CN108316993B - 往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于船舶柴油机颗粒物排放控制的后处理技术领域，具体涉及一种往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器。本发明利用逆流氧化装置实现极稀薄有机物质自维持周期往复流动被氧化处理原理，提出一种适用燃用重油船舶柴油机的往复流动式船舶柴油机新型连续催化再生DPF。新型DPF技术应用于燃用重质油船舶柴油机中，可以使得船舶柴油机颗粒物控制装置具有流动阻力小、颗粒物去除效果好、结构紧凑、易于再生、抗催化剂硫中毒能力强等优点，而且易于实现与柴油机主机、SCR脱硝装置和湿式洗涤脱硫装置之间的集成匹配，达到船舶柴油机废气脱硫、脱硝和脱颗粒物的一体化处理效果。

Description

往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器
技术领域
本发明属于船舶柴油机颗粒物排放控制的后处理技术领域，具体涉及一种往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器。
背景技术
二冲程低速柴油机是大中型远洋运输船舶的主要动力装置，为了降低成本，远洋船舶均使用高硫含量重质燃料油(Heavy fuel oil,HFO)和中间燃料油(Intermediatefuel oil,IFO)。与路用柴油机相比，船舶柴油机生成的颗粒物排放浓度更高、成分更加复杂，产生的污染更加严重。船舶柴油机排出的PM以核态、积聚态和粗颗粒态等三种模态存在，粒径尺寸覆盖从几纳米到20微米整个范围。在化学组分方面，不仅包含黑碳、硫酸盐和硝酸盐，还包含有大量的钒(V)，铅(Pb)和镍(Ni)等重金属成分，所以，船舶柴油机实现颗粒物捕集和催化剂再生更加困难。至今，没有成熟的船舶柴油机颗粒物排放控制的后处理技术。随着海上运输业的发展，船舶保有量的增大，船舶颗粒物排放造成的沿海区域大气污染日益严重，给沿岸居民的身体健康、生活和工作环境造成了重要影响。随着船舶柴油机大气污染物排放法规、标准的不断完善，船舶柴油机颗粒物排放也必将受到限制，开展船舶颗粒物控制技术研究迫在眉睫。
目前，柴油颗粒过滤器(DPF)仍没有在船舶低速柴油机中得到推广应用。国外大功率船舶柴油机及辅助设备主要供应商，在船舶柴油机DPF的高流动阻力、低温启燃、催化剂硫中毒和灰烬沉积阻塞失效等关键技术问题上开展的研究，均未取得突破性进展。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明利用逆流氧化装置实现极稀薄有机物质自维持周期往复流动被氧化处理原理，提出一种适用燃用重油船舶柴油机的往复流动式船舶柴油机新型连续催化再生DPF。新型DPF技术应用于燃用重质油船舶柴油机中，可以使得船舶柴油机颗粒物控制装置具有流动阻力小、颗粒物去除效果好、结构紧凑、易于再生、抗催化剂硫中毒能力强等优点，而且易于实现与柴油机主机、SCR脱硝装置和湿式洗涤脱硫装置之间的集成匹配，达到船舶柴油机废气脱硫、脱硝和脱颗粒物的一体化处理效果。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，包括壳体1和过滤体2，过滤体2固定安装于壳体1内，壳体1相对两端设置进气口3和排气口4，进气口3和排气口4上分别设置有进气阀和排气阀，同时在进气口3和排气口4上各设置一个电动开启阀门5，两个电动开启阀门5由微机控制同步开闭及控制气流流动方向，从而实现过滤体2内气流周期往复流动；
