CN108612577A - 一种船舶活性炭法尾气脱硝装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种船舶活性炭法尾气脱硝装置,包括废气涡轮增压器2、烟气三通阀3、PM脱除装置4、烟气冷却器5,还包括NO氧化器5、反应器9、活性炭输送控制单元23和温度控制单元16。本套装置与现有的船舶脱硝装置相比系统组成较为简单,在本发明中活性炭充当吸附剂和还原剂。由于活性炭具有很强的吸附、还原能力,因此本发明中脱硝系统反应器的尺寸远小于现有基于尿素的船舶SCR脱硝系统的反应器尺寸。现有的船舶SCR脱硝系统基本上都采用尿素水溶液制取的NH3作为还原剂,尿素水溶液容易在混合器、催化剂表面形成尿素结晶造成脱硝系统的工作性能下降。本发明的消耗物只有活性炭,优势明显。

Description

一种船舶活性炭法尾气脱硝装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种尾气脱硝装置及方法,尤其涉及一种船舶基于活性炭法尾气脱硝 装置及方法,属于船舶柴油机排放控制领域。
背景技术
[0002] 船舶柴油机具有单机功率大、燃油经济性高、单位功率0)2排放量低等优点,因此 柴油机广泛地应用到海洋运输领域。船舶柴油机在工作过程中会产生大量的N0,N0是有毒 的空气污染物,对环境以及人体的健康带来极大的威胁。国际海事组织IM0—直以来对于船 舶尾气排放都有严格的限制标准,其中2016年1月1日起MARP0L公约Tierlll排放准则正式实 施,对船舶柴油机NOx的排放控制提出了更大的挑战。众多科研机构一直致力于船舶NOx排 放控制的研宄工作。
[0003] 船舶柴油机N0X的控制技术主要有低氮燃料、机内减排技术和尾气后处理等技术。 其中,尾气后处理技术是最有效的柴油机NOx排放控制技术。SCR技术是目前应用较为广泛 的船舶柴油机NOx后处理技术,船舶SCR技术是用尿素水溶液产生的NH3作为还原剂,在催化 剂的作用下将尾气中的NOx主要为N0还原为N2的技术。目前该技术在船舶上的应用依然存 在诸多问题,导致该技术在推广和实船应用上存在一定的风险和困难。
[0004]申请号为201710013128 • 5的专利《船舶废气脱硝系统》中应用SCR技术进行尾气脱 硝,该技术是利用船舶辅机的高温烟气去加热主机的烟气,从而使主机烟气的温度达到催 化剂的温度活性窗口。在该系统中烟气管路上加装的换热装置会在很大程度上增加了系统 的整体压降,相互分隔的烟气换热腔,热量交换的过程包括对流换热、固相介质传热、对流 换热三个换热过程,换热效率较低,从而导致烟气加热的困难。另外尿素溶液的存储也占用 了大量的船舶有效空间。
[0005]申请号为201611124S11.8的专利《船舶废气脱硝系统》中通过设置一个集成型的 脱硝反应器将尿素蒸发、混合、脱硝反应等过程集成到一个反应器中,减小SCR系统的体积。 但是该系统在脱硝反应器内部混合气经过导流板时,混合气中的灰分由于离心力的作用会 使沉积在导流板上,长期使用会造成导流板的脏堵。当混合气经过导流板后,混合气的流向 与烟气出口的流向成90°夹角,会造成明显的压降,从而造成柴油机性能下降。
[0006]综上所述,现有的利用尿素或NH3的船舶后处理脱硝系统存在很多不足,开发一套 高效、经济的船舶烟气脱硝系统至关重要。
发明内容
[0007]本发明的目的是为了解决原有SCR技术存在的占地空间大、反应温度高和经济成 本高等缺陷而提供一种基于活性炭法的尾气脱硝装置;本发明还提供了一种基于活性炭法 的尾气脱硝方法。
[0008] 本发明的目的是这样实现的:
[0009] —种船舶活性炭法尾气脱硝装置,包括废气涡轮增压器2、烟气三通阀3、PM脱除装 置4、烟气冷却器5,还包括NO氧化器5、反应器9、活性炭输送控制单元23和温度控制单元16;
