專利名稱：廢氣脫硝方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脫硝方法，該方法通過加作為還原劑的氨到廢氣中從而將內(nèi)燃機(jī)廢氣中的氮氧化物除去。本發(fā)明也涉及用于實施該脫硝方法的裝置。更具體地講，本發(fā)明涉及脫硝方法，其中按廢氣中氮氧化物濃度確定的氨量加到廢氣中，也涉及用于這樣脫硝方法的裝置。該方法和裝置適合對柴油機(jī)廢氣的脫硝。
內(nèi)燃機(jī)的廢氣含氮氧化物。如果將廢氣像目前這樣排放到大氣中，大氣將被污染。因此，必須處理廢氣以除去其中氮氧化物。處理廢氣典型的方法是將氨加到廢氣中使其與廢氣反應(yīng)，借此將氮氧化物還原成氮。這種處理所需氨量與氮氧化物是化學(xué)計量的量。因為氨本身是有害物質(zhì)，通常的做法是控制氨的進(jìn)料不過量。
到目前為止，在廢氣脫硝裝置氨注入的控制是通過這樣的方法即根據(jù)從啟動-停止信號發(fā)生器收到的發(fā)動機(jī)啟動和停止信號，開啟和關(guān)閉氨注射閥，或這樣的方法即當(dāng)脫硝反應(yīng)器內(nèi)的廢氣溫度變得最適合脫硝反應(yīng)時打開閥來進(jìn)行的。
然而，因為基于上述條件不可能根據(jù)產(chǎn)生的氮氧化物的量通過簡單打開和關(guān)閉閥來精確地控制氨進(jìn)料速率，所以不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，且會有未反應(yīng)氨的排出增加的危險。
在這些情況下，發(fā)明了一種方法，其中按產(chǎn)生的氮氧化物的量控制氨進(jìn)料速率。但該方法為計算最佳氨進(jìn)料速率，必須不停地測量氮氧化物濃度，廢氣量等，因此要求維持如NOx測量設(shè)備的調(diào)節(jié)和氣體試樣管線的清洗，結(jié)果導(dǎo)致施行成本上升。
作為其它控制方法，在此以前有一種方法，其中氨進(jìn)料速率是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)載荷而控制的，和一種裝置其中定序器必須根據(jù)發(fā)動機(jī)載荷提前得知必需的氨進(jìn)料速率，以便有效地進(jìn)行氨進(jìn)料控制。它公開在日本專利申請(公開)第2-223623號中。但由于氮氧化物產(chǎn)生的原因復(fù)雜，這些傳統(tǒng)的方法不能適當(dāng)?shù)乜刂瓢钡倪M(jìn)料，使其與所產(chǎn)生的氮氧化物量令人滿意地匹配。
因此，希望開發(fā)一種能適當(dāng)控制氨進(jìn)料速率的方法，所述的控制是通過找出一些與內(nèi)燃機(jī)廢氣中氮氧化物量密切相關(guān)且最容易測量的因素而實現(xiàn)的。
本發(fā)明的目的是克服先有技術(shù)方法中氨進(jìn)料不能適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行控制這一缺點，并提供一種脫硝方法，該方法通過使用最容易測量且與廢氣中氮氧化物量最相關(guān)的因素能適當(dāng)?shù)乜刂瓢钡倪M(jìn)料。
為解決上述問題，本發(fā)明人利用廢氣脫硝設(shè)備研究了各種因素與廢氣中氮氧化物濃度之間的關(guān)系，其中作為氮氧化物還原劑的氨的進(jìn)料設(shè)備安裝在內(nèi)燃機(jī)廢氣管中。
