用于从发动机废气中去除颗粒物质和重金属的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及用于除去以重质燃料油操作的发动机的废气中存在的烟灰、灰分和重金属，以及任选的其他NOx和SOx的方法和系统。

Method and system for removing particulate matter and heavy metals from engine exhaust gas

The present invention relates to a method and system for removing soot, ash and heavy metals present in the exhaust gas of an engine operated with heavy fuel oil, and optionally other NOx and SOx.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及一种用于除去存在于发动机的废气中的烟灰、灰分和重金属形式的颗粒物质和烃的方法和系统。特别地，本专利技术可用于从以重质燃料油操作的发动机的废气中去除这些组分。通常烟灰和灰分可通过使废气通过设置在废气系统中的一个或多个过滤器来捕获和去除。在流动一定时间后，捕获的烟灰和灰分的量导致过滤器上的压降增加，并且过滤器需要通过烧掉烟灰并用压缩空气或通过手动程序吹出灰分来再生。已知的颗粒过滤器系统被开发以用于具有相对低硫化合物和颗粒物质含量的柴油发动机废气。这些系统不能用于例如用重质燃料油供油(所谓的船用油)的轮船发动机。船用油包含非常重质的烃和多环芳族化合物。油被化合物严重污染，该化合物不会燃烧，并最终成为废气中的灰分。包含在船用油中的其他污染物不仅包括水溶性金属盐钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)、铁(Fe)、硫酸盐(MeSO4)和其它几种，还包括油溶性金属钒(V)、铅(Pb)、镍(Ni)等。因此，本专利技术的总的目的是提供一种用于净化来自用重质燃料油供给燃料的发动机的废气的方法和系统，该方法和系统确保发动机的有效净化和连续操作，即使当在该方法和系统中所使用的颗粒过滤器需要再生时。如上所述，来自发动机的废气中的颗粒物质还包含无机灰分，其不能燃烧并因此将随时间而累积在过滤器中并造成压降。因此，必须通过周期性地逆转通过过滤器的废气流方向或通过脉冲喷射空气吹出灰分和烟灰来去除无机灰分和剩余量的烟灰。本专利技术的基本特征是通过用烟灰燃烧和烃氧化催化剂来催化过滤器使颗粒过滤器连续地被动再生，由此通过使在颗粒过滤器上的压降保持低并通过使空气脉冲喷射至过滤器的出口中而周期性地和有效地吹出颗粒物质来改善燃料消耗。催化剂促进烧掉和基本上去除含有粘性烃的灰分，这有利于灰分的去除。总而言之，本专利技术提供了一种用于除去存在于以重质燃料油操作的发动机的废气中的颗粒物质、烃和重金属的方法，所述方法包括以下步骤：在负荷下操作发动机使获得具有至少325℃的废气温度的废气；使在325℃至550℃的废气温度下的废气通过至少一个过滤器单元；该过滤器单元的每一个均包括至少一个颗粒过滤器，并捕获包含在废气中的颗粒物质和重金属；通过与布置在颗粒过滤器上的催化剂接触，连续地烧除至少一个颗粒过滤器上所捕获的烟灰和所粘附的烃；周期性地将废气流与所述至少一个过滤器单元断开；在所述至少一个颗粒过滤器的出口通过以与废气的先前流动相反的方式将空气脉冲喷射至出口来施加气动脉冲，并且从所述至少一个颗粒过滤器吹出所捕获的颗粒物质和重金属；在所述至少一个颗粒过滤器的入口施加抽吸；和将从所述至少一个颗粒过滤器吹出的颗粒物质和重金属任选通过外部辅助过滤器单元输送至容器。下面公开优选的实施方案。这些实施方案可以单独使用或以其组合使用。用于本专利技术的颗粒过滤器优选由硅碳化物、堇青石、莫来石、钛酸铝或烧结金属制成。通常，用于本专利技术的过滤器成形为壁流式过滤器，其确保最高的净化效率，但是可以采用其他过滤器类型。烟灰燃烧催化剂涂覆在过滤器壁上和/或壁内部。在烟灰燃烧中呈活性的催化剂在本领域中是已知的，并且尤其描述在专利文献中。优选的催化剂包括二氧化钛、钒和钨的氧化物以及金属钯，如欧洲专利号EP1493484B1中进一步公开的。