关于监测和/或控制选择性催化还原过程的系统和设备技术方案

一种用于监测和/或控制来自燃烧排气流的氮氧化物和还原剂的排放水平的系统，其中内燃机116包括置于上游导管124和下游导管126之间的燃烧排气流中的SCR装置，SCR装置具有催化剂，配置成在还原剂和氧气存在下使燃烧排气中所含的氮氧化物催化还原成元素氮，其中内燃机116还包括还原剂注射器212；所述系统包括：激光吸收光谱装置300，所述装置300置于下游导管126中，并构造成测定排气中至少氮氧化物和还原剂的浓度水平；和控制装置216。

【技术实现步骤摘要】

本申请主要涉及通过物质和/或温度绘图监测选择性催化还原过程性能，以便更 好地监测和/或控制涉及内燃机的排放的方法、系统和设备。更具体地但不作为限制，本申 请涉及适合用激光吸收光谱和相关方法通过物质和温度绘图，来性能监测选择性催化还原 过程的方法、系统和设备。
技术介绍
涉及使用工业和动力锅炉系统、燃气涡轮机和其他内燃机的显著问题是释放到大 气的氮氧化物(或“NOx”)的量。作为突破此难题的一种方法，多年来很多操作人员已用选 择性催化还原(或“SCR”)方法减少NOx排放。因此，应理解，由于涉及减少NOx排放，选择性催化还原方法对保护和提高公共卫 生很重要。一个原因是，在释放进入大气时，NOx通常与其他化合物混合产生烟雾，烟雾当 然是很多城市中空气污染的重要形式。因此，环境保护局(或“EPA”)规定了设备可合法排 入大气的NOx量的限度。为了避免罚款和其他处罚，操作这些设备的公司紧密监测并努力 限制释放到大气的NOx的量。通常，通过使氮氧化物转化成双原子氮(或“N2”)和水(或“H20”)(两者在释放 进入大气时对环境无害而且安全)，可进行选择性催化还原。通过使NOx与还原剂(一般为 氨(或“NH/’))混合，然后与催化剂接触，发生使NOx分成N2和H2O的反应，可引起此化学反 应(即，NOx转化成N2和H2O)。内燃机，例如燃气涡轮机，在稳定条件下操作时，SCR系统一 般显示很有效地减少释放的NOx的量。例如，在一些应用中，NOx排放可减少最高达90%。然而，在瞬时操作条件，例如，发动机启动或负荷摆动条件期间，NOx输出可能形成 峰值，这可导致过量NOx(超出允许限度)释放到大气。另外，为了试图抵销这些增加量，常 规系统通常将氨过量注入(即，注入过量氨)选择性催化还原系统。这一般被称为NH/‘泄 漏”，产生同样困扰的情况不可接受地高水平NH3释放进入大气，这也可招致对内燃机操作 者罚款和其他处罚。常规系统难以在瞬时条件期间控制NOx和NH3排放水平的原因一般涉及与某些系 统元件(特别是用于测定排气中相关化合物浓度水平的测定装置)相关的限制和系统结构 的限制。这些限制很多。首先，气体组成和物质浓度水平一般用加热的样品管线通过耗时 的抽取技术测定。这是一个有很多分钟(在某些情况下数小时)滞后时间的慢过程，并且 通常得到不可靠结果。第二，常规系统一般在测定位置缺乏温度数据。由于NH3K收速率 取决于温度，此数据对精确控制过程是必要的。第三，常规系统缺乏关于相关化合物通过排 气的空间分布的信息。第四，常规系统一般只在SCR下游位置测定气体组成。应认识到，理论上，氨与NOx的具体摩尔匹配非常合乎需要。在此情况时，NOx排 放按预期减少，而没有或几乎没有过量氨释放到大气。实际上，本领域的技术人员应理解并 且出于以上所给原因，已证明此目的难以达到。因此，仍需要涉及监测和/或控制选择性催 化还原过程的改进的方法、系统和装置。
技术实现思路
