CN107433132B - 一种船舶柴油机尾气氮氧化物脱除装置及脱除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶柴油机尾气氮氧化物脱除装置及脱除方法，属于船舶柴油机废气处理技术领域。船舶柴油机主要的燃料油为重质燃油，其尾气中含有大量的氮氧化物。本发明通过等离子体与吸附相结合的方式采用新型工艺设计与方法对尾气中的NOx进行了处理。本发明利用填充床反应器进行循环吸附，同时，利用低温等离子体技术对尾气进行处理，在常温下实现了对船舶柴油机尾气中NOx气体的有效处理，并且终产物为单质无害气体。这种尾气处理方法无需催化剂参与，并且终产物不需要进行再次处理，减少了设备投入以及设备占地面积，满足了在动态复杂工况下对船舶尾气有效处理的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶柴油机尾气氮氧化物脱除装置及脱除方法，属于船舶柴油机废气处理技术领域。
背景技术
目前，船舶柴油机使用的普遍燃料油为重质燃油，其尾气中含有大量的氮氧化物(NOx＝NO+NO2)气体，能够造成酸雨、光化学烟雾以及臭氧空洞等一系列环境问题，严重破坏了地球生态系统。同时，它刺激人的眼、鼻、喉和肺部，容易造成呼吸系统疾病，对人体产生较大的危害。国际海事组织制定了较为严格的防污染公约，对船舶尾气NOx进行了严格的限制。相关研究人员也在积极的开发船舶尾气NOx处理装置，目的在于有效地去除船舶尾气中的NOx气体，满足法规要求，降低对环境的污染，减少对人体的危害。
目前船舶尾气NOx处理方法存在初期投资大、占地面积大、系统管理复杂、催化剂泄露以及动态处理效率低等问题。因此，开发一种简单高效且适用于船舶动态工况的尾气NOx处理技术是近年来科研人员的研究热点。在现有的船舶尾气NOx处理技术中，低温等离子体技术是一种非常有前景的技术。
低温等离子体技术能够在较低温度下活化和转化分子，实现许多常规条件下难以进行的化学反应。目前有很多研究是利用低温等离子体技术对烟气和尾气中的NOx进行处理。一般是利用低温等离子体的放电进行氧化反应过程，氧化反应过后再用催化剂以及碱吸收剂对其进行催化反应或中和反应，生成相应的无害气体和相应的盐。研究表明，在低温等离子体的协同作用下，可以提高NOx的处理效率，降低反应条件，使NOx的处理更为简单。但是，目前所开发的技术方法中对于船舶尾气中NOx的处理方法还有很多的不足，如动态工况尾气处理效果不佳、装置复杂、占地面积大、过程繁琐、反应条件高、催化剂中毒、处理副产物难处理以及催化剂泄露污染等问题。
针对现有处理船舶尾气中NOx方法所存在的各种各样的不足，开发出一种有效且适用于动态工况下的尾气NOx处理技术是研究的重要方向。针对现有处理技术的不足之处，提出本发明装置及技术方法。
发明内容
本发明的目的是这样实现的：
一种船舶柴油机尾气氮氧化物脱除装置及脱除方法，船舶柴油机1产生的尾气在电除尘装置2中进行除尘处理，处理后尾气经四向电控阀12分离后，一部分由第一等离子发生器3中气体入口14进入第一等离子体发生器3中进行第一步处理，第一等离子体发生器3的高压生成系统由供电装置6和高压生成器5组成；另一部分尾气由气体解附塔7下部入口22进入气体解附塔7中作为气体解附的热源；经过第一等离子体发生器3处理后的尾气由第一低温等离子体发生器气体出口15排出，通过填充床反应器气体入口16自下而上进入到填充床反应器4中，进行气体吸附过程，在吸附过程结束后，尾气由填充床反应器气体出口17排空；填充床反应器4中的吸附剂由吸附剂入口18进入到反应器内部，吸附待处理气体后由填充床反应器吸附剂出口19排出，经气体解附塔吸附剂入口20进入到气体解附塔7中；在气体解附过程完成后，提供热源的尾气由气体解附塔尾气出口23排出，经过电控阀11与四向电控阀12进入到第一等离子体发生器3中进行处理；吸附剂则从气体解附塔吸附剂出口21排出，由吸附剂输送泵13输送到填充床反应器4中；解附气体则由气体解附塔解附气体出口24排出进入到气体混合罐9中，与贫氧气体提供装置8所提供的贫氧气体进行混合后，由第二等离子体发生器气体入口25进入到第二等离子体发生器10中进行第二步的处理，处理后的气体由第二等离子体发生器气体出口26直接排放到空气中。