过滤体2采用壁流式结构，相邻两个通道由具有贯通微孔隙结构的固体壁2c间隔，相邻两通道一个入口端敞开而末端封闭，标注为通道2a，而另一个通道入口端封闭而出口端敞开，标注为通道2b；在固体壁2c壁面上涂覆TiO2薄层作为催化剂载体，用于提高催化剂催化活性和抑制硫中毒失效能力，然后在催化剂载体上涂覆V2O5、三氧化钨WO3和金属钯Pb组合催化剂，用于实现NOx和黑碳颗粒协同化学反应；过滤体2中部布置有电阻丝，用于启动催化反应时加热过滤体2。
进一步地，所述的固体壁2c由SiC颗粒烧结而成，SiC颗粒形成贯通微孔隙结构。
进一步地，所述的在催化剂载体上涂覆V2O5、WO3和金属钯Pb组合的催化剂，平均每立方分米的过滤体2中包含V2O5 20-50g/L，包含WO3 1-50g/L，包含金属钯Pd 0.25-1g/L。
进一步地，所述的平均每立方分米的过滤体2中包含V2O5 25-35g/L，包含WO3 25-35g/L，包含金属钯Pd 0.4-1g/L。
进一步地，所述的往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，还包括灰斗7，灰斗7设置在壳体1的底部，并与壳体1连通，用于收集反吹沉积的灰尘。
进一步地，所述的在壳体1内且过滤体2通道的进出口前设置清洗剂喷射装置6，喷射装置6上设置有多个喷头，喷射装置6内装有清洗剂，一方面，在周期换向过程中，对于凝聚在壁面上的附着物如硫酸盐或硝酸盐等实施定期喷射清洗剂清除，另一方面，还可以用于沉降反吹的灰尘。
本发明的工作原理如下：
燃用重油船舶柴油机排放温度在300～400℃范围内尾气，尾气在过滤体2内周期换向流动。如图3所示，正向流动周期内，柴油机尾气在过滤体2内正向流动，流线用实线表示；反向流动周期内，柴油机尾气在过滤体2内反向流动，流线用虚线表示。
正向周期流动内，柴油机尾气从进气口3进入壳体1内，且如图3所示从左端流入过滤体2的通道2a，穿过具有贯通微孔隙结构的固体壁2c，流入相邻的通道2b中并流向排气口4，尾气中大部分颗粒物被捕集并沉积在通道2a一侧的右半部分壁面上；过滤体2中部布置电阻丝，加热使电阻丝升温，在高温固体壁2c的作用下，积聚在通道2a壁面上的黑碳颗粒物A被催化氧化，而NOx被还原，同时，流经过滤体2通道的柴油机尾气中的微细黑碳颗粒、CO和HC等成分被氧化，化学反应灰烬、尾气中重金属灰尘、硫酸盐和硝酸盐物质等灰烬残余物B沉积在通道2a一侧壁面上；另外，在正向周期流动过程中，化学反应放出的热量加热并蓄存在过滤体2右半部具有贯通微孔隙结构的固体壁2c内，然后过滤体2内流通的尾气换向，变为反向周期流动。
反向周期流动，尾气沿着反方向从过滤体2右端通道2b流入，被正向流动周期内蓄存在固体壁2c内热量加热，然后穿过固体壁2c的贯通微孔隙流入相邻的通道2a，尾气中颗粒物被捕集并沉积在通道2b一侧的左半部分壁面上，同时，在反向气流作用下使得在正向周期内沉积在通道2a一侧壁面上灰烬残余物B吹离壁面，并在气流的携带下沉降到灰斗7内，在高温固体壁2c的作用下，积聚在通道2b壁面上的黑碳颗粒物A被催化氧化、而NOx被还原，同时，在高温条件下尾气中的微细黑碳颗粒、CO和HC等成分被氧化。化学反应灰烬、尾气中的重金属灰尘、硫酸盐和硝酸盐等灰烬残余物B沉积在通道2b一侧壁面上。另外，化学反应放出的热量又加热并蓄存在过滤体2左半部具有贯通微孔隙结构的固体壁2c内。然后过滤体2内流通的尾气换向，再变为正向周期流动，此过程周而复始。
