CN108355475A - 一种船舶用单塔双区高效脱硫脱硝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种船舶用单塔双区高效脱硫脱硝装置,包括依次连接的废气处理管道和吸收塔,所述废气处理管道一端设置有烟气入口,另一端与所述吸收塔连通,所述吸收塔顶部设置有烟气出口,所述废气处理管道沿烟气运动方向设置有臭氧氧化单元，所述吸收塔沿烟气运动方向依次设置有第一吸收单元、第二吸收单元和除雾单元。本发明在单塔上实现吸收单元分区，先利用NaOH溶液高效脱硫，继而利用脱硫产物Na2SO3溶液脱硝，通过此分区、分侧重点的一塔脱硫脱硝工艺，能够保证脱硫、脱硝效率均达到90％以上。

Description

一种船舶用单塔双区高效脱硫脱硝装置
技术领域
本发明属于大气污染控制和海洋船舶尾气排放控制技术领域，具体是涉及一种船舶用单塔双区高效脱硫脱硝装置。
背景技术
随着海洋(内河)运输船舶数量的不断增加，船舶尾气的排放对大气及水体造成的污染和危害也日趋严重,排放的污染物包括氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)以及颗粒物(PM)等，并具有流动性大、扩散性大、持续时间长等特点，已成为继机动车尾气污染、工业企业排放污染之后，我国的第三大大气污染来源，引起了国内外的强烈关注,国际海事组织(IMO)还制定了一系列的船舶防污染公约，以限制船舶尾气的排放量及规范燃油的使用，加强对大气及海洋生态环境的保护。船舶尾气中NOx主要包括NO、NO2、N2O、N2O5等，其中NO占90％以上。SOx中95％为SO2，SO3仅为5％。因此，控制船舶尾气NOx和SOx排放的关键是对NO和SO2进行脱除。
目前，在陆地上针对燃煤电厂、冶金业和化工业等相关领域已有许多成熟的烟气处理技术，而针对船舶尾气的处理技术仍处于起步阶段。船舶在海上运行，对废气处理装置的体积、尾气处理效率、操控性、安全性、经济性等的要求均不同于陆地，不能简单地把陆地上的烟气处理技术直接应用于船舶，必须结合船舶的实际运行情况来综合分析，选择最适合实船应用的排气污染控制技术。现有单一处理船舶柴油机尾气的技术有很多，如：船舶尾气排放NOX处理技术，采用催化还原技术(稀燃NOX催化还原、选择性催化还原NOX、NOX吸附还原催化)等；船舶尾气排放SO2处理技术，采用石灰石—石膏法等；船舶内燃机排放颗粒处理技术，采用捕捉器收集等方法。
CN205361047U公开了一种用于船舶尾气一体化除尘脱硫脱硝装置,具体公开了包括真空高压除尘脱硫脱硝容器、真空高压加速器、尾气进气管、脱硫剂处理装置、脱硝剂处理装置、喷射混合泵、进水泵、排气装置、污水槽、运行控制装置，所述真空高压除尘脱硫脱硝容器、尾气进气管分别与真空高压加速器相连接，所述脱硫剂处理装置、脱硝剂处理装置分别与进水泵相连接，脱硫剂处理装置、脱硝剂处理装置、进水泵分别与喷射混合泵相连接，所述喷射混合泵与真空高压除尘脱硫脱硝容器连接，所述排气装置、污水槽分别与真空高压除尘脱硫脱硝容器相连接，所述真空高压加速器、脱硫剂处理装置、脱硝剂处理装置、喷射混合泵、进水泵、排气装置分别与运行控制装置相连接.然而,该技术方案存在设备庞大、初投资和运行费用高等缺点，及存在较多局限性。
CN102463015B公开了一种船舶废气脱硫脱硝处理方法，具体包括过滤步骤，除去船用柴油发动机所排废气中的粉尘；臭氧处理步骤，向除尘完毕的废气喷洒臭氧；过氧化氢处理步骤，向臭氧处理完毕的废气喷洒过氧化氢；中和处理步骤，向过氧化氢处理完毕的废气喷洒中和剂；除尘步骤，除去中和处理完毕的废气中所含细微粉尘。在上述中和处理步骤中，使用氯化钠水溶液作为中和剂，与废气中所含硫氧化物及氮氧化物反应；反应槽底部沉淀此次反应的生成物-中性盐；中性盐通过设置在反应槽底部的排管回收。该技术方案在上述臭氧处理步骤、过氧化氢处理步骤及中和处理步骤中，废气按流向依次通过多孔板划定的3个区域，反应在各自独立的空间中进行；或上述臭氧处理与过氧化氢处理步骤在同一空间中进行，中和反应在另一空间中进行,取得了较好的技术效果,但是工艺较为复杂,不能很好地将船舶尾气一体化处理。
