CN109499365B - 一种基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝的船舶柴油机尾气综合治理系统及方法 - Google Patents

一种基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝的船舶柴油机尾气综合治理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合治理系统及其方法，所述系统为脱硫脱硝脱颗粒物一体化系统，包括脱硫塔、活性炭氧化器、脱硝塔，所述活性炭氧化器设置于脱硫塔和脱硝塔之间，所述活性炭氧化器的中部分为一级氧化器和二级氧化器，所述一级氧化器位于二级氧化器的下方，所述一级氧化器和二级氧化器的内部均装有活性炭。本发明能同时满足脱硫脱硝的要求，并且能同时脱除尾气中的颗粒物，脱硫率100％，脱硝率60％以上，结构紧凑，在船舶有限的空间上占地面积小。

Description

一种基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝的船舶柴油机尾气综合 治理系统及方法
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝的船舶柴油机尾气综合治理系统及方法。
背景技术
远洋船舶的主要动力设备依旧是柴油机，其在正常工作时会产生颗粒物(PM)、SOx和NOx。由船舶柴油机排放的PM、SOx、NOx分别约占全球排放总量的5％、13％和15％。在全球大气污染总量中，船舶尾气约占5～11％。氮氧化物和硫氧化物不仅会产生酸雨，腐蚀建筑物和土壤，而且会危害人类健康，导致癌症、呼吸道等疾病。MARPOL73/78公约附则VI对NOx和SOx的排放做了严格的规定，SOx的减排要求为：船舶燃料油的含硫量由现在的3.5％，至2020年1月1日起降至0.5％；在硫排放控制区，自2015年1月1日起，不得高于0.1％。而对于NOx的减排要求:2011年1月1日起实施的第二阶段标准要比第一阶段标准低15％；自2016年起，在氮氧化物控制区内，已经开始实施第三阶段的排放标准。目前针对SOx和NOx的脱除技术主要是前处理技术、机内技术和后处理技术，而PM的产生于燃油含硫量有很大关系，现在国际上还没有形成统一的PM测量方法，各国对PM的排放限值越来越严格，美国目前正在实施第四阶段的船舶柴油机颗粒物排放标准比第三阶段降低了接近70％，中国自2017年7月1日起开始实施第一阶段的船舶柴油机颗粒物排放标准。
对于脱除SOx，可以采用低硫油和替代燃料。对于采用低硫燃油，其价格比重油贵50％以上，这将会极大的增加船舶的运营成本，而且炼油厂需要安装新的脱硫设备，投资大，周期长。目前远洋船舶使用的主机并不能长期采用低硫油，因为不仅需要对主机进行重新改造，而且将导致主机的磨损加剧。若采用替代燃料，例如LNG，这可以同时解决SOx和颗粒物的困扰，然而缺乏相应的配套设施和运营经济性是制约其发展的因素。随着排放法规越来越严格和油价的上涨，当前已经对内河船舶进行了LNG的改造，将其作为大型远洋船舶的替代燃料目前似乎不太可能。目前实船主要采用湿法脱硫技术，此技术有开式、半开式、闭式这三种方式，湿法脱硫能够脱除部分PM，尤其是大颗粒物。对于脱除NOx，机内技术主要有废气再循环技术，但会增加船舶尾气中HC、PM等其它污染物的排放。在NOx的后处理技术中，比较成熟的是选择性催化还原技术。选择性催化还原技术需要使用催化剂，催化剂价格昂贵，尾气中含有硫氧化物，很容易造成催化剂毒化而失活，废弃的催化剂会造成二次污染。此技术需要使用氨气或者尿素做还原剂，容易造成氨泄漏，危害人体健康。对于脱除PM，例如使用LNG和低硫燃油，存在上述缺点。若使用颗粒物捕集器，会造成柴油机的背压升高，令柴油机燃烧工况变得恶劣。