[0010] 船舶柴油机1与废气涡轮增压器2相连,废气涡轮增压器2连通烟气三通阀3,烟气 三通阀3的一路直接连通到环境大气,另一路通过PM脱除装置4连通到NO氧化器5,N0氧化器 5与烟气冷却器6相连,反应器烟气控制阀7连通烟气冷却器6和反应器9,反应器9的上部通 过活性炭加装装置18与活性炭储存柜17相连,底部通过渣滓排出装置24与渣滓收集柜25相 连;
[0011] 所述的活性炭输送控制单元23通过采集反应器入口 NOx浓度传感器8和反应器出 口NOx浓度传感器10的信号来控制渣滓排出装置24和活性炭加装装置I8;当NOx的脱除效率 下降时,活性炭渣滓通过渣滓排出装置24从反应器9的底部排到渣滓收集柜25中,新的活性 炭从活性炭储存柜17通过活性炭加装装置18加装到反应器9中参与脱硝反应;
[0012]所述的温度控制单元16包括冷却剂储存器15、冷却剂供给泵14、电磁流量控制阀 13、冷却剂入口流量计12、烟气冷却器6和冷却剂出口流量计11;冷却剂储存器15与依次连 接的冷却剂供给泵14、电磁流量控制阀13、冷却剂入口流量计12、烟气冷却器6和冷却剂出 口流量计构成回路;温度控制单元I6根据反应器温度传感器20的信号来调节电磁流量控制 阀13从而控制烟气的温度
[0013] —种船舶活性炭法尾气脱硝方法,包括以下步骤:
[0014] a. N0被氧化为N〇2:烟气从船舶柴油机1的废气总管排出,经过废气涡轮增压器2和 PM脱除装置4后,进入N0氧化器5,在N0氧化器5中N0被氧化为N02;
[0015] b.降温:从NO氧化器5中排出的烟气经过烟气冷却器6降低温度;
[0016] c • N〇2与还原剂反应生成NS:烟气从反应器9的底部进入,其中的N02与反应器9中的 还原剂反应生成N2,经过处理后的烟气排入环境大气;
[0017] d•活性炭渣滓的输送:反应器9中被消耗的活性炭渣滓通过渣滓排出装置24从反 应器9的底部排出,进入到渣滓收集柜25;储存在活性炭储存柜17中的活性炭通过活性炭加 装装置18加入到反应器9中;
[0018] e•温度控制:温度控制单元16根据反应器温度传感器20的信号来调节电磁流量控 制阀13从而控制烟气的温度。
[0019] 本方法还包括这样一些特征:
[0020] 1 •所述的还原剂为活性炭、石墨、活性焦、焦炭或蜂窝煤;
[0021] 2.N0被氧化为N〇2的方法采用臭氧氧化法、催化氧化法或等离子体法。
[0022] 3 •烟气的温度控制在250 °C以下。
[0023]与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0024] 1本套装置与现有的船舶脱硝装置相比系统组成较为简单,在本发明中活性炭充 当吸附剂和还原剂。由于活性炭具有很强的吸附、还原能力,因此本发明中脱硝系统反应器 的尺寸远小于现有基于尿素的船舶SCR脱硝系统的反应器尺寸。
[0025] 2现有的船舶SCR脱硝系统基本上都采用尿素水溶液制取的NH3作为还原剂,尿素 水溶液容易在混合器、催化剂表面形成尿素结晶造成脱硝系统的工作性能下降。本发明的 消耗物只有活性炭,优势明显。
[0026] 3本发明是利用活性炭与n〇2作用生成N2和C02,现有的脱硝系统在脱除N0的同时还 存在氨逃逸,逃逸的氨气会对环境造成二次污染;与现有船舶Urea-SCR相比,本发明的还原 剂为固相的活性炭,在脱硝的同时不会带来二次污染。
[0027] 4活性炭与N〇2反应具有很高的反应效率,几乎能将N〇2全部还原为氮气,本发明氮 氧化物脱除效率很高,现有的船舶SCR脱硝系统温度必须达到催化剂的活性温度才能使反 应高效进行,本发明与现有的脱硝系统相比NOx脱除容易,且对反应温度要求低,更适合于 船舶柴油机使用。
[0028] 5现有脱硝系统消耗物为尿素水溶液,尿素水溶液的制备较难、价格较高,本发明 的消耗物为活性炭,活性炭制备的难易程度和价格两方面均优于尿素水溶液,因此本发明 具有更好的经济性。
附图说明