本發(fā)明人研究了在發(fā)動機(jī)載荷及空氣進(jìn)口溫度不變的條件下氮氧化物濃度與用于內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣進(jìn)口的絕對濕度(它可被認(rèn)為是影響氮氧化物濃度的參數(shù)之一)之間的關(guān)系。結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)絕對濕度與氮氧化物濃度密切相關(guān)，因此可將氮氧化物濃度表示為空氣進(jìn)口絕對濕度的線性函數(shù)(如圖2所示)。這樣，因為當(dāng)廢氣的量一定時，氮氧化物量與氮化物濃度成正比，所以氮氧化物的量也與空氣進(jìn)口絕對濕度成正比。本發(fā)明人也研究了在發(fā)動機(jī)載荷及空氣進(jìn)口絕對濕度不變的條件下氮氧化物濃度與空氣進(jìn)口溫度(它與空氣進(jìn)口絕對濕度一樣被認(rèn)為是影響氮氧化物濃度的參數(shù)之一)之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)空氣進(jìn)口溫度與氮氧化物濃度密切相關(guān)，因此有可能將氮氧化物濃度表示為空氣進(jìn)口溫度的線性函數(shù)(如圖3)。
基于上述發(fā)現(xiàn)而完成的本發(fā)明包括下列手段(1)廢氣脫硝方法其中在排廢氣到外部的廢氣管中部向內(nèi)燃機(jī)的廢氣中加入作為氮氧化物還原劑的氨，加有氨的廢氣經(jīng)過除氮氧化物催化劑以與其反應(yīng)，該方法包括利用用于內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣進(jìn)口的絕對濕度作為變量之一來控制力到廢氣中的氨進(jìn)料速率。
(2)在(1)中所述的廢氣脫硝方法，其中加到廢氣中氨的進(jìn)料速率進(jìn)一步利用用于內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣進(jìn)口溫度作為一個變量來控制。
(3)廢氣脫硝方法，其中在排廢氣到外部的廢氣管中部向內(nèi)燃機(jī)廢氣中加入作為氮氧化物還原劑的氨，所述的加有氨的廢氣經(jīng)過除去氮氧化物催化劑以與其反應(yīng)，所述方法包括利用用于所述內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣進(jìn)口溫度作為變量之一來控制加到所述廢氣中氨的進(jìn)料速率。
(4)廢氣脫硝裝置，它包括作為氮氧化物還原劑的氨的進(jìn)料設(shè)備，該設(shè)備安裝在排內(nèi)燃機(jī)廢氣到外部的廢氣管中部，和包括除去氮氧化物的催化劑的反應(yīng)器，該反應(yīng)器安裝在氨進(jìn)料設(shè)備下游，該裝置包括測量用于內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣進(jìn)口絕對濕度的設(shè)備；和根據(jù)測量設(shè)備的信號控制氨進(jìn)料設(shè)備中氨進(jìn)料速率的設(shè)備。
(5)在(4)中所述的廢氣脫硝裝置，該裝置還包括測量用于內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣進(jìn)口溫度的設(shè)備；和根據(jù)濕度測量設(shè)備及溫度測量設(shè)備的信號控制氨進(jìn)料設(shè)備中氨進(jìn)料速率的設(shè)備。
(6)廢氣脫硝裝置，它包括作為氨氧化物還原劑的氨進(jìn)料設(shè)備，該設(shè)備安裝在排內(nèi)燃機(jī)廢氣到外部的廢氣管中，和含有氮氧化物催化劑的反應(yīng)器，該反應(yīng)器安裝在氨進(jìn)料設(shè)備下游，該裝置包括測量用于內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣進(jìn)口溫度的設(shè)備；和根據(jù)該測量設(shè)備的信號在氨進(jìn)料設(shè)備中控制氨進(jìn)料速率的設(shè)備。