过滤体2内流通尾气周期换向流动并发生的化学反应，产生的过滤体具有贯通微孔隙结构的固体壁2c壁面周期蓄热和放热过程，在过滤体2内形成一个稳定中间高温区域而两端低温度区域。在不同柴油机工作条件下，DPF都可以实现自维持其过滤体2内的通道壁面附着的黑炭颗粒物A催化转化、尾气中微细黑碳颗粒物、CO和HC被氧化而NOx被还原，以及聚集在通道壁面上的灰烬残余物B被反向气流清除，从而实现过滤体2连续被动再生；而且，这种过滤体2内稳定中间高温区域、两端低温度区域的温度分布，可以将尾气中的SO2部分被转化为SO3，但不与水蒸气凝结；另外，在过滤体2的进出口前布置了清洗剂喷射装置9，一方面，在周期换向过程中，对于凝聚在壁面上的附着物如硫酸盐或硝酸盐等实施定期喷射清洗剂清除；另一方面，还可以用于沉降反吹的灰尘。
DPF放出热量可以用于补偿选择性催化还原(SCR)脱硝装置进口气流的加热条件。DPF将尾气内的颗粒物被清除，也使得湿式洗涤脱硫装置的排出船体外的处理液浑浊程度符合MARPOL要求。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、应用碳化硅颗粒烧结形成的过滤体通道间壁微孔隙结构，实现低流通压降条件下颗粒物捕集；通过间壁壁面涂覆催化剂载体和改进催化剂涂覆方式，提高附着壁面黑炭催化转化效率和抑制硫中毒失效的能力；
2、利用在过滤体内周期换向流动和氧化反应放热过程，产生过滤体内中部平稳高温区域，维持低温流入柴油机尾气DPF再生，激发尾气中的黑碳颗粒、CO和HC进行氧化转化及NOx被还原；
3、新型DPF技术利用过滤体内周期换向流动，实现反向清除积聚在过滤体通道壁面上灰烬和硫酸盐等残余物。
本发明将为新型DPF在燃用重油柴油机中推广应用提供理论依据，本发明具有流动阻力小、颗粒物去除效果好、结构紧凑、易于再生、抗催化剂硫中毒能力强等优点，而且易于实现与柴油机主机、SCR脱硝装置和湿式洗涤脱硫装置之间的集成匹配，达到船舶柴油机废气脱硫、脱硝和脱颗粒物的一体化处理效果，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中往复流动式船舶柴油机连续催化再生DPF的结构示意图；
图2是图1的剖视图；
图3图2中过滤体的结构放大图；
图4是图3中过滤体中温度分布曲线图；
图5是图3中过滤体正、反向周期流动内具有贯通微孔隙结构的固体壁上的局部放大图，其中图5(a)是正向周期流动内具有贯通微孔隙结构的固体壁上的局部放大图，图5(b)是反向周期流动内具有贯通微孔隙结构的固体壁上的局部放大图；
图中：1壳体，2过滤体，2a通道，2b通道，2c固体壁，3进气口，4排气口，5电动开启阀门，6喷射装置，7灰斗，A黑碳颗粒物，B灰烬残余物。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案作进一步具体说明。
实施例1
如图1和图2所示，往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，包括壳体1和过滤体2，过滤体2固定安装于壳体1内，壳体1相对两端设置进气口3和排气口4，进气口3和排气口4上分别设置有进气阀和排气阀，同时在进气口3和排气口4上各设置一个电动开启阀门5，两个电动开启阀门5由微机控制同步开闭及控制气流流动方向，从而实现过滤体2内气流周期往复流动；灰斗7设置在壳体1的底部，并与壳体1连通，用于收集反吹沉积的灰尘。
