的二次反应，特别是硫酸氨和/或重硫酸氨的形成。在过低的排出气体温度下可产生的这些非期望的副产物可破坏SCR催化转化器9，且因此削弱排出气体后处理的有效性。
此外，如已经阐释那样，排出气体后处理装置3的高排出气体温度是有利的，以便有效地操作流动中看到的定位在排出气体后处理装置3下游的排出气体涡轮增压器，特别是其低压涡轮。
收纳SCR催化转化器9的反应器室10包括至少在壁32的区域中的第一壁24，以及在面对排出气流(未示出)的第一壁24的一侧上的第二壁25。在收纳SCR催化转化器9的反应器室10的第一壁24与第二壁25之间形成间隙26，其由热传递介质流过或可由热传递介质流过。
反应器室10的第一壁24以一种方式设计成使得其具有一定厚度，该厚度以一种方式设计成最大压力，使得第一壁经历最大压力。最大压力达到4bar。
第二壁25具有小于第一壁24的厚度的厚度。第一壁的厚度在图3中以d1标记，且第二壁25的厚度以d2标记，其中形成在第一壁与第二壁25之间的间隙26的大小以l12标记。
根据另一个有利发展方案，反应器室10的第一壁24的厚度d1与反应器室10的第二壁25的厚度d2之间的比合计为至少10:3，优选地至少10:2，特别优选地至少10:1。
反应器室10的第一壁24与反应器室10的第二壁25之间的空隙l12的大小合计至少2mm，优选地至少4mm，特别优选地至少6mm。
反应器室10的第一壁24的质量和热容的积优选大于反应器室10的第二壁27的质量和热容的对应的积。
反应器室10的第一壁24和反应器室10的第二壁25可都由金属材料(例如，由钢)制成。其中第一壁24由金属材料制成且第二壁25由陶瓷材料制成的构造是优选的。同样可能的是，第一壁24和第二壁25各自由金属材料制成，其中在面对排出气流的一侧上的第二壁25然后可优选具有陶瓷涂层。
按照本发明，在反应器室10的第一壁24与反应器室10的第二壁25之间形成的间隙26由热传递介质流过或可由热传递介质流过。由于此，故反应器室10可达到限定温度，以便确保最佳排出气体后处理，具体而言，其中SCR催化转化器9在最佳操作温度下连续地操作。
因此，排出气体后处理***3包括用于热传递介质的回路27，其中在用于热传递介质的各种情况中，回路27包括热传递介质可经由其引入间隙26中的入口28、热传递介质可经由其从间隙26除去的出口29、输送装置30，以及温度控制装置31。
通过入口28，达到在温度控制装置31中限定的设置点温度的热传递介质因此可引入形成在反应器室10的壁24与壁25之间的间隙26中，使得热传递介质可流过间隙26，且因此具体经由壁25温度控制反应器室10。已流过间隙26的热传递介质可借助于输送装置30经由出口29从间隙26取得，且随后又经由温度控制装置31输送，以便按照闭合回路传导热传递介质。
热传递介质可为气体，具体是空气或流体，例如，如水。如已经阐释那样，通过热传递介质，反应器室10可达到限定的温度，以便使得以定位在反应器室10中的SCR催化转化器9的区域中的最佳操作温度的最佳排出气体后处理成为可能。
热传递介质不与排出气体接触。输送装置30和温度控制装置31因此不与腐蚀性气体接触。输送装置30具体是泵或风机。温度控制装置31优选换热器或另一加热装置。
本发明还涉及用于操作具有此排出气体后处理***3的内燃机的方法。就根据本发明的方法而言，提供了取决于内燃机1的操作情形，反应器室10经由流过反应器室10的第一壁24与第二壁25之间的间隙26的热传递介质自动地控制温度。
就此而论，例如，有可能的是，具体在内燃机在冷启动操作模式中操作时，反应器室10在内燃机的实际启动之前经由流过间隙26的热传递介质加热至设置点温度。
同样可能的是借助于温度传感器检测反应器室10内的温度，且具体是在反应器室10内的温度低于极限值时，以经由流过间隙26的热传递介质将反应器室10加热至设置点温度。
如上文已经阐释那样，不但反应器室10可体现为双壁的，而且排出气体后处理***3的排出气体供应管线8和/或排出气体排放管线11也是。
即使在排出气体供应管线8和/或排出气体排放管线11的区域中，间隙也可形成在对应的壁之间，热传递介质可穿过其以上文所述的方式传导，以便影响排出气体供应管线8和/或排出气体排放管线11中的排出气体后处理温度。旁路12同样可体现为双壁的。
就图1的内燃机1而言，排出气体后处理***3定位成竖立在排出气体增压***2上方。至内燃机1的缸的通路是开放的，但排出气体涡轮增压器4和5的可及性是有限的。然而，反应器室10可在排出气体涡轮增压器4,5上需要维护操作时简单地拆卸。