在本發(fā)明中，通過使用常用的絕對濕度或溫度測量設(shè)備極容易測量用于燃燒的空氣進(jìn)口絕對濕度或溫度。因為測量物是空氣，絕對濕度或溫度的測量設(shè)備不可能被污染。另外，因為空氣進(jìn)口的絕對濕度或溫度與內(nèi)燃機(jī)周圍的空氣相同，測量不需要在控制進(jìn)口管中進(jìn)行，而可在內(nèi)燃機(jī)附近或進(jìn)口管進(jìn)口部分附近的適當(dāng)位置進(jìn)行。
在氨進(jìn)料設(shè)備中氨進(jìn)料速率根據(jù)空氣進(jìn)口絕對濕度和／或溫度的測量值變化。如果氨進(jìn)料速率按絕對濕度測量值變化，它按圖2所示的相互關(guān)系變化。在實際實施中，空氣進(jìn)口絕對濕度是用裝有濕度檢測器的絕對濕度測量設(shè)備測量的，例如，絕對濕度測量設(shè)備的信號被送到裝有計算單元的控制設(shè)備以控制流量控制閥的打開程度，借此控制氨進(jìn)料速率。
在上述的對與內(nèi)燃機(jī)廢氣中氮氧化物濃度有關(guān)的各種因素的研究中，表明隨發(fā)動機(jī)載荷的增加，因為廢氣量增加，所以氮氧化物量即氮氧化物濃度與廢氣量的乘積也增加。因此，內(nèi)燃機(jī)載荷與氮氧化物量有比較高的關(guān)聯(lián)性(如圖4所示)，但這種關(guān)聯(lián)性仍很離散。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)將氮氧化物量表示為內(nèi)燃機(jī)的每個載荷和如上述的用于燃燒的控制的進(jìn)口絕對濕度的線性函數(shù)時，該關(guān)聯(lián)式有很高的精度，即脫硝所需氨量能夠按內(nèi)燃機(jī)載荷和燃燒用空氣的進(jìn)口絕對濕度的線性函數(shù)來控制。按照該方法，因為對影響氮氧化物濃度的用于燃燒的空氣的進(jìn)口濕度的變化也進(jìn)行跟蹤，所以與根據(jù)單一的內(nèi)燃機(jī)載荷來進(jìn)行控制的情況相比有可能實現(xiàn)更準(zhǔn)確的氨進(jìn)料速率控制。
此外，如圖3所示，因為內(nèi)燃機(jī)廢氣中氮氧化物濃度與用于燃燒的空氣進(jìn)口溫度呈線性關(guān)系，氮氧化物量能表示為內(nèi)燃機(jī)載荷和如上所述燃燒用空氣的進(jìn)口溫度的函數(shù)。因此，脫硝所需氨的量能按內(nèi)燃機(jī)載荷和燃燒用空氣的進(jìn)口溫度的線性函數(shù)來控制。借助該方法，因為對燃燒用空氣的進(jìn)口溫度的變化也進(jìn)行跟蹤，所以與根據(jù)單一的發(fā)動機(jī)載荷進(jìn)行控制的情況相比有可能實現(xiàn)更準(zhǔn)確的氨進(jìn)料速率控制。
如果利用燃燒用空氣的進(jìn)口絕對濕度和溫度(這兩者能用作氨進(jìn)料速率控制因素)進(jìn)行控制，有可能實現(xiàn)更準(zhǔn)確的控制。在該控制方法中，內(nèi)燃機(jī)載荷也被用作控制因素。
在基于上述手段的脫硝方法和設(shè)備中，不需要昂貴的且要求經(jīng)常維修的NOx測量設(shè)備，脫硝能僅利用測量溫度和／或濕度的設(shè)備來進(jìn)行。另外，因為這些測量設(shè)備的檢測器不需要安裝在廢氣中，因而沒有測量設(shè)備被污染的危險。
至于為實施本發(fā)明脫硝方法和裝置所需的脫硝反應(yīng)器，用于其中的催化劑，測量設(shè)備，控制設(shè)備等，已知的都可使用。脫硝裝置的具體例子將在實施方案的描述中解釋。本發(fā)明適宜處理內(nèi)燃機(jī)廢氣如大尺寸的內(nèi)燃機(jī)，其中的廢氣通過加氨進(jìn)行脫硝。