如图2所示，过滤体2采用壁流式结构，相邻两个通道用具有贯通微孔隙结构的固体壁2c间隔，固体壁2c由SiC颗粒烧结而成，SiC颗粒形成具有贯通间壁2c的微孔隙结构；相邻两通道一个入口端敞开而末端封闭，标注为通道2a，而另一个通道入口端封闭而出口端敞开，标注为通道2b；在固体壁2c壁面上涂覆TiO2薄层作为催化剂载体，用于提高催化剂催化活性和抑制硫中毒失效能力，然后在催化剂载体上涂覆V2O5、三氧化钨WO3和金属钯Pb组合催化剂，用于实现NOx和黑碳颗粒的协同化学反应；在固体壁2c壁面上涂覆V2O5、WO3和金属钯Pb组合的催化剂，平均每立方分米的过滤体2中包含V2O5 20-50g/L，最佳含量为V2O525-35g/L，平均每立方分米的过滤体2中包含WO3 1-50g/L，最佳含量为WO3 25-35g/L，平均每立方分米的过滤体2中包含金属钯Pd 0.25-1g/L，最佳含量为金属钯Pd 0.4-1g/L。过滤体2中部布置有电阻丝，用于启动催化反应时加热过滤体2。
如图2所示，在壳体1内且过滤体2通道的进出口前设置清洗剂喷射装置6，喷射装置6上设置有多个喷头，喷射装置6内装有清洗剂，一方面，在周期换向过程中，对于凝聚在壁面上的附着物如硫酸盐或硝酸盐等实施定期喷射清洗剂清除，另一方面，还可以用于沉降反吹的灰尘。
使用上述往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器工作时，燃用重油船舶柴油机排放温度在300～400℃范围内尾气，尾气在过滤体2内周期换向流动。如图3所示，正向流动周期内，柴油机尾气在过滤体2内正向流动，流线用实线表示；反向流动周期内，柴油机尾气在过滤体2内反向流动，流线用虚线表示。
正向周期流动内，柴油机尾气从进气口3进入壳体1内，且如图3所示从左端流入过滤体2的通道2a，穿过具有贯通微孔隙结构的固体壁2c，流入相邻的通道2b中并流向排气口4，尾气中大部分颗粒物被捕集并沉积在通道2a一侧的右半部分壁面上；过滤体2中部布置电阻丝，加热使电阻丝升温，在高温固体壁2c的作用下，积聚在通道2a壁面上的黑碳颗粒物A被催化氧化，而NOx被还原，同时，流经过滤体2通道的柴油机尾气中的微细黑碳颗粒、CO和HC等成分被氧化，化学反应灰烬、尾气中重金属灰尘、硫酸盐和硝酸盐物质等灰烬残余物B沉积在通道2a一侧壁面上，如图5(a)所示；另外，在正向周期流动过程中，化学反应放出的热量加热并蓄存在过滤体2右半部具有贯通微孔隙结构的固体壁2c内，然后过滤体2内流通的尾气换向，变为反向周期流动。
反向周期流动，尾气沿着反方向从过滤体2右端通道2b流入，被正向流动周期内蓄存在固体壁2c内热量加热，然后穿过固体壁2c的贯通微孔隙流入相邻的通道2a，尾气中颗粒物被捕集并沉积在通道2b一侧的左半部分壁面上，同时，在反向气流作用下使得在正向周期内沉积在通道2a一侧壁面上灰烬残余物B吹离壁面，并在气流的携带下沉降到灰斗7内，如5(b)所示；在高温固体壁2c的作用下，积聚在通道2b壁面上的黑碳颗粒物A被催化氧化、而NOx被还原，同时，在高温条件下尾气中的微细黑碳颗粒、CO和HC等成分被氧化。化学反应灰烬、尾气中的重金属灰尘、硫酸盐和硝酸盐等灰烬残余物B沉积在通道2b一侧壁面上。另外，化学反应放出的热量又加热并蓄存在过滤体2左半部的固体壁2c内；然后过滤体2内流通的尾气换向，再变为正向周期流动，此过程周而复始。
过滤体2内流通尾气周期换向流动并发生的化学反应，产生的过滤体具有贯通微孔隙结构的固体壁2c壁面周期蓄热和放热过程，在过滤体2内形成一个稳定中间高温区域而两端低温度区域，如图4上显示的温度分布曲线。