因此，本申请描述一种用于监测和/或控制来自内燃机燃烧排气流的氮氧化物和 还原剂的排放水平的系统，其中内燃机包括选择性催化还原装置，该装置置于将燃烧排气 流引导到选择性催化还原装置的上游导管和引导燃烧排气流离开选择性催化还原装置的 下游导管之间的燃烧排气流中，选择性催化还原装置具有催化剂，该催化剂装配成在还原 剂和氧气存在下，使燃烧排气中所含的氮氧化物催化还原成元素氮，其中内燃机还包括将 还原剂注入选择性催化还原装置上游的燃烧排气流的还原剂注射器。所述系统可包括激 光吸收光谱装置，所述光谱装置置于下游导管中，并构造成测定燃烧排气流中至少氮氧化 物和还原剂的浓度水平；和控制装置；其中激光吸收光谱装置构造成对控制装置提供涉及 氮氧化物和还原剂测定浓度水平的及时数据。在本申请的一些实施方案中，及时数据包括含小于0. 1秒滞后时间的数据。在本 申请的一些实施方案中，激光吸收光谱装置包括可调谐二极管激光器，还原剂包括氨。在本 申请的一些实施方案中，激光吸收光谱装置包括第一可调谐二极管激光光谱装置；所述系 统还包括置于上游导管中还原剂注射器上游的第二可调谐二极管激光光谱装置；第二可 调谐激光吸收光谱装置构造成测定燃烧排气流中至少氮氧化物的浓度水平，并为控制装置 提供涉及氮氧化物测定浓度水平的及时数据。在本申请的一些实施方案中，下游导管包括包括第一侧的横截面形状，第一侧跨 下游导管内部与第二侧相对；第一侧和第二侧各自包括一系列孔，这些孔经布置，使得第一 侧上的多个孔与第二侧上的多个孔相对；第一可调谐二极管激光光谱装置包括置于孔中的 多个激光发射器和多个激光接收器，使得激光发射器跨下游导管内部与激光接收器大体相 对；激光发射器构造成在预定波长发射激光，激光通过预定激光光路，并由至少一个激光接 收器接收。在本申请的一些实施方案中，各激光发射器与激光接收器之一配对，并且各对跨 下游导管内部直接相互相对；并且控制装置构造成用于计算涉及氮氧化物和氨测定浓度水 平的空间分布的空间分布数据，空间分布数据反映沿着激光光路测定的氮氧化物和氨浓度 水平的变化。在本申请的一些实施方案中，激光发射器和激光接收器的定位和定向构成产生多 个交叉的激光光路；激光光路包括至少a)从激光发射器跨下游导管内部直接延伸到直接 与其相对的激光接收器的激光光路，和b)从激光发射器跨下游导管内部斜向延伸到不直 接与其相对的激光接收器之一的激光光路；并且激光发射器和激光接收器的定位和定向构 成激光光路交点位置跨下游导管的横截面区域形成近似格栅。在本申请的一些实施方案中，控制装置构造成用于计算涉及氮氧化物和氨浓度水 平的空间分布的空间分布数据，空间分布数据反映a)沿着几个激光光路中每一个测定的 氮氧化物和氨浓度水平之间的变化，和b)在激光光路交点计算的可能的氮氧化物和氨浓 度水平之间的变化，其中可能的氮氧化物和氨浓度水平基于沿着交叉成激光光路交点的各 激光光路的氮氧化物和氨的测定浓度水平。在本申请的一些实施方案中，下游导管的横截面形状还包括第三侧，第三侧跨下 游导管内部与第四侧相对；第三侧和第四侧各自包括一系列孔，这些孔经布置，使得第三侧上的多个孔与第四侧上的多个孔相对；第一可调谐二极管激光光谱装置还包括置于下游导 管的第三侧和第四侧的孔中的多个激光发射器和多个激光接收器，使得激光发射器跨下游 导管内部与激光接收器大体相对；沿着下游导管的第三侧和第四侧布置的激光发射器构造 成在预定波长发射激光，激光通过预定激光光路，并由沿着下游导管的第三侧和第四侧布 置的至少一个激光接收器接收；在第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上布置的激光发射器和 激光接收器的定位和定向构成产生多个交叉的激光光路，多个交叉的激光光路包括与从第 三侧延伸到第四侧的激光光路交叉的从第一侧延伸到第二侧的激光光路；控制装置构造成 用于计算涉及氮氧化物和氨浓度水平的空间分布的空间分布数据，空间分布数据反映a) 沿着几个激光光路中每一个测定的氮氧化物和氨浓度水平之间的变化，和b)在激光光路 交点计算的可能的氮氧化物和氨浓度水平之间的变化，其中可能的氮氧化物和氨浓度水 