综上,现有技术仍然缺乏一种适应船舶特点的、占用空间小、工艺简单、高效的船舶尾气脱硫脱硝一体化装置。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明的第一个目的是，公开了一种采用臭氧氧化结合湿法洗涤的技术路线，利用强氧化性O3将船舶尾气中难溶于水的NO氧化成水溶性较好的高价态氮氧化物(如NO2、NO3、N2O5等)，并在单塔双区高效塔上实现SO2和NOx的一体化脱除。本发明的技术方案如下:
一种船舶用单塔双区高效脱硫脱硝装置,包括依次连接的废气处理管道和吸收塔,所述废气处理管道一端设置有烟气入口,另一端与所述吸收塔连通,所述吸收塔顶部设置有烟气出口,所述废气处理管道沿烟气运动方向设置有臭氧氧化单元，所述吸收塔沿烟气运动方向依次设置有第一吸收单元、第二吸收单元和除雾单元。
废气中所含硫氧化物SOx及氮氧化物NOx与臭氧起氧化反应，具体反应式如下：
SO2+O3→SO3+O2
NO+O3→NO2+O2
2NO2+O3→O2+N2O5
经过上述臭氧处理步骤后，废气进入了吸收塔，本发明是在采用臭氧氧化结合湿法洗涤的技术路线，利用强氧化性O3将船舶尾气中难溶于水的NO氧化成水溶性较好的高价态氮氧化物(如NO2、NO3、N2O5等)，并在单塔双区高效塔上实现SO2和NOx的一体化脱除。采用NaOH溶液进行同时脱硫脱硝时，SO2与NaOH溶液之间的反应是优先进行的，SO2能够与NaOH迅速反应并生成SO3 2-离子，具有很高的脱除效率；但高浓度SO2对NOx在NaOH溶液中的吸收存在一定的抑制作用，且NOx与NaOH间的反应本就存在反应速率低、脱除效率不理想等问题，因此往往排放烟气中SO2能够实现达标，但NOx达标情况难以保证。
因此，本发明的核心是于一个吸收塔上设置双区,也就是去除SO2的脱硫区和去除NOx的脱硝区,所述脱硫区包括第一吸收单元,所述脱硝区包括第二吸收单元。两个吸收单元，先利用NaOH溶液高效吸收SO2，继而利用脱硫产物Na2SO3溶液脱硝，由于Na2SO3较NaOH对NOx表现出更佳的还原效果，因此通过此分区、分侧重点的一塔脱硫脱硝工艺，能够实现较高的脱硫脱硝效率。
作为优选，所述臭氧氧化单元包括沿烟气运动方向依次设置的臭氧投加均布器、混气室、多孔整流板、氧化反应室、出口风管,所述臭氧投加均布器与臭氧发生器连接；所述多孔整流板内径与管道相同，开孔率为50-80％，所述出口风管在水平方向呈5-15°夹角与所述吸收塔底部连通。
与臭氧发生器连接的臭氧投加均布器将O3快速而均匀地逆向注入烟气中；随后，混气室采用多孔整流板强化O3与烟气的混合；进入氧化反应器后，O3将烟气中的NO氧化成高价态氮氧化物；最终，氧化后的烟气经与水平方向呈5-15°夹角的出口风管从底部进入单塔双区高效塔中。所述整流多孔板上开多个圆形小孔，开孔率为50-80％，优选值58％，可以更好地平整气流。
作为优选，所述臭氧投加均布器包括母管、分配管和管道外壁，所述母管和分配管固定在所述管道外壁上，所述分配管与所述母管垂直交叉连接，并通过连接短管连通，所述分配管的管壁设置有均匀分布的投加单元；所述投加单元设置有若干个喷嘴，每个喷嘴的前端垂直设置有扰动片。
所述母管与臭氧气体源连接，臭氧气体母管进入分配管，然后由分配管进入投加单元，由投加单元向外界投放，臭氧投加均布器就将臭氧气体均匀投加进入烟气中。