在不同柴油机工作条件下，DPF都可以实现自维持其过滤体2内的通道壁面附着的黑炭颗粒物A催化转化、尾气中微细黑碳颗粒物、CO和HC被氧化而NOx被还原，以及聚集在通道壁面上的灰烬残余物B被反向气流清除，从而实现过滤体2连续被动再生；而且，这种过滤体2内稳定中间高温区域、两端低温度区域的温度分布，可以将尾气中的SO2部分被转化为SO3，但不与水蒸气凝结；另外，在过滤体2的进出口前布置了清洗剂喷射装置6，一方面，在周期换向过程中，对于凝聚在壁面上的附着物如硫酸盐或硝酸盐等实施定期喷射清洗剂清除；另一方面，还可以用于沉降反吹的灰尘。
DPF放出热量可以用于补偿选择性催化还原(SCR)脱硝装置进口气流的加热条件。DPF将尾气内的颗粒物被清除，也使得湿式洗涤脱硫装置的排出船体外的处理液浑浊程度符合MARPOL要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，其特征在于，包括壳体(1)和过滤体(2)，过滤体(2)固定安装于壳体(1)内，壳体(1)相对两端设置进气口(3)和排气口(4)，进气口(3)和排气口(4)上分别设置有进气阀和排气阀，同时在进气口(3)和排气口(4)上各设置一个电动开启阀门(5)，两个电动开启阀门(5)由微机控制同步开闭及控制气流流动方向，从而实现过滤体(2)内气流周期往复流动；
过滤体(2)采用壁流式结构，相邻两个通道由具有贯通微孔隙结构的固体壁(2c)间隔，相邻两通道一个入口端敞开而末端封闭，标注为通道(2a)，而另一个通道入口端封闭而出口端敞开，标注为通道(2b)；在固体壁(2c)壁面上涂覆TiO2薄层作为催化剂载体，用于提高催化剂催化活性和抑制硫中毒失效能力，然后在催化剂载体上涂覆V2O5、三氧化钨WO3和金属钯Pb组合催化剂，用于实现NOx和黑碳颗粒协同化学反应；过滤体(2)中部布置有电阻丝，用于启动催化反应时加热过滤体(2)。
2.根据权利要求1所述的往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，其特征在于，所述的固体壁(2c)由SiC颗粒烧结而成，SiC颗粒形成贯通微孔隙结构。
3.根据权利要求1所述的往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，其特征在于，所述的在催化剂载体上涂覆V2O5、WO3和金属钯Pb组合的催化剂，平均每立方分米的过滤体(2)中包含V2O5 20-50g/L，包含WO3 1-50g/L，包含金属钯Pd 0.25-1g/L。
4.根据权利要求3所述的往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，其特征在于，所述的平均每立方分米的过滤体(2)中包含V2O5 25-35g/L，包含WO3 25-35g/L，包含金属钯Pd 0.4-1g/L。
5.根据权利要求1所述的往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，其特征在于，所述的往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，还包括灰斗(7)，灰斗(7)设置在壳体(1)的底部，并与壳体(1)连通，用于收集反吹沉积的灰尘。
6.根据权利要求1所述的往复流动式船舶柴油机连续催化再生柴油颗粒过滤器，其特征在于，所述的在壳体(1)内且过滤体(2)通道的进出口前设置清洗剂喷射装置(6)，喷射装置(6)上设置有多个喷头，喷射装置(6)内装有清洗剂，其作用一方面，在周期换向过程中，对于凝聚在壁面上的附着物如硫酸盐或硝酸盐等实施定期喷射清洗剂清除，另一方面，还可以用于沉降反吹的灰尘。
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