平基于沿着交叉成激光光路交点的各激光光路的氮氧化物和氨的测定浓度水平在本申请的一些实施方案中，预定波长包括至少涉本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于监测和／或控制来自内燃机１１６燃烧排气流的氮氧化物和还原剂的排放水平的系统，其中内燃机１１６包括选择性催化还原装置２０２，该选择性催化还原装置２０２置于将燃烧排气流引导到选择性催化还原装置２０２的上游导管１２４和引导燃烧排气流离开选择性催化还原装置２０２的下游导管１２６之间的燃烧排气流中，所述选择性催化还原装置２０２具有催化剂，该催化剂构造成在还原剂和氧气存在下，使燃烧排气中所含的氮氧化物催化还原成元素氮，并且其中内燃机１１６还包括还原剂注射器２１２，该还原剂注射器２１２将还原剂注入选择性催化还原装置２０２上游的燃烧排气流中，所述系统包括：激光吸收光谱装置３００，所述光谱装置３００置于下游导管１２６中，并构造成测定燃烧排气流中至少氮氧化物和还原剂的浓度水平；和控制装置２１６；其中激光吸收光谱装置３００构造成向控制装置２１６提供涉及氮氧化物和还原剂测定浓度水平的及时数据。

【技术特征摘要】
2009.12.31 US 12/6508251.一种用于监测和/或控制来自内燃机116燃烧排气流的氮氧化物和还原剂的排放 水平的系统，其中内燃机116包括选择性催化还原装置202，该选择性催化还原装置202置 于将燃烧排气流引导到选择性催化还原装置202的上游导管IM和引导燃烧排气流离开 选择性催化还原装置202的下游导管1 之间的燃烧排气流中，所述选择性催化还原装置 202具有催化剂，该催化剂构造成在还原剂和氧气存在下，使燃烧排气中所含的氮氧化物催 化还原成元素氮，并且其中内燃机116还包括还原剂注射器212，该还原剂注射器212将还 原剂注入选择性催化还原装置202上游的燃烧排气流中，所述系统包括激光吸收光谱装置300，所述光谱装置300置于下游导管126中，并构造成测定燃烧排 气流中至少氮氧化物和还原剂的浓度水平；和控制装置216 ；其中激光吸收光谱装置300构造成向控制装置216提供涉及氮氧化物和还原剂测定浓 度水平的及时数据。2.权利要求1的系统，其中及时数据包括含小于0.1秒滞后时间的数据。3.权利要求1的系统，其中激光吸收光谱装置300包括可调谐二极管激光器，且其中所 述还原剂包括氨。4.权利要求3的系统，其中激光吸收光谱装置300包括第一可调谐二极管激光光谱装置300 ；所述系统还包括置于上游导管1 中还原剂注射器212上游的第二可调谐二极管激光 光谱装置300;并且第二可调谐激光吸收光谱装置300构造成测定燃烧排气流中至少氮氧化物的浓度水 平，并向控制装置216提供涉及氮氧化物测定浓度水平的及时数据。5.权利要求4的系统，其中下游导管1 包括包括第一侧的横截面形状，第一侧跨下游导管126内部与第二侧相对；第一侧和第二侧各自包括一系列孔，这些孔经布置，使得第一侧上的多个孔与第二侧 上的多个孔相对；第一可调谐二极管激光光谱装置300包括置于孔中的多个激光发射器302和多个激光 接收器306，使得激光发射器302跨下游导管126内部与激光接收器306大体相对；并且激光发射器302构造成在预定波长发射激光，激光通过预定激光光路，并由至少一个 激光接收器306接收。6.权利要求5的系统，其中各激光发射器302与激光接收器306之一配对，并且各对跨 下游导管126内部直接相互相对；并且其中控制装置216构造成用于计算涉及氮氧化物和氨测定浓度水平的空间分布的空 间分布数据，所述空间分布数据反映沿着激光光路测定的氮氧化物和氨浓度水平的变化。7.权利要求5的系统，其中激光发射器302和激光接收器306的定位和定向构造成产生多个交叉的激光光路；激光光路包括至少a)从激光发射器跨下游导管126内部直接延伸到直接与其相对的 激光接收器的激光光路，和b)从激光发射器跨下游导管126内部斜向延伸到不直接与其相 对的激光接收器306之一的激光光路；并且激光发射器302和激光接收器306的定...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·M·霍伊特，V·V·巴达米，C·米特拉，A·班纳吉，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US