[0029] 图1是船舶活性炭法脱硝系统示意图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0031] 结合图1:其中1为船舶柴油机、2为废气涡轮增压器、3为烟气三通阀、4为PM脱除装 置、5为N0氧化器、6为烟气冷却器、7为反应器烟气控制阀、8为反应器入口 NOx浓度传感器、9 为反应器、10为反应器出口 NOx浓度传感器、11为冷却剂出口流量计、23为冷却剂入口流量 计、13为电磁流量控制阀、14为冷却剂供给栗、15为冷却剂储存器、16为温度控制单元、17为 活性炭储存柜、18为活性炭加装装置、19为温度指示仪、20为反应器温度传感器、21为烟气 入口压力指示仪、22为烟气出口压力指示仪、23为活性炭输送控制单元、24为渣滓排出装 置、25为渣滓收集柜。
[0032]船舶烟气由船舶柴油机1的排气总管排出,烟气进入到废气涡轮增压器2中,废气 涡轮增压器3后的烟气通过烟气三通阀3,当脱硝系统有故障时,烟气直接排入大气;当脱硝 系统正常运行时,烟气经过PM脱除装置4进入到N0氧化器5中,从N0氧化器5中出来的含N〇2 的发动机尾气经过烟气冷却器6,经过冷却的烟气通过反应器烟气控制阀7进入反应器9中, 在反应器中烟气被活性炭还原成N2,从反应器的塔顶排入到大气。活性炭输送控制单元通 过采集反应器入口 NOx浓度传感器8、反应器出口 NOx浓度传感器10的信号来控制反应器的 活性炭更新,当NOx的脱除效率下降时,活性炭渣滓从反应器的底部排到渣滓收集柜25中, 新的活性炭从活性炭储存柜17通过活性炭加装装置18加装到反应器中参与脱硝反应。
[0033] 为避免烟气温度太高造成活性炭着火,烟气的温度需要控制在250°C以下,烟气的 温度控制是由温度控制单元16调节电磁流量控制阀13的开度来实现的。
[0034]本发所述的发明仅以本文提出的方法和装置为示例,本文提出的炭基还原剂应该 广泛地理解为包括石墨、活性焦、焦炭、蜂窝煤等其他所有的炭基还原剂;本文所示意的装 置仅有一台反应器,但是应该理解为对于应用本发明装置原理的一台或多台反应器均在本 专利的保护范围;本文提到的N0氧化器包括臭氧氧化法、催化氧化法、等离子体法等所有的 能将N0氧化为N02的技术。
[0035]本套系统主要由N0氧化器、烟气冷却单元、反应器单元、控制单元等组成。船舶烟 气经过PM脱除装置后,尾气中的N0在N0氧化器中被氧化为N02,然后烟气进入烟气冷却器降 温冷却,以保证脱硝反应的正常进行。经过冷却的烟气从反应器的底部进入反应器单元,反 应器中的活性炭具有很强的吸附力,被活性炭吸附的N〇2能够快速地与活性炭反应生成 二氧化碳和氮气,处理后满足IMO排放要求的烟气由烟囱排出。
[0036]基于活性炭法的船舶脱硝系统具体工作流程如下:°
[0037] 1烟气从柴油机的废气总管排出,经过废气涡轮增压器和PM脱除装置后,烟气进入 NO氧化器,在NO氧化器中烟气中的NO被氧化为N02。
[0038] 2由于烟气温度较高,从NO氧化器中排出的烟气需经过烟气冷却器,以降低进入反 应器的烟气温度。
[0039] 3烟气从反应器的底部进入反应器,其中的N〇2与反应器中的活性炭反应,几乎全 部被快速地还原为N2,经过处理后的烟气通过烟囱排入大气。
[0040] 4反应器中被消耗的活性炭渣滓从反应器的底部排出,进入到渣滓收集柜。储存在 活性炭储存柜中的活性炭通过活性炭加装装置加入到反应器中,参与烟气的脱硝反应。 [0041]虽然本文中已经结合实施例对本发明进行了描述,但应该理解的是,本发明不局 限于所公开的实施方式,而是在如所附权利要求中限定的一样涵盖其特征的各种组合或者 修改己经包含在本发明的范围内的一些其他应用。