作为优选，所述第一吸收单元包括沿烟气运动方向依次设置的第一填料层、第一氢氧化钠喷淋层和第二氢氧化钠喷淋层。
第一吸收单元沿烟气运动方向依次设置有填料层、两层氢氧化钠喷淋层，采用NaOH溶液作为吸收剂，以海水作为溶剂，可以高效吸收船舶烟气中的碱性气体和有毒重金属物质。首先，海水经过滤后由海水供给泵输送至第一浆液罐，并与NaOH配药罐提供的NaOH溶液进行混合，形成一定的浓度的NaOH溶液(质量浓度为0.5-8％)。NaOH溶液通过第一循环泵从塔底输送到该吸收单元顶部进行喷淋，并借助喷淋层下方的第一填料层平整气液分布、增长气液接触反应时间，从而脱除烟气中大部分的SO2和部分的NOx。所述第一填料层可选用PP或陶瓷材质的矩鞍环、鲍尔环、阶梯环或波纹填料，填料层厚度为100-200mm。
作为优选，所述第一吸收单元包括氢氧化钠浆液循环泵，所述氢氧化钠浆液循环泵的出口与所述第一氢氧化钠喷淋层和第二氢氧化钠喷淋层连接，所述氢氧化钠浆液循环泵的入口与氢氧化钠浆液罐连接，所述氢氧化钠浆液罐与氢氧化钠配药罐和海水供应泵连接。
本船舶处理工艺是开发式的，直接利用海水配置溶液，所生成的脱硫产物Na2SO3溶液通过第一排出泵从塔底外排至第二浆液罐储存。
作为优选，所述第二吸收单元包括沿烟气运动方向依次设置的旋流气帽托盘、第二填料层、第一浆液喷淋层和第二浆液喷淋层。
本发明的核心是单塔双区高效塔沿烟气运动方向设有两个吸收单元，以第一吸收单元的脱硫产物Na2SO3溶液(质量浓度为0.5-8％)作为吸收剂，进一步吸收NOx气体。经第一吸收单元脱除了大部分SO2的烟气，通过旋流板除雾后从气帽进入第二吸收单元。Na2SO3溶液通过第二循环泵从第二浆液罐输送到该吸收单元上方进行喷淋，并借助喷淋层下方的填料层平整气液分布、增长气液接触反应时间，对NOx进行高效还原吸收，并脱除残留的SO2。所述第二填料层可选用PP或陶瓷材质的矩鞍环、鲍尔环、阶梯环或波纹填料，所述第二填料层厚度为100-200mm。
作为优选，所述旋流气帽托盘设置有均匀分布的旋流气帽组件。
作为优选，所述第二吸收单元包括浆液循环泵，所述浆液循环泵的出口与第一浆液喷淋层和第二浆液喷淋层连接，所述所述浆液循环泵的入口与第二浆液罐连接，所述旋流气帽托盘的底部设置有回水口，所述回水口与所述第二浆液罐连接，所述第二浆液罐与第一排水泵的出口连接，所述第一排水泵的入口与所述吸收塔的塔底浆液聚集区通过管道连通，所述第二浆液罐与第二排水泵的入口连接，所述第二排水泵的出口与废液存储罐连接。
旋流气帽托盘一侧设有回水口，可将托盘所收集的喷淋浆液经回水口回流至第二浆液罐。反应完全的浆液通过第二排出泵外排储存，可作为船舶压载水使用。
作为优选，所述除雾单元包括丝网除雾器。
烟气从第二吸收单元排出进入单塔双区高效塔顶部的除雾层，该层设有丝网除雾器(可选用PP、FRP或合金材质，层厚为100-300mm)，用于去除烟气中夹带的雾滴。
作为优选，还包括设置于所述废气处理管道内、所述臭氧氧化单元之前的轴流风机，所述轴流风机前端还设置有换热器。船舶尾气经过换热器进行热量交换降低烟气温度后，经轴流风机进入臭氧氧化系统。
本发明的有益效果有：
(1)本发明采用臭氧氧化结合湿法洗涤的技术路线，利用强氧化性O3将船舶尾气中难溶于水的NO氧化成水溶性较好的高价态氮氧化物，有利于其在后续单塔双区高效塔中实现SO2和NOx的一体化高效脱除。
(2)采用海水作为试剂溶剂，可减少使用船舶上有限的淡水，同时海水具有一定的脱硫能力，能够降低NaOH试剂的用量，增加脱硫效率，降低装置整体的运行成本。
(3)本发明通过旋流气帽托盘的脱水防带液功能，在单塔上实现吸收单元分区，先利用NaOH溶液高效脱硫，继而利用脱硫产物Na2SO3溶液脱硝，通过此分区、分侧重点的一塔脱硫脱硝工艺，能够保证脱硫、脱硝效率均达到90％以上。