所述的第一等离子体发生器3和第二等离子体发生器10的结构为双介质层同轴圆柱体结构；包括中央高压电极27、外部电极28、外部电极介质层29、中央高压电极介质层30、绝缘封闭塞31、电极固定塞32和等离子体发生器腔体34；第一等离子体发生器3和第二等离子体发生器10的外部均设有外覆绝缘层33；所述中央高压电极27呈圆柱形，所述外部电极28呈圆管形，中央高压电极27位于外部电极28的中心；所述中央高压电极介质层30附着于中央高压电极27表面，所述外部电极介质层29附着于外部电极28内表面；外部电极介质层29与中央高压电极27间设有电极固定塞32；所述绝缘封闭塞31用于封闭外部电极介质层29的两端；中央高压电极介质层30和外部电极介质层29之间形成的空间为等离子体发生器腔体34。
一种船舶柴油机尾气氮氧化物脱除方法，包含以下步骤：
步骤一船舶柴油机生成尾气通过电除尘装置去除颗粒物质后进入等离子体发生器，使尾气中产生高能电子、中性粒子和自由基等活性粒子；同时，有一部分气体直接到达解附塔底部，充当气体解附的热源，随后再回流回第一低温等离子体发生器内进行处理，发生的反应为：
NO+O*＝NO2。
步骤二经过等离子体发生器氧化后的尾气自下而上进入填充床反应器内进行吸附处理，使氧化处理过后的NO2气体充分的被吸附剂吸附，同时经过吸附处理后的尾气直接排空。
步骤三填充床反应器内部的吸附剂自上而下流经填充床后进入解附塔内部进行气体解附处理；解附处理完成后通过输送泵送还回填充床反应器进行重复利用。
步骤四通过解附塔解附处理后的气体进入到气体缓冲箱内部，与添加的贫氧气体进行混合随后进入第二等离子体发生器内部等待处理，发生的反应为：
NO2+N*＝N2+O2。
步骤五经过贫氧气体混合处理后的气体进入到第二等离子体发生器的内部进行最后的处理过程，净化后的气体直接排放到空气中；因为第二等离子体发生器内部的气体为贫氧气体，所以在反应器内部主要发生还原反应。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明采用低温等离子体技术对尾气中的NOx气体进行处理，放电类型为介质阻挡放电。介质阻挡放电技术具有适于化学反应、放电过程易于控制、能量利用率高、可在常温下以及动态复杂工况下应用于船舶尾气处理等优点，且处理效果良好。
2、本发明介质阻挡放电等离子体发生器的结构为双介质层同轴圆柱体结构。中央高压电极表层覆有介质层，外层电极内侧部分也覆有介质层，这种结构可以避免柴油机尾气中的杂质及油污污染内部电极，延长了电极使用寿命。
3、本发明采用吸附与等离子体相结合的处理方式，避免了催化剂以及后续碱液吸收的程序，不存在催化剂中毒、催化剂泄露以及副产物难以处理等问题，完美解决了现有船舶尾气处理装置的问题。
4、本发明吸附装置采用填充床反应器作为吸附塔。这种装置中吸附剂处于流动状态，吸附床层处于相对静止的状态。气体自下而上进入填充床反应器内部时与自上而下的吸附剂充分接触，增大了气体吸收效果。随后经过解附塔解附处理后，吸附剂回送到填充床反应器内部循环利用。这种处理方式吸附剂可多次循环利用，大大降低了成本投入，并保障了动态工况下长期有效处理尾气的目的。
