废气脱硝方法及其装置 本发明涉及脱硝方法，该方法通过加作为还原剂的氨到废气中从而将内燃机废气中的氮氧化物除去。本发明也涉及用于实施该脱硝方法的装置。更具体地讲，本发明涉及脱硝方法，其中按废气中氮氧化物浓度确定的氨量加到废气中，也涉及用于这样脱硝方法的装置。该方法和装置适合对柴油机废气的脱硝。
内燃机的废气含氮氧化物。如果将废气像目前这样排放到大气中，大气将被污染。因此，必须处理废气以除去其中氮氧化物。处理废气典型的方法是将氨加到废气中使其与废气反应，借此将氮氧化物还原成氮。这种处理所需氨量与氮氧化物是化学计量的量。因为氨本身是有害物质，通常的做法是控制氨的进料不过量。
到目前为止，在废气脱硝装置氨注入的控制是通过这样的方法即根据从启动-停止信号发生器收到的发动机启动和停止信号，开启和关闭氨注射阀，或这样的方法即当脱硝反应器内的废气温度变得最适合脱硝反应时打开阀来进行的。
然而，因为基于上述条件不可能根据产生的氮氧化物的量通过简单打开和关闭阀来精确地控制氨进料速率，所以不能满足排放标准，且会有未反应氨的排出增加的危险。
在这些情况下，发明了一种方法，其中按产生的氮氧化物的量控制氨进料速率。但该方法为计算最佳氨进料速率，必须不停地测量氮氧化物浓度，废气量等，因此要求维持如NOx测量设备的调节和气体试样管线地清洗，结果导致施行成本上升。
作为其它控制方法，在此以前有一种方法，其中氨进料速率是根据内燃机载荷而控制的，和一种装置其中定序器必须根据发动机载荷提前得知必需的氨进料速率，以便有效地进行氨进料控制。它公开在日本专利申请(公开)第2-223623号中。但由于氮氧化物产生的原因复杂，这些传统的方法不能适当地控制氨的进料，使其与所产生的氮氧化物量令人满意地匹配。
因此，希望开发一种能适当控制氨进料速率的方法，所述的控制是通过找出一些与内燃机废气中氮氧化物量密切相关且最容易测量的因素而实现的。
本发明的目的是克服先有技术方法中氨进料不能适当地进行控制这一缺点，并提供一种脱硝方法，该方法通过使用最容易测量且与废气中氮氧化物量最相关的因素能适当地控制氨的进料。
为解决上述问题，本发明人利用废气脱硝设备研究了各种因素与废气中氮氧化物浓度之间的关系，其中作为氮氧化物还原剂的氨的进料设备安装在内燃机废气管中。
本发明人研究了在发动机载荷及空气进口温度不变的条件下氮氧化物浓度与用于内燃机燃烧的空气进口的绝对湿度(它可被认为是影响氮氧化物浓度的参数之一)之间的关系。结果，本发明人发现绝对湿度与氮氧化物浓度密切相关，因此可将氮氧化物浓度表示为空气进口绝对湿度的线性函数(如图2所示)。这样，因为当废气的量一定时，氮氧化物量与氮化物浓度成正比，所以氮氧化物的量也与空气进口绝对湿度成正比。本发明人也研究了在发动机载荷及空气进口绝对湿度不变的条件下氮氧化物浓度与空气进口温度(它与空气进口绝对湿度一样被认为是影响氮氧化物浓度的参数之一)之间的关系。结果发现空气进口温度与氮氧化物浓度密切相关，因此有可能将氮氧化物浓度表示为空气进口温度的线性函数(如图3)。
基于上述发现而完成的本发明包括下列手段：
(1)废气脱硝方法其中在排废气到外部的废气管中部向内燃机的废气中加入作为氮氧化物还原剂的氨，加有氨的废气经过除氮氧化物催化剂以与其反应，该方法包括利用用于内燃机燃烧的空气进口的绝对湿度作为变量之一来控制力到废气中的氨进料速率。
(2)在(1)中所述的废气脱硝方法，其中加到废气中氨的进料速率进一步利用用于内燃机燃烧的空气进口温度作为一个变量来控制。
(3)废气脱硝方法，其中在排废气到外部的废气管中部向内燃机废气中加入作为氮氧化物还原剂的氨，所述的加有氨的废气经过除去氮氧化物催化剂以与其反应，所述方法包括利用用于所述内燃机燃烧的空气进口温度作为变量之一来控制加到所述废气中氨的进料速率。
