废气脱硝系统及具备该系统的船舶以及废气脱硝系统的控制方法技术方案

本发明专利技术目的在于防止尿素水喷射喷嘴或排气管的闭塞且避免废气脱硝催化剂的中毒。具备：由船舶用柴油发动机(3)的废气来驱动的排气涡轮增压器(5)；由尿素水生成氨的反应器(2)；向反应器(2)内供给尿素水的尿素水喷射喷嘴(32)；设置在排气涡轮增压器(5)的下游侧的废气通路上，并使用由反应器(2)供给的氨来进行废气脱硝的SCR催化剂部(4)；将抽取从柴油发动机(3)向排气涡轮增压器(5)供给的废气的一部分而得到的废气导向反应器(2)的废气旁通路径(B1)；对反应器(2)内的废气进行加热的燃烧器(50)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在以具备排气涡轮增压器的船舶用2冲程柴油发动机为首的废气温度低的柴油发动机中也可以使用的废气脱硝系统及具备该系统的船舶以及废气脱硝系统的控制方法。
技术介绍
为了将从柴油发动机等内燃机排出的废气中的氮氧化物(NOx)除去，在机动车或陆地发电设备等中多使用脱硝装置，而该脱硝装置使用了选择接触还原法(SCR；Selective Catalytic Reduction)。作为此种脱硝装置的还原剂，使用氨气、氨水或尿素水。可是，氨有刺激性臭味，除了含有量10％以下的氨水之外被当作有害物质，因此在将市面上游通的含有量25～30％的氨水作为还原剂时，要求泄漏检测传感器、双重配管、换气装置这样的特别的设备。相对于此，尿素水不像氨那样具有刺激性臭味而不会被当作有害物质，因此不需要附加的设备，在该点上，比氨容易处理。从船舶用柴油发动机排出的氮氧化物在局部海域中受到严格限制的国际上的方向性确定的状况下，从以船员的健康和安全为最优先的立场出发，迫切希望作为机动车用柴油发动机的脱硝装置的还原剂而使用商品化的含有量32.5％尿素水的脱硝装置。在下述的专利文献1～4中公开有一种使用尿素水作为机动车用柴油发动机的脱硝装置的还原剂的技术。【现有技术文献】【专利文献】【专利文献1】日本特开2002-371831号公报【专利文献2】日本特开2007-218146号公报【专利文献3】日本特开2004-44405号公报【专利文献4】日本特开平5-285343号公报在专利文献1及2中，以机动车用柴油发动机为对象。机动车用柴油发动机为4冲程，通常排气温度最高为约450℃左右，因此能够充分地期待从尿素水向氨的改性。因此，在专利文献1及2中，采用向沸石等金属系脱硝催化剂跟前的排气管喷射尿素水的结构。然而，作为船舶推进用的主机(船舶用主机)，多采用具备排气涡轮增压器的船舶用柴油发动机。与机动车用柴油发动机不同，在此种结构的船舶用主机中，例如为2冲程柴油发动机时，单体热效率优异，因此通过排气涡轮增压器后的废气温度最高也不过降低至约250℃左右。脱硝催化剂采用250～420℃、优选320～400℃的温度域内显示出高活性的钛·钒系，需要用于从尿素水向氨改性的时间·助起动距离，尿素水喷射喷嘴成为尽可能向催化剂的排气上游分离配置的结构。在废气温度低时，在从尿素水向氨的改性过程中，产生双缩脲、氰尿酸等多种固态副生成物。这些固态副生成物被认为在从尿素开始分解的温度水平(约133℃)到氰尿酸开始分解的温度水平(320～360℃)的范围内生成。根据专利文献3，对于脱硝催化剂，如下记载有将尿素水向排气管直接喷雾时的现象。