相比于图1中所示的排出气体增压***2上方的排出气体后处理***3的布置，倾斜90°的在排出气体增压***2旁边的排出气体后处理***3的水平布置也是可能的，然而其中在此水平布置中，布置的长度增大。然而，内燃机1和排出气体增压***2然后可用，而无对于不需要拆卸反应器室10的维护操作的限制。
本发明的示例性实施例优选针对SCR技术，但本发明不限于此，而是还可具体用于燃气轮机或结合CH4和HCHO氧化催化转化器。在单级增压发动机的情况中，有利的是将排出气体后处理***布置在涡轮上游。

Claims (12)

1.一种内燃机的排出气体后处理***(3)，例如，SCR排出气体后处理***，具有催化转化器(9)，具有通向所述催化转化器(9)的排出气体供应管线(8)，且具有导引远离所述催化转化器(9)的排出气体排放管线(11)，其特征在于，收纳所述催化转化器(9)的反应器室(10)形成为至少双壁，具有第一壁(24)和定位在面对排出气流的所述第一壁的一侧上的第二壁(25)，以及在于间隙(26)，其形成在所述第一壁(24)与所述第二壁(25)之间，能够由热传递介质流过。
2.根据权利要求1所述的排出气体后处理***，其特征在于，用于所述热传递介质的回路(27)包括所述热传递介质能够经由其引入到所述间隙(26)中的入口(28)、所述热传递介质能够经由其从所述间隙(26)除去的出口(29)、用于所述热传递介质的输送装置(30)，以及用于所述热传递介质的温度控制装置(31)。
3.根据权利要求1或2所述的排出气体后处理***，其特征在于，所述反应器室(10)的所述第一壁(24)与所述反应器室(10)的所述第二壁(25)相比具有更大的厚度。
4.根据权利要求3所述的排出气体后处理***，其特征在于，所述反应器室(10)的所述第一壁(24)的厚度与所述反应器室(10)的所述第二壁(25)的厚度之间的比合计为至少10:3，优选地至少10:2，特别优选地至少10:1。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的排出气体后处理***，其特征在于，所述第一壁的质量和热容的积大于所述第二壁的对应的积。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的排出气体后处理***，其特征在于，所述反应器室(10)的所述第一壁(24)与所述反应器室(10)的所述第二壁(25)之间的所述间隙(26)的厚度合计为至少2mm，优选地至少4mm，特别优选地至少6mm。
7.一种内燃机(1)，具体是以柴油燃料或以重燃料油燃料操作的内燃机，具有根据权利要求1至6中的任一项所述的排出气体后处理***(3)。
8.根据权利要求7所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机是排出气体增压的，且所述反应器室布置在至少一个排出气体涡轮增压器上游。
9.根据权利要求7或8所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机包括多级排出气体增压***(2)，其具有包括高压涡轮(6)的第一排出气体涡轮增压器(4)，以及包括低压涡轮(7)的第二排出气体涡轮增压器(5)，其中所述排出气体后处理***(3)连接在所述高压涡轮(6)与所述低压涡轮(7)之间。
10.一种用于操作根据权利要求7至9所述的内燃机的方法，其特征在于，取决于所述内燃机(1)的操作情形，所述反应器室(10)是经由流过在所述第一壁(24)与所述第二壁(25)之间的所述间隙(26)的所述热传递介质温度控制的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，具体在所述反应器室(10)的温度低于极限值时，所述反应器室(10)经由流过所述间隙(26)的所述热传递介质加热至设置点温度。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，具体在所述内燃机在冷启动操作模式中操作时，所述反应器室(10)经由流过所述间隙(26)的所述热传递介质加热至设置点温度。
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