(4)废气脱硝装置，它包括作为氮氧化物还原剂的氨的进料设备，该设备安装在排内燃机废气到外部的废气管中部，和包括除去氮氧化物的催化剂的反应器，该反应器安装在氨进料设备下游，该装置包括测量用于内燃机燃烧的空气进口绝对湿度的设备；和根据测量设备的信号控制氨进料设备中氨进料速率的设备。
(5)在(4)中所述的废气脱硝装置，该装置还包括测量用于内燃机燃烧的空气进口温度的设备；和根据湿度测量设备及温度测量设备的信号控制氨进料设备中氨进料速率的设备。
(6)废气脱硝装置，它包括作为氨氧化物还原剂的氨进料设备，该设备安装在排内燃机废气到外部的废气管中，和含有氮氧化物催化剂的反应器，该反应器安装在氨进料设备下游，该装置包括测量用于内燃机燃烧的空气进口温度的设备；和根据该测量设备的信号在氨进料设备中控制氨进料速率的设备。
在本发明中，通过使用常用的绝对湿度或温度测量设备极容易测量用于燃烧的空气进口绝对湿度或温度。因为测量物是空气，绝对湿度或温度的测量设备不可能被污染。另外，因为空气进口的绝对湿度或温度与内燃机周围的空气相同，测量不需要在控制进口管中进行，而可在内燃机附近或进口管进口部分附近的适当位置进行。
在氨进料设备中氨进料速率根据空气进口绝对湿度和／或温度的测量值变化。如果氨进料速率按绝对湿度测量值变化，它按图2所示的相互关系变化。在实际实施中，空气进口绝对湿度是用装有湿度检测器的绝对湿度测量设备测量的，例如，绝对湿度测量设备的信号被送到装有计算单元的控制设备以控制流量控制阀的打开程度，借此控制氨进料速率。
在上述的对与内燃机废气中氮氧化物浓度有关的各种因素的研究中，表明随发动机载荷的增加，因为废气量增加，所以氮氧化物量即氮氧化物浓度与废气量的乘积也增加。因此，内燃机载荷与氮氧化物量有比较高的关联性(如图4所示)，但这种关联性仍很离散。但发现当将氮氧化物量表示为内燃机的每个载荷和如上述的用于燃烧的控制的进口绝对湿度的线性函数时，该关联式有很高的精度，即脱硝所需氨量能够按内燃机载荷和燃烧用空气的进口绝对湿度的线性函数来控制。按照该方法，因为对影响氮氧化物浓度的用于燃烧的空气的进口湿度的变化也进行跟踪，所以与根据单一的内燃机载荷来进行控制的情况相比有可能实现更准确的氨进料速率控制。
此外，如图3所示，因为内燃机废气中氮氧化物浓度与用于燃烧的空气进口温度呈线性关系，氮氧化物量能表示为内燃机载荷和如上所述燃烧用空气的进口温度的函数。因此，脱硝所需氨的量能按内燃机载荷和燃烧用空气的进口温度的线性函数来控制。借助该方法，因为对燃烧用空气的进口温度的变化也进行跟踪，所以与根据单一的发动机载荷进行控制的情况相比有可能实现更准确的氨进料速率控制。
如果利用燃烧用空气的进口绝对湿度和温度(这两者能用作氨进料速率控制因素)进行控制，有可能实现更准确的控制。在该控制方法中，内燃机载荷也被用作控制因素。
在基于上述手段的脱硝方法和设备中，不需要昂贵的且要求经常维修的NOx测量设备，脱硝能仅利用测量温度和／或湿度的设备来进行。另外，因为这些测量设备的检测器不需要安装在废气中，因而没有测量设备被污染的危险。
至于为实施本发明脱硝方法和装置所需的脱硝反应器，用于其中的催化剂，测量设备，控制设备等，已知的都可使用。脱硝装置的具体例子将在实施方案的描述中解释。本发明适宜处理内燃机废气如大尺寸的内燃机，其中的废气通过加氨进行脱硝。
如上所述，用于内燃机燃烧的空气的进口绝对湿度和温度与内燃机废气中氮氧化物浓度有很高的关联性且与氮氧化物呈线性关系。因此，氨的进料速率能利用这些因素来控制。
本发明的上述和其它目的、特征和优点将从下述结合附图的描述中会变得更清楚，其中优选的实施方案是通过说明性实例给出的。
图1示出了本发明一个优选实施方案的废气脱硝装置示意图。
图2示出了废气中氮氧化物浓度与燃烧用空气的进口绝对湿度之间关系的图。
图3示出了废气中氮氧化物浓度与燃烧用空气的进口温度之间联系的图。
图4示出了内燃机废气中氮氧化物的量与该内燃机上的载荷之间的关系图。
图5是氮氧化物还原标的值和测量之间差值的分布图，测量中氨进料速率是根据载荷和空气进口绝对湿度两者来控制的，和
图6是氮氧化物还原标的值和测量值之差的分布图，测量中氨进料速率根据单一的载荷来控制。
下面借助一个实施方案更具体地描述本发明。但本发明不受该实施方案的限制。
柴油机废气的脱硝是借图1所示的脱硝设备进行的。参照图1，柴油机1用于驱动发电机11。柴油机1的废气与来自安装在废气管9中的氨注射器8的氨混合。所得混合物进到脱硝塔2，在此废气通过置于其中的催化剂的作用而脱硝。然后脱硝的废气经废气排管10排到外界大气中。氨(由氨储存钢瓶3经流量控制阀7供应并由氨注射器8注射)的进料速率在氨进料速率计算单元5中按来自柴油机1的经载荷信号线6送来的信号和来自绝对湿度测量设备13的经空气进口绝对湿度信号线14送来的信号的线性函数来计算。氨进料速率可例如基于下列方程计算：
Y≈aX1+bX2+c…………(1)其中Y：氨进料速率
X1：发动机载荷
X2：绝对湿度
a，b，c：系数
氨进料速率计算单元5输送信号到流量控制阀控制器4，使流量控制阀7有相应氨进料速率要求的开度。绝对湿度测量设备13有一个安装在靠近柴油机1的进口区域15的湿度检测器12以测量用于燃烧的空气的进口的绝对湿度。借助该控制方法，有可能令人满意地跟踪柴油机载荷和空气进口绝对湿度的变化，因而有可能加入最佳量的氨。
图5和6示出了按本发明方法和常规方法的氨进料速率控制试验结果。图5是氮氧化物还原标的值和测量值误差或差值的分布图，其中氨进料速率是根据载荷和空气进口绝对湿度来控制的，图6是氮氧化物还原标的值和测量值之差的分布，其中氨进料速率是根据单一的载荷来控制的。从这些图中可以得知本发明的误差分布(如图5所示)远小于常规方法(如图6所示)的。这样，应明确的是有可能利用空气进口绝对湿度和载荷作为控制参数进行高精度控制。
虽然在该实施方案中使用了绝对湿度测量设备13，空气进口温度测量设备也可代替之。在该情况下，氨进料速率可按下列方程计算：
Y=aX1+bX2+c…………(2)其中Y：氨进料速率
X1：发动机载荷
X2：温度
a，b，c：系数
也可以同时使用绝对湿度测量设备13和空气进口温度测量设备。
在该情况下，下列方程可用于计算中：
Y=aX1+bX2+cX3+d……………(3)其中Y：氨进料速率
X1：发动机载荷
X2：绝对湿度
X3：温度
a，b，c，d：系数
有上述所述手段的本发明，提供了下列优良效果：
在方程(3)中，变量Y，X1，X2，X3的单位和系数a。b，c，d优选的范围如下：
Y：(Nm3／h)；X1：(％)；X2 ：(10-3kg／kg)；X3：(℃)；a：0≤a≤1；b：-1≤b≤0；C：0≤C≤0．5；d：0≤d≤50。
有上述所述手段的本发明，提供了下列优良效果：
(1)因为氨总是与废气中氮氧化物量相应的量来加入，因此可以进行有效和稳定的操作，同时能将氨泄漏的危险降到最低。
(2)因为利用燃烧用的空气进口绝对湿度和／或温度并结合实际中的内燃机载荷进行氨流速的控制，无需NOx测量设备，因而简化了装置并降低了成本，也节省由NOx测量设备所占用空间。另外，基本上不会污染所用测量设备。
(3)用于计算单元以确定氨进料速率的系数改变容易，因而可用简单调整可靠地控制。