5、本发明初始尾气经过除尘处理后一部分直接进入第一等离子体发生器内进行处理，一部分直接进入到气体解附塔的底部，为解附过程提供热源。这种方式既减少了气体解附所需要的热源问题，又同时降低了气体温度，使气体处理更为有效。无需添加额外的热源提供装置也使设备投入成本降低，减少了设备整体的占地面积。
6、本发明尾气处理最终产物为单质气体，并没有其他副产物的生成，与其他尾气处理设备相比，省略掉了副产物处理及回收装置，大大降低了设备投入和维护成本，同时减少了设备占地面积，简化了工艺流程。
7、本发明可以在对船舶尾气中NOx有效脱出的同时对尾气中的残留颗粒物质也有一定的处理效果。
8、本发明无需添加常规处理方法中的尾气降温、加湿等设备，减小了设备投资以及设备占地面积。这就对紧张的船舶空间起到一定的缓解作用。
9、本发明气体采用多次循环处理的模式，使尾气温度利用以及处理效率到达了最大化。
附图说明
图1为本发明的船舶柴油机尾气NOx处理装置示意图。
图2为等离子体发生器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细地描述：
图1为本发明船舶柴油机尾气NOx处理装置示意图。图中1-船舶柴油机，2-电除尘装置，3-第一等离子体发生器，4-填充床反应器，5-高压发生器，6-供电装置，7-气体解附塔，8-贫氧气体提供装置，9-气体混合罐，10-第二等离子体发生器，11-电控阀，12-四向电控阀，13-吸附剂输送泵，14-第一低温等离子体发生器气体入口，15-第一低温等离子体发生器气体出口，16-填充床反应器气体入口，17-填充床反应器气体出口，18-填充床反应器吸附剂入口，19-填充床反应器吸附剂出口，20-气体解附塔吸附剂入口，21-气体解附塔吸附剂出口，22-气体解附塔尾气进口，23-气体解附塔尾气出口，24-气体解附塔解附气体出口，25-第二等离子体发生器气体入口，26-第二等离子体发生器气体出口。
图2为等离子体发生器示意图。图中27-中央高压电极，28-外部电极，29-外部电极介质层，30-中央高压电极介质层，31-绝缘封闭塞，32-电极固定塞，33-外覆绝缘层，34-等离子体发生器腔体。
船舶柴油机1产生的尾气在电除尘装置2中进行除尘处理，处理后尾气经四向电控阀12分离后，一部分由第一等离子发生器3中气体入口14进入第一等离子体发生器3中进行第一步处理，第一等离子体发生器3的高压生成系统由供电装置6和高压生成器5组成，此过程中的主要反应为NO+O*＝NO2。另一部分尾气由气体解附塔7下部入口22进入气体解附塔7中作为气体解附的热源。经过第一等离子体发生器3处理后的尾气由第一低温等离子体发生器气体出口15排出，通过填充床反应器气体入口16自下而上进入到填充床反应器4中，进行气体吸附过程，在吸附过程结束后，尾气由填充床反应器气体出口17排空。
填充床反应器4中的吸附剂由吸附剂入口18进入到反应器内部，吸附待处理气体后由填充床反应器吸附剂出口19排出，经气体解附塔吸附剂入口20进入到气体解附塔7中。在气体解附过程完成后，提供热源的尾气由气体解附塔尾气出口23排出，经过电控阀11与四向电控阀12进入到第一等离子体发生器3中进行处理。吸附剂则从气体解附塔吸附剂出口21排出，由吸附剂输送泵13输送到填充床反应器4中。
解附气体则由气体解附塔解附气体出口24排出进入到气体混合罐9中，与贫氧气体提供装置8所提供的贫氧气体进行混合后，由第二等离子体发生器气体入口25进入到第二等离子体发生器10中进行第二步的处理，此过程的主要反应为NO2+N*＝N2+O2，处理后的气体由第二等离子体发生器气体出口26直接排放到空气中。
Claims (3)