催化剂将捕获的烟灰的点燃温度降低至350℃，并且在最佳工艺条件下进一步降低至325℃。辅助发动机可在部分负荷下运行，由此废气温度高于325℃。因此，在过滤器入口处的高于325℃的废气温度通过连续的烟灰燃烧来确保被动再生。重质燃料油含有大量的钒和铁，其作为燃料自带的添加剂，并且有助于在高于325℃时额外烧掉烟灰，从而使得不必向燃料添加添加剂。如上所述，本专利技术的一个基本特征是去除在重质燃料油的燃烧期间形成的捕获的颗粒物质。颗粒过滤器必须通过使过滤器与废气流隔绝来进行周期性的净化。所有过滤器单元可以通过根据本专利技术的方法在循环净化回路中进行净化，如下文更详细描述的。发动机可以保持连续操作，因为至少一个过滤器单元保持在过滤模式中。在净化颗粒过滤器期间，空气以与废气的先前流动相反的方式以10至600毫秒、优选300毫秒的喷射脉冲持续时间进行喷射。在净化周期中，颗粒过滤器或过滤器单元的一部分(整个过滤表面的5-50％)可以在出口处关闭，并且通过例如安装在关闭阀上或关闭阀附近的阀或喷嘴将空气喷射至出口中。由此，因为与其中出口为打开的方式相比，喷射至颗粒过滤器中的空气脉冲体积更低，因此甚至能更有效地吹出捕获在颗粒过滤器中的包含灰分、未燃烧的烟灰和重金属的颗粒物质。在出口为打开的情况下，空气脉冲遍及包围颗粒过滤器的整个过滤器单元，并因此限制净化效果。或者，在使用更强大的空气喷射脉冲的净化周期间，每个颗粒过滤器的出口可以是打开的。这种实施方案的优点在于其简单化和更紧凑的过滤器布置。在气动喷射脉冲进入待净化的颗粒过滤器期间，具有高颗粒物质浓度的净化空气流离开颗粒过滤器的入口侧，并且该空气流被适当的抽吸系统捕获。含有吹出的颗粒物质的空气流然后通过抽吸管输送离开颗粒过滤器的入口，该抽吸管任选设置有安装在颗粒过滤器的入口处或入口处附近的穿孔网格。抽吸管连接到抽吸源例如抽吸泵，其在空气脉冲喷射到颗粒过滤器的出口的期间或之后启动。颗粒物质可以通过任选用如上所述的烟灰燃烧催化剂进行催化的外部辅助低温过滤器或辅助高温过滤器或其两者来抽吸至抽吸管中。由此，从主要的颗粒过滤器去除并且包含在净化空气流中的颗粒物质从辅助过滤器中的流中分离，然后排放至存储容器中以备将来使用。或者，抽吸源可以通过设置有小的辅助过滤器的外部抽吸泵制成。辅助过滤器收集携带在抽吸气体流动管线中的空气流中的颗粒。或者，也可以通过利用颗粒过滤器上的压降来产生抽吸流。在该实施方案中，抽吸管连接过滤器单元或颗粒过滤器的废气入口侧与过滤器单元或颗粒过滤器的废气出口侧，并且从颗粒过滤器吹出的颗粒物质通过安装在抽吸管中的辅助过滤器进行抽吸。当净化周期处于暂停时，可以从辅助过滤器去除捕获的颗粒物质。施加在抽吸管中的压力必须足够低，以确保抽吸管中的颗粒物质的有效输送。优选地，抽吸管中的压力比颗粒过滤器内部的压力低30-300毫巴。在本专利技术的另一个实施方案中，用于脉冲喷射的空气从具有压缩空气的蓄压罐中抽出，该压缩空气的压力在4至10巴绝对压力，优选6.5巴绝对压力下。还在另一个实施方案中，该单元布置在发动机涡轮增压器上游的压力容器中。然后，可使废气在0至3巴绝对压力的压力下通过过滤器单元。在该实施方案中，烟灰燃烧温度可保持在约400℃的更优化水平，且不需要额外的废气加热。作为另一个优点，当提高废气的压力和温度时，颗粒过滤器上的压降减小。这样有利地导致了有效过滤所需的颗粒过滤器体积的减小，并且有利于例如在其中用于废气处理的空间有限的船舶上的改造安装。还在另一个实施方案中，在气体通过过滤器单元之前或气体通过过滤器单元之后，过滤工序额外地与废气中的氮氧化物(NOx)的选择性催化还原(SCR)进行组合。当发动机在导致至少325℃的废气温度的最小负荷下操作时，SCR单元的热质量对下游过滤器单元的被动再生具有可忽略的影响。以上公开的本专利技术的一个重要特征是可以除去在发动机中燃烧重质燃料油时所形成的硫氧化物。