“从喷嘴滴下的尿素水在滴下时，由于在管内流通的废气的热量而蒸发，从而在管内生成氨气。并且，由于氨而氮氧化物被还原，从而在脱硝装置中将氮氧化物脱硝。尿素水在废气的流速和管内的温度适当的情况下，能够使尿素水在管的内部充分地蒸发扩散。相反地，在燃烧装置的燃烧减弱的状态下，废气的流速小而温度下降，因此未适当地进行尿素水的蒸发，而尿素水从喷嘴滴下。”“在尿素水从喷嘴滴下时，尿素水在喷嘴的前端部发生固化，喷嘴有时会被闭塞。而且，当管内的温度下降时，尿素因聚合反应而生成氰尿酸等副生物。当氰尿酸生成而附着于管的内周壁时，作为氮氧化物的还原剂的氨的生成量减少，处于下游侧的脱硝装置的脱硝性能下降。即，当尿素水的滴下量增多而尿素水积存在管的下游(底壁部)时，管的周壁与外部气体相接，因此与管的内部存在温度差，向管的底壁部滴下的尿素水将管的内周面冷却而生成氰尿酸。”在频繁的负载变动中航行的船舶中，难以维持理想的废气温度·催化剂温度。将尿素水向排气管直接喷射的话，无法避免固态副生成物的生成，而难以在每当船舶停泊时将排气管打开来进行保养，因此避免固态副生成物的向排气管的堆积成为课题。而且，这些固态副生成物因保养不完全而放任不管时，随着时间的经过而固态副生成物成长，可能会闭塞排气管。另一方面，废气脱硝所需的钛·钒系脱硝催化剂如上所述在废气温度为320～400℃的温度域中显示出高活性，但废气温度小于320℃的话，由于废气中的硫氧化物(SOx)和由氨生成的重硫酸铵(酸性硫酸铵)而脱硝催化剂发生中毒，在250℃水平下，脱硝装置的性能劣化十分明显。为了避免该问题，首先考虑了在船舶用2冲程柴油发动机中也能够期待400℃水平的废气温度的增压器上游侧配置脱硝装置的情况。可是，由于脱硝装置的热容量大，因此增压器的响应性下降，在起动/停止时或负载变动时，排气涡轮增压器未追随，而扫排气系统产生波动，发动机性能受到显著的影响，其结果是，可能会给船舶的安全航行带来障碍。而且，作为钛·钒系脱硝催化剂的使用温度域，通常400℃水平的废气温度为上限值，在这以上的温度域中继续使用时，因催化剂的结块(烧结)而失去活性，催化剂寿命可能会下降。由于上述理由，在增压器上游侧配置脱硝装置的系统无法实用化。在专利文献4中，关于在柴油发动机尤其是船舶用2冲程柴油发动机的排气涡轮增压器下游配置且以氨为还原剂的脱硝装置，提出了如下的方案：若是在低温下短时间使用的脱硝催化剂，则具有只要再次升温就能够通过酸性硫酸铵从脱硝催化剂的活性下降的状态再生为原来的活性状态的特性，为了将这种特性实用化为脱硝装置，而将收纳催化剂的脱硝装置主体分割成多条流路，在各流路且在入口部设置风挡，而且在各流路入口风挡的内侧且在催化剂上游侧设置升温·再生用的高温气体注入喷嘴，该高温气体由柴油发动机的排气涡轮增压器的上游侧的排气管抽气来使用。然而，如上所述，以氨为还原剂的船舶用废气脱硝装置在安全性方面并未作要求，因此专利文献4的提案不充分。在从船舶用柴油发动机排出的氮氧化物在局部海域中严格受限制的国际上的方向性确定的状况下，在这种海域中，将使用燃料从以往的硫成分4.5％以下的残渣油这一规定取代为硫成分0.1％以下的馏出油这一规定，从而产生了将NOx限制值从现行削减80％这样的动机。为了提供在废气温度低的柴油发动机中也能够使用的船舶用废气脱硝装置，而在排气涡轮增压器的下游配置脱硝装置，即使在废气温度为250℃左右的低温下也能避免酸性硫酸铵引起的脱硝催化剂的中毒的课题、以及使用含有量32.5％尿素水作为还原剂的课题这两个课题迫切需要解决。前者的课题通过使用硫成分0.1％以下的馏出油而找到了解决的头绪，但后者的课题还残留。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.01.15 JP 2010-0068301.一种废气脱硝系统，其具备：
由船舶用柴油发动机的废气来驱动的排气涡轮增压器；
由尿素水生成氨的反应器；
向该反应器内供给尿素水的尿素水喷射喷嘴；
设置在所述排气涡轮增压器的下游侧的废气通路上，并使用由所述反
应器供给的氨来进行废气脱硝的脱硝催化剂部；
将抽取从所述船舶用柴油发动机向所述排气涡轮增压器供给的废气
的一部分而得到的废气导向所述反应器的废气旁通路径；
对通过该废气旁通路径而被导向所述反应器的废气或所述反应器内
的废气进行加热的反应器用废气加热机构。
2.根据权利要求1所述的废气脱硝系统，其中，
所述反应器用废气加热机构在所述反应器内的温度为规定值以下时
起动，在超过所述规定值时停止。
3.一种废气脱硝系统，其具备：
由船舶用柴油发动机的废气来驱动的排气涡轮增压器；
由尿素水生成氨的反应器；
向该反应器内供给尿素水的尿素水喷射喷嘴；
设置在所述排气涡轮增压器的下游侧的废气通路上，并使用由所述反
应器供给的氨来进行废气脱硝的脱硝催化剂部；
将抽取从所述船舶用柴油发动机向所述排气涡轮增压器供给的废气
的一部分而得到的废气导向所述反应器的废气旁通路径；
根据向该废气旁通路径流动的废气量，来控制所述船舶用柴油发动机
的扫气压力的扫气压力控制机构。
4.根据权利要求3所述的废气脱硝系统，其中，
所述排气涡轮增压器为容量可变，
所述扫气压力控制机构通过控制所述排气涡轮增压器的容量来控制
扫气压力。
5.根据权利要求3所述的废气脱硝系统，其中，
所述排气涡轮增压器是具备发电电动机的混合动力排气涡轮增压器，
该发电电动机利用排气涡轮轴的旋转力来发电，并对该排气涡轮轴的旋转
进行施力，
所述扫气压力控制机构通过控制所述发电电动机的发电量来控制扫
气压力。
6.根据权利要求3所述的废气脱硝系统，其中，
设有使来自所述船舶用柴油发动机的废气绕过所述排气涡轮增压器
而流动的增压器旁通路径，
所述扫气压力控制机构通过调整在所述增压器旁通路径中流动的废
气量来控制扫气压力。
7.一种废气脱硝系统，其具备：
由船舶用柴油发动机的废气来驱动的排气涡轮增压器；
由尿素水生成氨的反应器；
向该反应器内供给尿素水的尿素水喷射喷嘴；
设置在所述排气涡轮增压器的下游侧的废气通路上，并使用由所述反
应器供给的氨来进行废气脱硝的脱硝催化剂部；
将抽取从所述船舶用柴油发动机向所述排气涡轮增压器供给的废气
的一部分而得到的废气导向所述反应器的废气旁通路径，
所述排气涡轮增压器是具备发电电动机的混合动力排气涡轮增压器，
该发电电动机利用排气涡轮轴的旋转力来发电，并对该排气涡轮轴的旋转
进行施力，
所述废气脱硝系统还具备对向所述混合动力排气涡轮增压器流动的
废气进行加热的燃烧器。
8.一种废气脱硝系统，其具备：
由船舶用柴油发动机的废气来驱动的排气涡轮增压器；
由尿素水生成氨的反应器；
向该反应器内供给尿素水的尿素水喷射喷嘴；
设置在所述排气涡轮增压器的下游侧的废气通路上，并使用由所述反
应器供给的氨来进行废气脱硝的脱...

【专利技术属性】
技术研发人员：村田聪，云石隆司，樋口纯，
申请(专利权)人：三菱重工业株式会社，
类型：发明
国别省市：