如上所述，用于內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣的進(jìn)口絕對濕度和溫度與內(nèi)燃機(jī)廢氣中氮氧化物濃度有很高的關(guān)聯(lián)性且與氮氧化物呈線性關(guān)系。因此，氨的進(jìn)料速率能利用這些因素來控制。
本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將從下述結(jié)合附圖的描述中會變得更清楚，其中優(yōu)選的實施方案是通過說明性實例給出的。


圖1示出了本發(fā)明一個優(yōu)選實施方案的廢氣脫硝裝置示意圖。
圖2示出了廢氣中氮氧化物濃度與燃燒用空氣的進(jìn)口絕對濕度之間關(guān)系的圖。
圖3示出了廢氣中氮氧化物濃度與燃燒用空氣的進(jìn)口溫度之間聯(lián)系的圖。
圖4示出了內(nèi)燃機(jī)廢氣中氮氧化物的量與該內(nèi)燃機(jī)上的載荷之間的關(guān)系圖。
圖5是氮氧化物還原標(biāo)的值和測量之間差值的分布圖，測量中氨進(jìn)料速率是根據(jù)載荷和空氣進(jìn)口絕對濕度兩者來控制的，和圖6是氮氧化物還原標(biāo)的值和測量值之差的分布圖，測量中氨進(jìn)料速率根據(jù)單一的載荷來控制。
下面借助一個實施方案更具體地描述本發(fā)明。但本發(fā)明不受該實施方案的限制。
柴油機(jī)廢氣的脫硝是借圖1所示的脫硝設(shè)備進(jìn)行的。參照圖1，柴油機(jī)1用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)11。柴油機(jī)1的廢氣與來自安裝在廢氣管9中的氨注射器8的氨混合。所得混合物進(jìn)到脫硝塔2，在此廢氣通過置于其中的催化劑的作用而脫硝。然后脫硝的廢氣經(jīng)廢氣排管10排到外界大氣中。氨(由氨儲存鋼瓶3經(jīng)流量控制閥7供應(yīng)并由氨注射器8注射)的進(jìn)料速率在氨進(jìn)料速率計算單元5中按來自柴油機(jī)1的經(jīng)載荷信號線6送來的信號和來自絕對濕度測量設(shè)備13的經(jīng)空氣進(jìn)口絕對濕度信號線14送來的信號的線性函數(shù)來計算。氨進(jìn)料速率可例如基于下列方程計算Y≈aX1+bX2+c…………(1)其中Y氨進(jìn)料速率X1發(fā)動機(jī)載荷X2絕對濕度a，b，c系數(shù)氨進(jìn)料速率計算單元5輸送信號到流量控制閥控制器4，使流量控制閥7有相應(yīng)氨進(jìn)料速率要求的開度。絕對濕度測量設(shè)備13有一個安裝在靠近柴油機(jī)1的進(jìn)口區(qū)域15的濕度檢測器12以測量用于燃燒的空氣的進(jìn)口的絕對濕度。借助該控制方法，有可能令人滿意地跟蹤柴油機(jī)載荷和空氣進(jìn)口絕對濕度的變化，因而有可能加入最佳量的氨。
圖5和6示出了按本發(fā)明方法和常規(guī)方法的氨進(jìn)料速率控制試驗結(jié)果。圖5是氮氧化物還原標(biāo)的值和測量值誤差或差值的分布圖，其中氨進(jìn)料速率是根據(jù)載荷和空氣進(jìn)口絕對濕度來控制的，圖6是氮氧化物還原標(biāo)的值和測量值之差的分布，其中氨進(jìn)料速率是根據(jù)單一的載荷來控制的。從這些圖中可以得知本發(fā)明的誤差分布(如圖5所示)遠(yuǎn)小于常規(guī)方法(如圖6所示)的。這樣，應(yīng)明確的是有可能利用空氣進(jìn)口絕對濕度和載荷作為控制參數(shù)進(jìn)行高精度控制。