[0042]综上:本发明公开了一种新型的燃用低硫燃油的船舶尾气脱硝方法和系统,并且 提供了该种脱硝系统的相关技术路线和系统组成。船舶柴油机的尾气中含有大量的N0,利 用后处理技术能够有效地脱除N0,使船舶尾气排放满足Tierm的排放标准。现有的船舶后 处理脱硝技术存在占地面积大、反应条件苛刻、氨逃逸易造成二次污染、消耗物成本高、消 耗物在船舶储存难等问题。针对现有后处理脱硝技术存在的诸多问题,本发明提出了一种 新的船舶尾气脱硝方法和系统。本发明利用活性炭脱除烟气中的NO,首先将烟气中的No氧 化为N〇2,再利用活性炭的吸附性和还原性将N〇2还原为他。本发明的脱硝系统完全满足国际 公约对船舶NOx排放的要求,不会引起二次污染,由于活性炭与n〇2反应具有很高的效率,本 发明极大地减小了反应器的尺寸,同时由于活性炭的价格低廉,大大降低了脱硝成本。

Claims (6)

1. 一种船舶活性炭法尾气脱硝装置,包括废气涡轮增压器(2)、烟气三通阀(3)、PM脱除 装置⑷、烟气冷却器⑸,其特征在于,还包括N〇氧化器⑸、反应器⑼、活性炭输送控制单 元(23)和温度控制单元(16); 船舶柴油机(1)与废气涡轮增压器(2)相连,废气涡轮增压器(2)连通烟气三通阀(3), 烟气三通阀(3)的一路直接连通到环境大气,另一路通过PM脱除装置(4)连通到NO氧化器 ⑸,NO氧化器⑸与烟气冷却器⑹相连,反应器烟气控制阀⑺连通烟气冷却器⑹和反应 器(9),反应器⑼的上部通过活性炭加装装置(18)与活性炭储存柜(17)相连,底部通过渣 滓排出装置(24)与渣滓收集柜(25)相连; 所述的活性炭输送控制单元(23)通过采集反应器入口NOx浓度传感器(8)和反应器出 口NOx浓度传感器(10)的信号来控制渣滓排出装置(24)和活性炭加装装置(18);当NOx的脱 除效率下降时,活性炭渣滓通过渣滓排出装置(24)从反应器(9)的底部排到渣滓收集柜 (25)中,新的活性炭从活性炭储存柜(17)通过活性炭加装装置(18)加装到反应器⑼中参 与脱硝反应; 所述的温度控制单元(16)包括冷却剂储存器(15)、冷却剂供给泵(14)、电磁流量控制 阀(13)、冷却剂入口流量计(12)、烟气冷却器(6)和冷却剂出口流量计(11);冷却剂储存器 (15)与依次连接的冷却剂供给泵(14)、电磁流量控制阀(13)、冷却剂入口流量计(12)、烟气 冷却器⑹和冷却剂出口流量计构成回路;温度控制单元(16)根据反应器温度传感器(20) 的信号来调节电磁流量控制阀(13)从而控制烟气的温度。
2. —种船舶活性炭法尾气脱硝方法,其特征在于,包括以下步骤: a_N0被氧化为N02:烟气从船舶柴油机(1)的废气总管排出,经过废气涡轮增压器(2)和 PM脱除装置⑷后,进入NO氧化器(5),在NO氧化器⑸中N0被氧化为N02; b.降温:从NO氧化器⑸中排出的烟气经过烟气冷却器⑹降低温度; c • N02与还原剂反应生成N2:烟气从反应器⑼的底部进入,其中的与反应器⑼中的 还原剂反应生成N2,经过处理后的烟气排入环境大气; d.活性炭渣滓的输送:反应器(9)中被消耗的活性炭渣滓通过渣滓排出装置(24)从反 应器⑼的底部排出,进入到渣滓收集柜(25);储存在活性炭储存柜(17)中的活性炭通过活 性炭加装装置(18)加入到反应器(9)中; e •温度控制:温度控制单元(16)根据反应器温度传感器(20)的信号来调节电磁流量控 制阀(13)从而控制烟气的温度。
3. 根据权利要求2所述的一种船舶活性炭法尾气脱硝方法,其特征在于,所述的还原剂 为活性炭、石墨、活性焦、焦炭或蜂窝煤。
4.根据权利要求2或3所述的一种船舶活性炭法尾气脱硝方法,其特征在于,N0被氧化 为N02的方法采用臭氧氧化法、催化氧化法或等离子体法。
5.根据权利要求2或3所述的一种船舶活性炭法尾气脱硝方法,其特征在于,烟气的温 度控制在250°C以下。
6.根据权利要求4所述的一种船舶活性炭法尾气脱硝方法,其特征在于,烟气的温度控 制在25(TC以下。
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