(4)本发明工艺设置合理，装置占地面积小、结构简单、运行维护简便、建设成本低，可广泛应用于船舶尾气脱硫脱硝。
附图说明
图1本装置工艺流程示意图；
图2臭氧投加均布器结构示意图；
图3臭氧投加均布器侧视图；
图4臭氧投加均布器投加单元局部的放大图；
图5旋流气帽托盘局部放大图；
图6旋流气帽托盘细节放大图；
附图标记:
烟气入口1、废气处理管道2、吸收塔3、烟气出口4、臭氧氧化单元5、臭氧投加均布器501、混气室502、多孔整流板503、氧化反应室504、出口风管505、臭氧发生器506、第一吸收单元6、第一填料层601、第一氢氧化钠喷淋层602、第二氢氧化钠喷淋层603、氢氧化钠浆液循环泵604、氢氧化钠浆液罐605、氢氧化钠配药罐606、海水供应泵607、第二吸收单元7、旋流气帽托盘701、第二填料层702、第一浆液喷淋层703、第二浆液喷淋层704、浆液循环泵705、第二浆液罐706、第二排出泵707、废液存储罐708、回水口709、第一排出泵710、除雾单元8、丝网除雾器801、轴流风机9、母管10、分配管11、投加单元12、管道外壁13、连接短管14、扰动片15、喷嘴16、旋流气帽组件17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，一种船舶用单塔双区高效脱硫脱硝装置,包括依次连接的废气处理管道2和吸收塔3,所述废气处理管道2一端设置有烟气入口1,另一端与所述吸收塔3连通,所述吸收塔3顶部设置有烟气出口1,所述废气处理管道2沿烟气运动方向设置有臭氧氧化单元5，所述吸收塔沿烟气运动方向依次设置有第一吸收单元6、第二吸收单元7和除雾单元8。
所述臭氧氧化单元5包括沿烟气运动方向依次设置的臭氧投加均布器501、混气室502、多孔整流板503、氧化反应室504、出口风管505,所述臭氧投加均布器501与臭氧发生器506连接；所述多孔整流板503内径与管道相同，开孔率为50-80％，所述出口风管505在水平方向呈5-15°夹角与所述吸收塔底部连通。如图2、图3、图4所示，所述臭氧投加均布器501包括母管10、分配管11和管道外壁13，所述母管10和分配管11固定在所述管道外壁103上，所述分配管11与所述母管10垂直交叉连接，并通过连接短管14连通，所述分配管11的管壁设置有均匀分布的投加单元12；所述投加单元12设置有若干个喷嘴16，每个喷嘴的前端垂直设置有扰动片15。
所述第一吸收单元6包括沿烟气运动方向依次设置的第一填料层601、第一氢氧化钠喷淋层602和第二氢氧化钠喷淋层603。所述第一吸收单元包括氢氧化钠浆液循环泵604，所述氢氧化钠浆液循环泵604的出口与所述第一氢氧化钠喷淋层601和第二氢氧化钠喷淋层602连接，所述氢氧化钠浆液循环泵604的入口与氢氧化钠浆液罐605连接，所述氢氧化钠浆液罐605与氢氧化钠配药罐606和海水供应泵607连接。
如图5和图6所示，所述第二吸收单元7包括沿烟气运动方向依次设置的旋流气帽托盘701、第二填料层702、第一浆液喷淋层703和第二浆液喷淋层704。所述旋流气帽托盘701设置有均匀分布的旋流气帽组件17。所述第二吸收单元7包括浆液循环泵705，所述浆液循环泵705的出口与第一浆液喷淋层703和第二浆液喷淋层704连接，所述所述浆液循环泵705的入口与第二浆液罐706连接，所述旋流气帽托盘701的底部设置有回水口709，所述回水口709与所述第二浆液罐706连接，所述第二浆液罐706与第一排水泵710的出口连接，所述第一排水泵710的入口与所述吸收塔2的塔底浆液聚集区通过管道连通，所述第二浆液罐706与第二排水泵707的入口连接，所述第二排水泵707的出口与废液存储罐708连接。所述除雾单元8包括丝网除雾器801。