雖然在該實施方案中使用了絕對濕度測量設(shè)備13，空氣進(jìn)口溫度測量設(shè)備也可代替之。在該情況下，氨進(jìn)料速率可按下列方程計算Y=aX1+bX2+c…………(2)其中Y氨進(jìn)料速率X1發(fā)動機(jī)載荷X2溫度a，b，c系數(shù)也可以同時使用絕對濕度測量設(shè)備13和空氣進(jìn)口溫度測量設(shè)備。
在該情況下，下列方程可用于計算中Y=aX1+bX2+cX3+d……………(3)其中Y氨進(jìn)料速率X1發(fā)動機(jī)載荷X2絕對濕度X3溫度a，b，c，d系數(shù)有上述所述手段的本發(fā)明，提供了下列優(yōu)良效果
在方程(3)中，變量Y，X1，X2，X3的單位和系數(shù)a。b，c，d優(yōu)選的范圍如下Y(Nm3／h)；X1(％)；X2(10-3kg／kg)；X3(℃)；a0≤a≤1；b-1≤b≤0；C0≤C≤0．5；d0≤d≤50。
有上述所述手段的本發(fā)明，提供了下列優(yōu)良效果(1)因為氨總是與廢氣中氮氧化物量相應(yīng)的量來加入，因此可以進(jìn)行有效和穩(wěn)定的操作，同時能將氨泄漏的危險降到最低。
(2)因為利用燃燒用的空氣進(jìn)口絕對濕度和／或溫度并結(jié)合實際中的內(nèi)燃機(jī)載荷進(jìn)行氨流速的控制，無需NOx測量設(shè)備，因而簡化了裝置并降低了成本，也節(jié)省由NOx測量設(shè)備所占用空間。另外，基本上不會污染所用測量設(shè)備。
(3)用于計算單元以確定氨進(jìn)料速率的系數(shù)改變?nèi)菀?，因而可用簡單調(diào)整可靠地控制。
權(quán)利要求
1．一種廢氣脫硝方法，其中內(nèi)燃機(jī)的廢氣在排所述廢氣到外界的廢氣管中部被加入作為氮氧化物還原劑的氨，所述加有氨的廢氣經(jīng)過除去氮氧化物的催化劑以與其反應(yīng)，所述方法包括利用氨進(jìn)料速率與供所述內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣的進(jìn)口溫度成正比的關(guān)系來控制加到所述廢氣的氨的進(jìn)料速率。
2．一種廢氣脫硝裝置，它包括一個作為氮氧化物還原劑的氨的進(jìn)料設(shè)備，該設(shè)備安裝在排內(nèi)燃機(jī)廢氣到外部的廢氣管的中部；和有一個有除去氮氧化物的催化劑的反應(yīng)器，該反應(yīng)器安裝在所述進(jìn)料設(shè)備的下游，所述裝置包括測量供內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣的進(jìn)口溫度的設(shè)備和在所述氨進(jìn)料設(shè)備中根據(jù)來自所述設(shè)備的信號按氨進(jìn)料速率與空氣的進(jìn)口溫度成正比的關(guān)系來控制氨進(jìn)料速率的設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種廢氣脫硝方法及其裝置。其中作為氮氧化物還原劑的氨經(jīng)氨進(jìn)料設(shè)備加到內(nèi)燃機(jī)廢氣中,所述氨進(jìn)料設(shè)備安在排廢氣到外部的廢氣管的中部,借助安裝在氨進(jìn)料設(shè)備下游的測量絕對濕度和/或溫度的設(shè)備測量供內(nèi)燃機(jī)燃燒的空氣的進(jìn)口絕對濕度和/或溫度。將來自測量設(shè)備的信號送到控制設(shè)備以控制氨進(jìn)料設(shè)備中氨進(jìn)料速率。
文檔編號B01D53/50GK1206624SQ98106678
公開日1999年2月3日 申請日期1998年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1991年10月14日
發(fā)明者佐瀨敏次, 松田道昭 申請人:株式會社荏原制作所