1.一种船舶柴油机尾气氮氧化物脱除装置，其特征在于，船舶柴油机(1)产生的尾气在电除尘装置(2)中进行除尘处理，处理后尾气经四向电控阀(12)分离后，一部分由第一等离子发生器(3)中气体入口(14)进入第一等离子体发生器(3)中进行第一步处理，第一等离子体发生器(3)的高压生成系统由供电装置(6)和高压生成器(5)组成；另一部分尾气由气体解附塔(7)下部入口(22)进入气体解附塔(7)中作为气体解附的热源；经过第一等离子体发生器(3)处理后的尾气由第一低温等离子体发生器气体出口(15)排出，通过填充床反应器气体入口(16)自下而上进入到填充床反应器(4)中，进行气体吸附过程，在吸附过程结束后，尾气由填充床反应器气体出口(17)排空；填充床反应器(4)中的吸附剂由吸附剂入口(18)进入到反应器内部，吸附待处理气体后由填充床反应器吸附剂出口(19)排出，经气体解附塔吸附剂入口(20)进入到气体解附塔(7)中；在气体解附过程完成后，提供热源的尾气由气体解附塔尾气出口(23)排出，经过电控阀(11)与四向电控阀(12)进入到第一等离子体发生器(3)中进行处理；吸附剂则从气体解附塔吸附剂出口(21)排出，由吸附剂输送泵(13)输送到填充床反应器(4)中；解附气体则由气体解附塔解附气体出口(24)排出进入到气体混合罐(9)中，与贫氧气体提供装置(8)所提供的贫氧气体进行混合后，由第二等离子体发生器气体入口(25)进入到第二等离子体发生器(10)中进行第二步的处理，处理后的气体由第二等离子体发生器气体出口(26)直接排放到空气中。
2.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机尾气氮氧化物脱除装置，其特征在于，所述的第一等离子体发生器(3)和第二等离子体发生器(10)的结构为双介质层同轴圆柱体结构；包括中央高压电极(27)、外部电极(28)、外部电极介质层(29)、中央高压电极介质层(30)、绝缘封闭塞(31)、电极固定塞(32)和等离子体发生器腔体(34)；第一等离子体发生器(3)和第二等离子体发生器(10)的外部均设有外覆绝缘层(33)；所述中央高压电极(27)呈圆柱形，所述外部电极(28)呈圆管形，中央高压电极(27)位于外部电极(28)的中心；所述中央高压电极介质层(30)附着于中央高压电极(27)表面，所述外部电极介质层(29)附着于外部电极(28)内表面；外部电极介质层(29)与中央高压电极(27)间设有电极固定塞(32)；所述绝缘封闭塞(31)用于封闭外部电极介质层(29)的两端；中央高压电极介质层(30)和外部电极介质层(29)之间形成的空间为等离子体发生器腔体(34)。
3.一种船舶柴油机尾气氮氧化物脱除方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一：船舶柴油机生成尾气通过电除尘装置去除颗粒物质后一部分尾气进入等离子体发生器，使尾气中产生高能电子、中性粒子和自由基；另一部分气体直接到达解附塔底部，充当气体解附的热源，随后再回流回第一低温等离子体发生器内进行处理，发生的反应为：
NO+O*＝NO2；
步骤二：经过等离子体发生器氧化后的尾气自下而上进入填充床反应器内进行吸附处理，使氧化处理过后的NO2气体充分的被吸附剂吸附，同时经过吸附处理后的尾气直接排空；
步骤三：填充床反应器内部的吸附剂自上而下流经填充床后进入解附塔内部进行气体解附处理；解附处理完成后通过输送泵送还回填充床反应器进行重复利用；
步骤四：通过解附塔解附处理后的气体进入到气体缓冲箱内部，与添加的贫氧气体进行混合随后进入第二等离子体发生器内部进行处理，发生的反应为：
NO2+N*＝N2+O2；
因为第二等离子体发生器内部的气体为贫氧气体，所以在反应器内部主要发生还原反应；
步骤五：净化后的气体直接排放到空气中。
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