CN107138045B - 用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置 - Google Patents

用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置 Download PDF

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Abstract

一种用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置，包括第一废气管路、混合器及反应塔，所述第一废气管路与柴油机的排气口连接，所述混合器和所述反应塔沿废气的流动方向依次设置在所述第一废气管路中，所述混合器中设有尿素溶液喷枪，所述反应塔包括内层腔体与外层腔体，所述内层腔体的进气端与所述反应塔的进口连通，所述内层腔体的排气端与所述外层腔体的进气端连通，所述外层腔体的排气端与所述反应塔的出口连通，所述内层腔体沿废气的流动方向依次设有预氧化部与脱硫部，所述外层腔体设有脱硝部。本发明将预氧化部、脱硫部及脱硝部集成在一个反应塔中，整体占用空间小、安装成本低、安装方便。

Description

用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置
技术领域
本发明涉及船舶废气处理的技术领域，特别是关于一种用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置。
背景技术
随着经济全球化的发展，国际贸易和船舶运输业发展迅速，船舶吨位不断增加，随之而来的是船舶柴油机废气排放量的迅速增加，船舶废气排放造成的环境污染日趋严重，其中以氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)的排放对环境和人类造成的危害最为直接。为了减少船舶废气排放造成的大气污染，国际海事组织(IMO)及其海上环境保护委员会(MEPC)对船舶柴油机氮氧化物和硫氧化物的排放标准进行了严格的限制。
目前，IMO认可的能够满足TierⅢ排放标准的氮氧化物减排技术主要有两种：选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)技术和废气再循环(exhaust gasrecirculation，EGR)技术。其中，SCR技术采用还原剂在催化剂的作用下将废气中的NOx转化为对环境无害的氮气和水，该技术相对成熟，减排效果好，但处理装置体积庞大，运行和维护成本也较高，而EGR技术的原理是将发动机部分排气处理后重新引入气缸，增大气缸内混合气的比热容，降低缸内压缩终点温度和最高燃烧温度，从而达到减小氮氧化物生成的目的，该系统安装费用和运行费用远小于SCR系统，但是需要对船舶发动机进行改造，系统运行过程中还会产生洗涤废水，加装废水处理装置也会占用船舶的有效空间。
船舶SOx减排技术主要包括采用低硫燃油和废气清洗技术两种。其中，采用低硫燃油是最直接满足IMO排放要求的方法，不用对船舶进行较大改动，但船用低硫燃油价格昂贵，使用低硫燃油成本太高，同时低硫燃油粘度低、润滑差等缺点会对发动机造成一定的损害。作为IMO认可的另一种除去船舶废气中SOx的有效方法，废气清洗技术主要是通过对燃用低质高硫重油产生的废气进行清洗，除去其中的SOx，满足IMO有关燃油硫含量的要求，废气清洗技术主要分为两大类：湿法脱硫和干法脱硫，其中，湿法脱硫技术又包括：开环法(Open Loop)、闭环法(Closed Loop)以及复合型(Hybrid)湿法脱硫，脱硫效率高，技术成熟稳定，但洗涤装置也存在体积较大，运行和维护需一定费用的问题，而干法脱硫系统的优点是：能耗低、不需要水处理设备，适用于任何对排放水敏感的区域，能与SCR脱硝很好地结合。
基于上述处理方式，目前通常都是直接采用两套设备甚至多套设备分别对NOx和SOx进行先后处理，通过废气串联的方式先脱硝后脱硫，然而，废气串联处理方法设备体积巨大，占用大量船舶有效空间，背压高，对发动机正常工作影响较大，设备投资和运行费用都很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置，占用空间小、安装成本低。
本发明提供一种用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置，所述船舶废气处理装置包括第一废气管路、混合器及反应塔，所述第一废气管路与柴油机的排气口连接，所述混合器和所述反应塔沿废气的流动方向依次设置在所述第一废气管路中，所述混合器中设有尿素溶液喷枪，所述反应塔包括内层腔体与外层腔体，所述内层腔体的进气端与所述反应塔的进口连通，所述内层腔体的排气端与所述外层腔体的进气端连通，所述外层腔体的排气端与所述反应塔的出口连通，所述内层腔体沿废气的流动方向依次设有预氧化部与脱硫部，所述外层腔体设有脱硝部。
进一步地，所述预氧化部为双电极针对针高压电晕放电单元，包括高压电极板与接地电极板，所述高压电极板与所述接地电极板大小相同，所述高压电极板和所述接地电极板上设有多排钢针，所述高压电极板上的钢针尖端与所述接地电极板上的钢针尖端之间一一相对。
进一步地，所述高压电极板与所述接地电极板的面积均为500mm×1000mm，每个电极板上焊接有50-100排钢针，每排钢针的个数为10-50根，相邻钢针之间的距离为10-50mm，每根钢针的长度为20-50mm，每根钢针的直径为1mm，所述高压电极板上的钢针尖端和与之相对应的接地电极板上的钢针尖端之间的距离为50-80mm，所述钢针为316钢针。
进一步地，所述脱硫部为脱硫剂填料层，所述脱硫剂填料层包括活性组分由氢氧化钙、氢氧化镁和焦炭构成的脱硫剂，所述脱硫剂的饱和硫容为60％-70％。
进一步地，所述脱硝部内沿废气的流动方向依次设有三层脱硝催化剂，所述脱硝催化剂为波纹状、多孔状的纤维钛结构。
进一步地，所述内层腔体的排气端与所述外层腔体的进气端之间设有废气导流板。
进一步地，还包括第二废气管路、第一阀门及第二阀门，所述第一废气管路通过所述第一阀门与所述柴油机的排气口连接，所述第二废气管路通过所述第二阀门与所述柴油机的排气口连接，所述第一阀门与所述第二阀门由电动执行器控制，所述第一阀门在所述第二阀门开启时关闭并在所述第二阀门关闭时开启。
进一步地，所述反应塔的进口位于所述反应塔的顶端，所述反应塔的出口位于所述反应塔靠近顶端一侧的侧壁上，所述内层腔体为柱形腔体，所述内层腔体的顶端为进气端，所述内层腔体的底端为排气端，所述外层腔体为与所述内层腔体同轴的环形腔体，所述外层腔体的底部为进气端，所述外层腔体的顶部为排气端，所述内层腔体与所述外层腔体的连通处呈环形。
进一步地，所述反应塔中设有吹灰器，所述反应塔的底部设有收集罐，所述收集罐的进口处设有阀门。
进一步地，所述第一废气管路还设有第三阀门与第四阀门，所述第三阀门位于所述混合器与所述反应塔之间，所述第四阀门位于所述第一废气管路的排气端，所述反应塔与所述第四阀门之间设有引风机。
本发明实施例的用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置中，反应塔设有内层腔体与外层腔体，内层腔体沿废气的流动方向依次设有预氧化部与脱硫部，外层腔体设有脱硝部，使整个废气处理过程集中在一个反应塔中进行，装置整体占用空间小、安装成本低、安装方便，预氧化后的气体依次进行脱硫脱硝处理，氮氧化物和硫氧化物的去除效率高。
附图说明
图1为本发明一个实施例中用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置的结构示意图。
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。
首先需要说明的是，本说明书中“之前”与“之后”是以废气在管路中的流动方向作为参考方向，“之后”即指位于废气流动方向的下游。
图1为本发明一个实施例中用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置的结构示意图。如图1所示，本发明的用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置(以下简称“处理装置”)包括第一废气管路2、混合器3及反应塔6，第一废气管路2与柴油机1的排气口连接，混合器3和反应塔6沿废气的流动方向依次设置在第一废气管路2中，混合器3中设有尿素溶液喷枪31，反应塔6包括内层腔体621与外层腔体622，内层腔体621的进气端与反应塔6的进口61连通，内层腔体621的排气端与外层腔体622的进气端连通，外层腔体622的排气端与反应塔6的出口610连通，内层腔体621内沿废气的流动方向依次设有预氧化部63与脱硫部64，外层腔体622内设有脱硝部65。如此，从柴油机1排出的废气在混合器3中与氨气混合均匀后进入反应塔6，并依次经过反应塔6中的预氧化部63、脱硫部64与脱硝部65除去氮氧化物和硫氧化物，处理后的废气排至大气中，通过将反应塔6分隔为内层腔体621与外层腔体622，使整个废气处理过程集中在一个反应塔中进行，装置整体占用空间小、安装成本低、安装方便，且氮氧化物和硫氧化物的去除效率高。
具体地，反应塔6的进口61位于反应塔6的顶端，反应塔6的出口610位于反应塔6靠近顶端一侧的侧壁上，内层腔体621为柱形腔体，内层腔体621的顶端为进气端，内层腔体621的底端为排气端，预氧化部63位于内层腔体621的顶部，脱硫部64位于内层腔体621的底部，外层腔体622为与内层腔体621同轴的环形腔体，外层腔体622的底部为进气端，外层腔体622的顶部为排气端，内层腔体621与外层腔体622的连通处呈环形。
尿素溶液喷枪31为双流体喷枪。具体地，采用双流体喷枪可充分将40％尿素溶液雾化，保证尿素溶液的雾化粒径控制在40μm，雾化后的尿素溶液在混合器3内被分解为氨气，并与废气进行充分混合，优选的，混合器3选用316不锈钢材质，直径为Φ700-Φ1000。
预氧化部63为双电极针对针高压电晕放电单元，该双电极针对针高压电晕放电单元包括高压电极板631与接地电极板632，高压电极板631与接地电极板632大小相同，高压电极板631和接地电极板632上设有多排钢针，高压电极板631上的钢针尖端与接地电极板632上的钢针尖端之间一一相对。优选的，高压电极板631与接地电极板632的面积均为500mm×1000mm，每个电极板上焊接有50-100排钢针，每排钢针的个数为10-50根，相邻钢针之间的距离为10-50mm，每根钢针的长度为20-50mm，每根钢针的直径为1mm，高压电极板631上的钢针尖端和与之相对应的接地电极板632上的钢针尖端之间的距离为50-80mm，钢针为316钢针。使用时，将高压电极板631与高压直流电源连接通电，使两块极板上钢针尖端之间发生电晕放电，该过程会产生大量的O、N、OH、O2、HO2等自由基，这些自由基可以将废气中95％的NO氧化为NO2，同时将废气中的SO2氧化为SO3，这些反应过程可增强后续反应的吸收效率，提高废气中氮氧化物和硫氧化物的去除效率。
脱硫部64为脱硫剂填料层。在本实施例中，脱硫剂填料层包括活性组分由氢氧化钙、氢氧化镁和焦炭构成的脱硫剂，脱硫剂的饱和硫容为60％-70％，废气经过预氧化部63预氧化后，进入位于反应塔6内层腔体621下部(即气体流动方向的下游)的脱硫部64中与脱硫剂填料层进行作用，由于脱硫剂富含毛细孔、比表面积大、有效成分活性高、硫容高，因而脱硫效率高。此外，脱硫剂吸收废气中的硫氧化物的过程为放热反应，释放出的大量热量使废气的温度升高，有效保证后续在外层腔体622中进行脱硝反应的最适温度。
脱硝部65内设有脱硝催化剂。在本实施例中，脱硝部65内沿废气的流动方向依次设有三层脱硝催化剂，脱硝催化剂为波纹状、多孔状的纤维钛结构，具有高达99％的脱硝效率，使用寿命可以达到10000小时。
在本发明一实施方式中，内层腔体621的排气端与外层腔体622的进气端之间设有废气导流板67，废气导流板67为位于内层腔体621的底部且向内层腔体621拱起的半球形板或锥形板，由内层腔体621排出的废气在废气导流板67的导流下可充分进入外层腔体622中。
在本发明一实施方式中，反应塔6中设有吹灰器69，反应塔6的底部设有收集罐8，收集罐8的进口处设有阀门7。具体地，吹灰器69采用高压激波吹灰对位于外层腔体622中的脱硝催化剂的表面及孔道内的灰尘、油泥进行吹扫，防止烟灰在脱硝催化剂表面附着导致脱硝催化剂活性降低，吹扫下来的灰分和杂质通过阀门7进入收集罐8，阀门7优选为电动阀门。此外，反应塔6中还进一步设有压力传感器66与温度传感器68，用来监测反应过程中的压力变化和温度变化，保证整个反应过程在合适的温度和压力范围内。
在本发明一实施方式中，第一废气管路2还设有第三阀门5与第四阀门10，第三阀门5位于混合器3与反应塔6之间，第四阀门10位于第一废气管路2的排气端，优选的，第三阀门5和第四阀门10均为电动阀门。
进一步地，反应塔6与第四阀门10之间设有引风机9，加装引风机9可保证整个处理装置的排烟背压，不增加柴油机1的运行负荷。
在本发明一实施方式中，处理装置还可进一步包括第二废气管路4、第一阀门21及第二阀门41，第一废气管路2通过第一阀门21与柴油机1的排气口连接，第二废气管路4通过第二阀门41与柴油机1的排气口连接，第一废气管路2的排气端与第二废气管路4的排气端均与排烟囱11连接，第一阀门21与第二阀门41由电动执行器(图未示)进行联动控制，从而使第一阀门21在第二阀门41开启时关闭并在第二阀门41关闭时开启，优选的，第一阀门21与第二阀门41为旁通阀门。通过设置第二废气管路4、第一阀门21及第二阀门41，可在船舶在ECA(Emission Control Area，ECA)区域运行时，开启第一阀门21、关闭第二阀门41，对废气进行处理后排出以满足排放要求，而在非ECA区域运行时，关闭第一阀门21、开启第二阀门41，将废气通过第二废气管路4直接排至大气中，降低船舶能耗。
接下来，对本发明的处理装置的工作过程详细说明如下。
当船舶在ECA区域内运行时，关闭第二阀门41，开启第一阀门21、第三阀门5、第四阀门10，柴油机1运行产生的废气通过第一阀门21进入混合器3，在混合器3中与尿素分解的氨气进行充分混合，混合后的气体通过第三阀门5进入反应塔6，进入反应塔6的气体首先与位于反应塔6内层腔体621上部的预氧化部63产生的O、N、OH、O2、HO2等自由基作用，废气中的NO被氧化为NO2，废气中的SO2被氧化为SO3，预氧化后的气体进入位于反应塔6内层腔体621下部的脱硫部64中与脱硫剂填料层进行作用，除去废气中的硫氧化物，同时废气在脱硫过程中温度升高，接着，脱硫后且温度升高的气体在废气导流板67的导向下进入外层腔体622，与位于外层腔体622的脱硝部65中的脱硝催化剂反应，除去废气中的氮氧化物，脱硝后的气体满足IMO法规排放标准，经反应塔6的出口610、引风机9、第四阀门10由排烟囱11排放到大气中。
当船舶在非ECA区域内运行时，开启第二阀门41、关闭第一阀门21，柴油机1运行产生的废气经第二阀门41、第二废气管路4由排烟囱11排放到大气中。
综上所述，本发明的处理装置至少包括如下优点：
(1)反应塔设有内层腔体与外层腔体，内层腔体沿废气的流动方向依次设有预氧化部与脱硫部，外层腔体设有脱硝部，使整个废气处理过程集中在一个反应塔中进行，装置整体占用空间小、安装成本低、安装方便，预氧化后的气体依次进行脱硫脱硝处理，氮氧化物和硫氧化物的去除效率高；
(2)内层腔体的排气端与外层腔体的进气端之间设有废气导流板，废气导流板为位于内层腔体的底部且向内层腔体拱起的半球形板或锥形板，由内层腔体排出的废气在废气导流板的导流下可充分进入外层腔体中。
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：
在一台功率为9786KW的柴油机主机上配套本发明的处理装置进行台架实验。
在处理装置运行过程中，启动第一阀门21，尿素溶液喷枪31，与氨气充分混合的废气进入反应塔6，首先通过内层腔体621的放电单元进行预氧化，之后和脱硫剂填料层进行反应，脱除废气中的SOx，反应过程中产生的能量提高了废气温度，之后废气进入位于外层腔体622的脱硝部65，在脱硝催化剂的作用下，去除废气中的NOx，反应塔6上布置的压力传感器66和温度传感器68实时监测塔内的运行工况条件保证系统的正常运行，吹灰器69根据压力传感器66的反馈信号，通过压差控制启动对脱硝催化剂层进行吹扫，保证催化剂高效运行。
在台架实验测试过程中，处理装置运行500个小时，NOx和SOx的排放数值完全达到了IMO规定的排放标准，系统运行过程中的总压降小于2000Pa，氨逃逸值小于10ppm。
实施例二：
在一艘160000DWT的散货船上配套本发明的处理装置进行实船试验。
在处理装置运行过程中，启动第一阀门21，尿素溶液喷枪31，与氨气充分混合的废气进入反应塔6，首先通过内层腔体621的放电单元进行预氧化，之后和脱硫剂填料层进行反应，脱除废气中的SOx，反应过程中产生的能量提高了废气温度，之后废气进入位于外层腔体622的脱硝部65，在脱硝催化剂的作用下，去除废气中的NOx，反应塔6上布置的压力传感器66和温度传感器68实时监测塔内的运行工况条件保证系统的正常运行，吹灰器69根据压力传感器66的反馈信号，通过压差控制启动对脱硝催化剂层进行吹扫，保证催化剂高效运行。
在排放控制区域内，实船试验测试的处理装置运行300个小时，NOx和SOx的排放数值完全达到了IMO规定的排放标准，系统运行过程中的总压降小于2000Pa，氨逃逸值小10ppm。
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 (9)

1.一种用于同时去除硫氧化物和氮氧化物的船舶废气处理装置，其特征在于，所述船舶废气处理装置包括第一废气管路、混合器及反应塔，所述第一废气管路与柴油机的排气口连接，所述混合器和所述反应塔沿废气的流动方向依次设置在所述第一废气管路中，所述混合器中设有尿素溶液喷枪，所述反应塔包括内层腔体与外层腔体，所述内层腔体的进气端与所述反应塔的进口连通，所述内层腔体的排气端与所述外层腔体的进气端连通，所述外层腔体的排气端与所述反应塔的出口连通，所述内层腔体沿废气的流动方向依次设有预氧化部与脱硫部，所述外层腔体设有脱硝部，所述预氧化部为双电极针对针高压电晕放电单元，包括高压电极板与接地电极板，所述脱硫部为脱硫剂填料层，所述脱硫剂填料层包括活性组分由氢氧化钙、氢氧化镁和焦炭构成的脱硫剂，所述脱硫剂的饱和硫容为60%-70%，所述脱硝部内设有脱硝催化剂，所述脱硝催化剂为波纹状、多孔状的纤维钛结构。
2.如权利要求1所述的船舶废气处理装置，其特征在于，所述高压电极板与所述接地电极板大小相同，所述高压电极板和所述接地电极板上设有多排钢针，所述高压电极板上的钢针尖端与所述接地电极板上的钢针尖端之间一一相对。
3. 如权利要求2所述的船舶废气处理装置，其特征在于，所述高压电极板与所述接地电极板的面积均为500mm×1000 mm，每个电极板上焊接有50-100排钢针，每排钢针的个数为10-50根，相邻钢针之间的距离为10-50mm，每根钢针的长度为20-50mm，每根钢针的直径为1mm，所述高压电极板上的钢针尖端和与之相对应的接地电极板上的钢针尖端之间的距离为50-80mm，所述钢针为316钢针。
4.如权利要求1所述的船舶废气处理装置，其特征在于，所述脱硝部内沿废气的流动方向依次设有三层所述脱硝催化剂。
5.如权利要求1所述的船舶废气处理装置，其特征在于，所述内层腔体的排气端与所述外层腔体的进气端之间设有废气导流板。
6.如权利要求1所述的船舶废气处理装置，其特征在于，还包括第二废气管路、第一阀门及第二阀门，所述第一废气管路通过所述第一阀门与所述柴油机的排气口连接，所述第二废气管路通过所述第二阀门与所述柴油机的排气口连接，所述第一阀门与所述第二阀门由电动执行器控制，所述第一阀门在所述第二阀门开启时关闭并在所述第二阀门关闭时开启。
7.如权利要求1所述的船舶废气处理装置，其特征在于，所述反应塔的进口位于所述反应塔的顶端，所述反应塔的出口位于所述反应塔靠近顶端一侧的侧壁上，所述内层腔体为柱形腔体，所述内层腔体的顶端为进气端，所述内层腔体的底端为排气端，所述外层腔体为与所述内层腔体同轴的环形腔体，所述外层腔体的底部为进气端，所述外层腔体的顶部为排气端，所述内层腔体与所述外层腔体的连通处呈环形。
8.如权利要求1所述的船舶废气处理装置，其特征在于，所述反应塔中设有吹灰器，所述反应塔的底部设有收集罐，所述收集罐的进口处设有阀门。
9.如权利要求1所述的船舶废气处理装置，其特征在于，所述第一废气管路还设有第三阀门与第四阀门，所述第三阀门位于所述混合器与所述反应塔之间，所述第四阀门位于所述第一废气管路的排气端，所述反应塔与所述第四阀门之间设有引风机。
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