作为优选，还包括设置于所述废气处理管道内、所述臭氧氧化单元之前的轴流风机，所述轴流风机前端还设置有换热器。船舶尾气经过换热器进行热量交换降低烟气温度后，经轴流风机进入臭氧氧化系统。
应用实施例
应用本装置处理船舶烟气，在臭氧氧化系统对船舶尾气中NO的氧化效率达90％下，单塔双区高效塔第一吸收区采用质量浓度为2％的NaOH溶液作为吸收剂，第二吸收区采用第一吸收区脱硫产物、质量浓度为1-2％的Na2SO3溶液为吸收剂，在液气比分别为2L/m3、4L/m3的运行工况下，本装置的处理效果如下：
由上表数据可知，本发明一个吸收塔上设置两个吸收单元，先利用NaOH溶液高效吸收SO2，继而利用脱硫产物Na2SO3溶液脱硝，相对直接通过NaOH处理，表现出更佳的还原效果，因此通过此分区、分侧重点的一塔脱硫脱硝工艺，能够实现较高的脱硫脱硝效率。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种船舶用单塔双区高效脱硫脱硝装置,包括依次连接的废气处理管道和吸收塔,所述废气处理管道一端设置有烟气入口,另一端与所述吸收塔连通,所述吸收塔顶部设置有烟气出口,其特征在于,所述废气处理管道沿烟气运动方向设置有臭氧氧化单元，所述吸收塔沿烟气运动方向依次设置有第一吸收单元、第二吸收单元和除雾单元。
2.一种如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述臭氧氧化单元包括沿烟气运动方向依次设置的臭氧投加均布器、混气室、多孔整流板、氧化反应室、出口风管,所述臭氧投加均布器与臭氧发生器连接；所述多孔整流板内径与管道相同，开孔率为50-80％，所述出口风管在水平方向呈5-15°夹角与所述吸收塔底部连通。
3.一种如权利要求2所述的装置,其特征在于,所述臭氧投加均布器包括母管、分配管和管道外壁，所述母管和分配管固定在所述管道外壁上，所述分配管与所述母管垂直交叉连接，并通过连接短管连通，所述分配管的管壁设置有均匀分布的投加单元；所述投加单元设置有若干个喷嘴，每个喷嘴的前端垂直设置有扰动片。
4.一种如权利要求1或2或3所述的装置,其特征在于,所述第一吸收单元包括沿烟气运动方向依次设置的第一填料层、第一氢氧化钠喷淋层和第二氢氧化钠喷淋层。
5.一种如权利要求4所述的装置,其特征在于,所述第一吸收单元包括氢氧化钠浆液循环泵，所述氢氧化钠浆液循环泵的出口与所述第一氢氧化钠喷淋层和第二氢氧化钠喷淋层连接，所述氢氧化钠浆液循环泵的入口与氢氧化钠浆液罐连接，所述氢氧化钠浆液罐与氢氧化钠配药罐和海水供应泵连接。
6.一种如权利要求5所述的装置,其特征在于,所述第二吸收单元包括沿烟气运动方向依次设置的旋流气帽托盘、第二填料层、第一浆液喷淋层和第二浆液喷淋层。
7.一种如权利要求6所述的装置,其特征在于,所述旋流气帽托盘设置有均匀分布的旋流气帽组件。
8.一种如权利要求7所述的装置,其特征在于,所述第二吸收单元包括浆液循环泵，所述浆液循环泵的出口与第一浆液喷淋层和第二浆液喷淋层连接，所述所述浆液循环泵的入口与第二浆液罐连接，所述旋流气帽托盘的底部设置有回水口，所述回水口与所述第二浆液罐连接，所述第二浆液罐与第一排水泵的出口连接，所述第一排水泵的入口与所述吸收塔的塔底浆液聚集区通过管道连通，所述第二浆液罐与第二排水泵的入口连接，所述第二排水泵的出口与废液存储罐连接。
9.一种如权利要求1或6或8所述的装置,其特征在于,所述除雾单元包括丝网除雾器。
10.一种如权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括设置于所述废气处理管道内、所述臭氧氧化单元之前的轴流风机，所述轴流风机前端还设置有换热器。
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