上游的烟灰燃烧催化剂耐硫化合物并且具有有限的SO2至SO3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于除去存在于以重质燃料油操作的发动机的废气中的颗粒物质、烃和重金属的方法，所述方法包括以下步骤：在负荷下操作所述发动机使获得具有至少325℃的废气温度的废气；使在325℃至550℃的废气温度下的废气通过至少一个过滤器单元；所述过滤器单元的每一个均包括至少一个颗粒过滤器，并捕获包含在废气中的颗粒物质和重金属；通过与布置在所述颗粒过滤器上的催化剂接触，连续地烧掉所述至少一个颗粒过滤器上所捕获的烟灰和所粘附的烃；周期性地从废气流断开所述至少一个过滤器单元；在所述至少一个颗粒过滤器的出口处通过以与废气的先前流动相反的方式将空气脉冲喷射至出口来施加气动脉冲，并且从所述至少一个颗粒过滤器吹出所捕获的颗粒物质和重金属；在所述至少一个颗粒过滤器的入口处施加抽吸；和将从所述至少一个颗粒过滤器吹出的颗粒物质和重金属任选通过外部辅助过滤器单元输送至容器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于除去存在于以重质燃料油操作的发动机的废气中的颗粒物质、烃和重金属的方法，所述方法包括以下步骤：在负荷下操作所述发动机使获得具有至少325℃的废气温度的废气；使在325℃至550℃的废气温度下的废气通过至少一个过滤器单元；所述过滤器单元的每一个均包括至少一个颗粒过滤器，并捕获包含在废气中的颗粒物质和重金属；通过与布置在所述颗粒过滤器上的催化剂接触，连续地烧掉所述至少一个颗粒过滤器上所捕获的烟灰和所粘附的烃；周期性地从废气流断开所述至少一个过滤器单元；在所述至少一个颗粒过滤器的出口处通过以与废气的先前流动相反的方式将空气脉冲喷射至出口来施加气动脉冲，并且从所述至少一个颗粒过滤器吹出所捕获的颗粒物质和重金属；在所述至少一个颗粒过滤器的入口处施加抽吸；和将从所述至少一个颗粒过滤器吹出的颗粒物质和重金属任选通过外部辅助过滤器单元输送至容器。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个颗粒过滤器是壁流式过滤器的形式。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述催化剂涂覆在所述至少一个颗粒过滤器的壁上或壁内部。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述催化剂包括二氧化钛、钒和钨的氧化物和金属钯。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述至少一个颗粒过滤器的主体由硅碳化物、堇青石、莫来石、钛酸铝或烧结金属制成。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述空气以10至600毫秒、优选300毫秒的喷射脉冲持续时间进行脉冲喷射。7.根据权利要求1或6中任一项所述的方法，其中用于脉冲喷射的空气从具有压缩空气的蓄压罐中抽出，所述压缩空气的压力在4至10巴绝对压力，优选6.5巴绝对压力下。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述至少一个过滤器单元布置在发动机涡轮增压器上游的压力容器中。9.根据权利要求8所述的方法，其中使所述废气在0至3巴绝对压力的压力下通过所述至少一个过滤器单元。10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，所述方法包括在所述气体通过所述至少一个过滤器单元之前或在所述气体通过所述至少一个过滤器单元之后将所述废气中的氮氧化物选择性催化还原的附加步骤。11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，所述方法包括通过在所述至少一个过滤器单元的下游在开放或闭合的回路中用碱性溶液或海水洗涤所述气体来减少所述废气中含有的硫氧化物的量的附加步骤。12.一种用于除去存在于以重质燃料油操作的发动机的废气中的包含烟灰、灰分和重金属的颗粒物质的系统，所述系统包括：一个或多个废气入口管，其将每个发动机与一个或多个过滤单元中的每一个的入口连接；一个或多个废气出口管，其连接至所述一个或多个过滤单元的每一个的出口；至少一个颗粒过滤器，其布置在所述一个或多个过滤单元内并用实现烟灰和烃的...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·约翰森，M·阿尔凯蒂，
申请(专利权)人：托普索公司，埃科斯普雷技术有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK