CN106968760A - 船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统 - Google Patents

船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统 Download PDF

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Abstract

一种船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，包括柴油机、热交换器、脱硫洗涤塔、二氧化碳膜分离器、二氧化碳储罐及进气阀门组，柴油机的排气端和进气端之间设有废气循环管路，热交换器、脱硫洗涤塔、二氧化碳膜分离器、二氧化碳储罐及进气阀门组在废气循环管路中依次设置，由柴油机的排气端排出的废气经热交换器降温后进入脱硫洗涤塔进行脱硫以获得脱硫废气，脱硫废气进入二氧化碳膜分离器，经二氧化碳膜分离器分离出的二氧化碳储存至二氧化碳储罐，二氧化碳储罐中的二氧化碳通过进气阀门组输送至柴油机的进气端。本发明的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统可同时减少NOX、SOX、CO2的排放量并实现船舶设备的集成。

Description

船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统
技术领域
本发明涉及船舶装备领域，特别是关于一种船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统。
背景技术
为控制船舶氮氧化物NOX、硫氧化物SOX以及二氧化碳CO2的排放，国际海事组织(IMO)制定了《MARPOL 73/78公约》附则VI《防止船舶造成空气污染规则》和《船舶设计能效指数(EEDI)》，明确规定了NOX、SOX排放限值、CO2的减少量以及实施时间表。
在NOX排放量控制方面，废气再循环(EGR)是一种机内NOX控制技术，可使二冲程低速柴油机(主机)的废气达到Tier III排放标准，在该技术中，部分燃烧后的废气(≤40％)在冷却后重新混入燃烧性进气中，由于废气中的CO2含量相对较高，在与新鲜空气混合后，会明显提高混合气热容，从而降低了发动机的燃烧峰温，减少NOX的生成。此外，为避免废气中的SOX和颗粒物对EGR系统和柴油机的腐蚀和污损，废气与新鲜空气混合前，须经过EGR水处理系统的碱液洗涤。然而，由于EGR系统所需的废气量巨大且仅在排放控制区(ECA区)运行，导致所选的空气压缩机不仅功率较大且使用频率也不高，在ECA区运行时易造成峰值用电负荷增加。
在SOX排放量控制方面，湿法脱硫技术是船舶废气SOX控制的主流技术，即在洗涤塔内通过海水或其他碱性溶液吸收废气中的SOX、颗粒物以及少量CO2，废气湿法脱硫系统的原理和流程与EGR废气水处理系统基本相似。
在CO2减少量的控制方面，提高船舶EEDI的方法是减少安装动力和增加载重量。然而，降低船舶速度和动力限制了船舶在恶劣环境下处理危险情况、回驶安全港口的能力以及躲避海盗袭击的能力，而对于任何船舶设计来讲，可增大的船舶载重量也较为有限。
由上述可知，目前船舶上的减排设备往往自成体系，且减排设备之间以及减排设备与船舶原有设备之间往往存在功能重复的现象，不仅控制NOX、SOX排放量及CO2减少量的效果有限，还存在设备占地大、结构复杂的问题。因此，有必要提出一种船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，结构紧凑并可同时减少NOX、SOX、CO2的排放量。
本发明提供的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，包括柴油机、热交换器、脱硫洗涤塔、二氧化碳膜分离器、二氧化碳储罐及进气阀门组，所述柴油机的排气端和进气端之间设有废气循环管路，所述热交换器、脱硫洗涤塔、二氧化碳膜分离器、二氧化碳储罐及进气阀门组在所述废气循环管路中依次设置，由所述柴油机的排气端排出的废气经所述热交换器降温后进入所述脱硫洗涤塔进行脱硫以获得脱硫废气，所述脱硫废气进入所述二氧化碳膜分离器，经二氧化碳膜分离器分离出的二氧化碳储存至所述二氧化碳储罐，所述二氧化碳储罐中的二氧化碳通过所述进气阀门组输送至所述柴油机的进气端。
进一步的，所述柴油机包括主机与多个辅机，所述主机与所述多个辅机各自的排气端与所述废气循环管路连接，所述主机与所述多个辅机各自的进气端与所述进气阀门组连接。
进一步的，所述进气阀门组包括在所述二氧化碳储罐与所述进气端之间依次设置的减压阀组及进气阀组，所述减压阀组包括主机减压阀与多个辅机减压阀，所述进气阀组包括主机进气阀和多个辅机进气阀。
进一步的，所述主机与所述多个辅机各自的进气端还与涡轮增压器连接，所述主机进气阀和多个辅机进气阀的排气口分别连接在所述主机和所述多个辅机各自的进气端与所述涡轮增压器之间。
进一步的，所述进气阀组控制进入所述柴油机的二氧化碳为柴油机扫气量的5％。
进一步的，所述脱硫洗涤塔与所述二氧化碳膜分离器之间依次设有引风机与第一空气压缩机，所述引风机将所述脱硫洗涤塔中设定比例的脱硫废气引入所述第一空气压缩机，所述第一空气压缩机将所述引风机引入的脱硫废气的压力提高至所述二氧化碳膜分离器的工作压力。
进一步的，所述二氧化碳膜分离器与所述二氧化碳储罐之间设有第二空气压缩机，所述第二空气压缩机用于将所述二氧化碳膜分离器分离出的二氧化碳增压以储存至所述二氧化碳储罐。
进一步的，还包括脱碳废气储罐，所述脱碳废气储罐连接所述二氧化碳膜分离器的外部排气口与船舶压缩空气系统，所述第一空气压缩机和所述第二空气压缩机为所述船舶压缩空气系统的空气压缩机。
进一步的，还包括第三空气压缩机，所述第三空气压缩机与所述二氧化碳储罐的外部排气口连接，所述第三空气压缩机为所述船舶压缩空气系统的空气压缩机。
进一步的，所述脱硫洗涤塔为脱硫洗涤塔，所述脱硫洗涤塔设有外部排气口。
进一步的，所述设定比例的脱硫废气为10％的脱硫废气。
本发明实施例的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统中，脱硫洗涤塔、二氧化碳膜分离器、二氧化碳储罐依次设置在柴油机的废气循环管路中，从而将废气循环系统与脱硫洗涤塔、二氧化碳膜分离装置有机结合，不仅可以减少脱硫洗涤塔的重复投资，所产生的二氧化碳还可满足柴油机的废气再循环要求，达到了同时减少NOX、SOX、CO2的排放量的目的并实现了船舶设备的集成。
附图说明
图1为本发明一个实施例中船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1为本发明一个实施例中船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，包括柴油机1、热交换器2、脱硫洗涤塔3、引风机4、第一空气压缩机5、二氧化碳膜分离器6、第二空气压缩机7、二氧化碳储罐8及进气阀门组9，柴油机1的排气端11和进气端12之间设有废气循环管路13，热交换器2、脱硫洗涤塔3、引风机4、第一空气压缩机5、二氧化碳膜分离器6、第二空气压缩机7、二氧化碳储罐8及进气阀门组9在废气循环管路13中依次设置，脱硫洗涤塔3、二氧化碳膜分离器6及二氧化碳储罐8均设有外部排气口，所述外部排气口与大气连接。
在本发明实施例中，脱硫洗涤塔3、二氧化碳膜分离器6及二氧化碳储罐8依次设置在废气循环管路13中，将湿法脱硫后的洁净废气中的二氧化碳分离出来以作为所有柴油机的再循环废气源，从而将EGR系统、湿法脱硫和二氧化碳膜分离装置有机结合，达到了同时减少NOX、SOX、CO2的排放量的目的并实现了船舶设备的集成。此外，通过本发明实施例的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，可在非ECA区运行时向二氧化碳储罐8中存储二氧化碳并在ECA区释放二氧化碳以作为柴油机1的再循环废气源，由于存储的二氧化碳相对原有再循环废气的二氧化碳浓度高，且二氧化碳膜分离器6在ECA区只需根据CO2的消耗情况择机运行而不用一直工作，从而可减少空气压缩机体积并降低峰值用电负荷。其中，二氧化碳膜分离器6在ECA区择机运行是指，当柴油机1在ECA区以较大负荷运转时，则有可能将二氧化碳储罐8中的CO2消耗完，此时二氧化碳膜分离器6需再次运行以产生所需的CO2，否则二氧化碳膜分离器6无需运行。
接上述，在本实施例中，柴油机1包括主机15与多个辅机16，主机15与多个辅机16各自的排气端与废气循环管路13连接，主机15与多个辅机16各自的进气端与进气阀门组9连接。
进气阀门组9包括在二氧化碳储罐8与进气端12之间依次设置的减压阀组91及进气阀组92，减压阀组91包括主机减压阀911与多个辅机减压阀912，进气阀组92包括主机进气阀921和多个辅机进气阀922。进一步的，主机15与多个辅机16各自的进气端还与涡轮增压器(图未示)连接，主机进气阀911和多个辅机进气阀912的排气口分别连接在主机15和多个辅机16各自的进气端与涡轮增压器之间，优选的，进气阀组92控制进入柴油机1(主机15与多个辅机16)的二氧化碳为柴油机扫气量的5％。
值得一提的是，由于现有的EGR系统较为复杂庞大，使得目前没有同时为主机15和辅机16(四冲程辅机)使用EGR系统的应用实例，EGR系统的适用性不强，而本发明实施例的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统通过将EGR系统、湿法脱硫和二氧化碳膜分离装置进行有机结合以采用二氧化碳作为柴油机的再循环废气源，从而可同时为主机15及多个辅机16提供再循环废气，适用性强。此外，通过调整进气阀组92中各进气阀的开度可改变二氧化碳的进气量，从而可同时满足调节主机15、辅机16扫气中的惰性气体比，有效减少NOX排放量。
请继续参考图1，本实施例的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统还包括脱碳废气储罐10、第三空气压缩机18，脱碳废气储罐10连接二氧化碳膜分离器6的外部排气口与船舶压缩空气系统(图未示)，第三空气压缩机18与二氧化碳储罐8的外部排气口连接，从而可将二氧化碳储罐8中的二氧化碳输送至舷外的二氧化碳接收装置。在本实施例中，第一空气压缩机5、第二空气压缩机7和第三空气压缩机18为船舶压缩空气系统中的空气压缩机。
船舶压缩空气系统是船舶管路系统之一，主要为发电机、柴油机启动和海底门杂物吹除以及船上其它需要压缩空气的地方提供压缩空气的管路系统，可提供最大3MPa压缩空气，本发明实施例的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统通过设置脱碳废气储罐10存储二氧化碳膜分离器6脱碳后的废气以作为船舶压缩空气系统的压缩空气替代品，从而为第一空气压缩机5、第二空气压缩机7和第三空气压缩机18提供压缩气体，二氧化碳储罐8中的二氧化碳还可输送至舷外的二氧化碳接收装置，实现了废气的综合利用。
接下来对本发明实施例的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统的工作过程进行说明。
请参考图1，由主机15和辅机16的排气端排出的废气经热交换器2降温后进入脱硫洗涤塔3进行脱硫以获得脱硫废气，引风机4将脱硫洗涤塔3中设定比例的脱硫废气(优选为10％的脱硫废气)引入第一空气压缩机5，第一空气压缩机5将引入的脱硫废气的压力提高至二氧化碳膜分离器6的工作压力，脱硫废气进入二氧化碳膜分离器6后分离得到二氧化碳和脱碳废气，二氧化碳膜分离器6采用的是现有技术中的二氧化碳膜分离法，在此不再赘述。接着，第二空气压缩机7将二氧化碳增压以储存至二氧化碳储罐8，脱碳废气通过二氧化碳膜分离器6的外部排气口储存至脱碳废气储罐10，二氧化碳储罐8中的二氧化碳通过减压阀组91将压力分别降至主机15和辅机16所需要的工作压力，当控制系统接到船舶进入ECA区信号时，进气阀组92中与运行的柴油机相应的进气阀打开，将二氧化碳储罐8中的二氧化碳输送至位于涡轮增压器后的主机15和辅机16的进气端，从而在进入主机15和辅机16的新鲜空气中直接混入二氧化碳，达到NOX减排效果。
综上，本发明实施例的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统至少具有以下有益效果：
(1)将EGR、湿法脱硫和二氧化碳膜分离装置有机结合，不仅可以减少脱硫洗涤塔的重复投资，所产生的二氧化碳还可同时满足主机和辅机的废气再循环要求，达到了同时减少NOX、SOX、CO2的排放量的目的，并实现了船舶设备的集成，整体结构紧凑；
(2)采用二氧化碳作为柴油机的再循环废气源的替代品，不仅可以保证主机、辅机的运行要求，还可减少清洁废气的储存空间；
(3)空气压缩机和脱碳废气储罐可作为船舶压缩空气系统的一部分，不仅为二氧化碳膜分离器提供工作压力，脱碳废气储罐存储的脱碳废气还可作为船用压缩空气的替代品，实现废气的综合利用；
(4)通过二氧化碳储罐储存二氧化碳，从而在非ECA区即可进行二氧化碳的储存工作，可降低空气压缩机在ECA区运行时的负荷要求。
最后，本发明以具体的实施例来说明其所达到的效果：
实施例一：
引风机将10％的脱硫废气导入第一空气压缩机，通过二氧化碳膜分离装器分离得到二氧化碳气体，并将分离得到的二氧化碳气体由第二空气压缩机压入二氧化碳储罐中储存。当控制系统接到船舶进入ECA区信号时，进气阀组中相应的进气阀打开，并根据主机或辅机功率信号调节进气阀开度，控制二氧化碳的进气量为正常柴油机扫气量的5％。此时，在25％、50％、75％、100％四个负载点下的氮氧化物排放权重值为3.1g/kwh，满足IMO公约要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，包括柴油机(1)、热交换器(2)、脱硫洗涤塔(3)、二氧化碳膜分离器(6)、二氧化碳储罐(8)及进气阀门组(9)，所述柴油机(1)的排气端(11)和进气端(12)之间设有废气循环管路(13)，所述热交换器(2)、脱硫洗涤塔(3)、二氧化碳膜分离器(6)、二氧化碳储罐(8)及进气阀门组(9)在所述废气循环管路(13)中依次设置，由所述柴油机(1)的排气端(11)排出的废气经所述热交换器(2)降温后进入所述脱硫洗涤塔(3)进行脱硫以获得脱硫废气，所述脱硫废气进入所述二氧化碳膜分离器(6)，经二氧化碳膜分离器(6)分离出的二氧化碳储存至所述二氧化碳储罐(8)，所述二氧化碳储罐(8)中的二氧化碳通过所述进气阀门组(9)输送至所述柴油机(1)的进气端(12)。
2.如权利要求1所述的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，所述柴油机(1)包括主机(15)与多个辅机(16)，所述主机(15)与所述多个辅机(16)各自的排气端与所述废气循环管路(13)连接，所述主机(15)与所述多个辅机(16)各自的进气端与所述进气阀门组(9)连接。
3.如权利要求2所述的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，所述进气阀门组(9)包括在所述二氧化碳储罐(8)与所述进气端(12)之间依次设置的减压阀组(91)及进气阀组(92)，所述减压阀组(91)包括主机减压阀(911)与多个辅机减压阀(912)，所述进气阀组包括主机进气阀(921)和多个辅机进气阀(922)。
4.如权利要求3所述的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，所述主机(15)与所述多个辅机(16)各自的进气端还与涡轮增压器连接，所述主机进气阀(921)和多个辅机进气阀(922)的排气口分别连接在所述主机(15)和所述多个辅机(16)各自的进气端与所述涡轮增压器之间。
5.如权利要求3所述的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，所述进气阀组(92)控制进入所述柴油机(1)的二氧化碳为柴油机扫气量的5％。
6.如权利要求1所述的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，所述脱硫洗涤塔(3)与所述二氧化碳膜分离器(6)之间依次设有引风机(4)与第一空气压缩机(5)，所述引风机(4)将所述脱硫洗涤塔(3)中设定比例的脱硫废气引入所述第一空气压缩机(5)，所述第一空气压缩机(5)将所述引风机(4)引入的脱硫废气的压力提高至所述二氧化碳膜分离器(6)的工作压力。
7.如权利要求5所述的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，所述二氧化碳膜分离器(6)与所述二氧化碳储罐(8)之间设有第二空气压缩机(7)，所述第二空气压缩机(7)用于将所述二氧化碳膜分离器(6)分离出的二氧化碳增压以储存至所述二氧化碳储罐(8)。
8.如权利要求6所述的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，还包括脱碳废气储罐(10)，所述脱碳废气储罐(10)连接所述二氧化碳膜分离器(6)的外部排气口与船舶压缩空气系统，所述第一空气压缩机(5)和所述第二空气压缩机(7)为所述船舶压缩空气系统的空气压缩机。
9.如权利要求7所述的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，还包括第三空气压缩机(18)，所述第三空气压缩机(18)与所述二氧化碳储罐(8)的外部排气口连接，所述第三空气压缩机(18)为所述船舶压缩空气系统的空气压缩机。
10.如权利要求1所述的船舶废气脱硫脱硝脱碳一体化系统，其特征在于，所述设定比例的脱硫废气为10％的脱硫废气。
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