对于一体化尾气脱除技术，目前有采用选择性催化还原技术和湿法脱硫相结合来脱除硫氧化物和氮氧化物以及部分颗粒物，此种方式也是存在催化剂价格高和废弃物造成二次污染问题。另外有通过O3强氧化剂将先将NO氧化成易溶于水NO2，再通过海水将NOx和SOx同时脱除，但由于制取O3的成本较高，适用性不大。还有采用电解海水产生次氯酸钠将NO氧化成高价态的氮氧化物，结合湿法脱硫将SOx和NOx同时脱除，此种方法的劣势是能耗比较大。
发明内容
针对以上情况，为了实现船舶尾气污染物的一体化脱除，本发明提出一种基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合治理系统及方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合治理系统，所述系统为脱硫脱硝脱颗粒物一体化系统，包括脱硫塔、活性炭氧化器、脱硝塔，所述活性炭氧化器设置于脱硫塔和脱硝塔之间，所述脱硫塔通过排气管路与活性炭氧化器相连，所述活性炭氧化器通过排气管路与脱硝塔相连；
所述活性炭氧化器的中部分为一级氧化器和二级氧化器，所述一级氧化器位于二级氧化器的下方，所述一级氧化器和二级氧化器的内部均装有活性炭。
所述一级氧化器、二级氧化器均为氧化器，是本领域的现有技术，本发明在一级氧化器和二级氧化器的内部均装有活性炭。
进一步地，所述一级氧化器的体积小于二级氧化器的体积。
进一步地，所述活性炭氧化器的底部通过排气管路与脱硫塔的顶部相连，活性炭氧化器的顶部通过排气管路与脱硝塔的底部相连。
进一步地，所述活性炭氧化器为圆形罐，所述活性炭氧化器的底部为渐扩型入口，活性炭氧化器的顶部为渐扩型出口，能使烟气与活性炭充分接触。
进一步地，所述活性炭氧化器的中部通过分隔网分为一级氧化器和二级氧化器，采用分隔网隔开，一级氧化器、二级氧化器均可便捷整体更换。
更进一步地，所述分隔网为不锈钢网。
进一步地，所述一级氧化器的顶部与底部之间设置有压差传感器，用于监测烟气经过一级氧化器前后之间的压降，当排气背压过大时，及时更换一级氧化器。
进一步地，所述脱硫塔、脱硝塔外均设有碱液洗涤循环泵，碱液洗涤循环泵通过碱液洗涤循环能将碱液抽上喷嘴处喷淋和增加碱液的循环利用率。
进一步地，所述脱硝塔的底部设有分布器，可以使烟气进入脱硝塔后流速和气含率分布更加均匀。
进一步地，所述脱硫塔和脱硝塔的顶部设有除雾器，除去被烟气所携带的小颗粒液滴。
本发明还提供一种利用上述的基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合系统进行综合处理的方法，船舶柴油机尾气(烟气)经过脱硫塔进行脱硫处理后，能脱除掉粒径≥1μm的粗态颗粒物，再进入活性炭氧化器，一级氧化器主要用来脱除不含硫氧化物尾气(烟气)中粒径小于1μm微小颗粒物，在二级氧化器将尾气(烟气)中含量90％的NO氧化成NO2，经过一级氧化器、二级氧化器后，将不含硫氧化物尾气(烟气)中的颗粒物脱除，并将NO氧化成易溶于水的NO2，高NO2/NOx占比的烟气再进入脱硝塔进行脱销处理，在脱硝塔内部脱除易溶于水的NO2，得到洁净(脱硫脱硝脱颗粒物)尾气(烟气)。
系统的工作原理如下：
柴油机排出的高温尾气先进入脱硫塔，若让尾气直接进入生物质活性炭氧化器，因为SOx与NOx在活性炭上存在竞争吸附，SOx在活性炭表面的亲和性比NOx高，先占据活性位点，造成活性炭脱硝率降低。因此尾气先进入脱硫塔进行脱硫处理，且脱硫效率几乎可达到100％，并脱除掉粒径较大的颗粒物(粒径≥1μm)。此时不含SOx的尾气从装有活性炭的氧化器底部进入，先经过一级氧化器，脱除掉粒径小(粒径小于1μm)的颗粒物，然后再通过二级氧化器，将NO氧化成易溶于水NO2。然后NO2再进入脱硝塔进行湿法脱硝。柴油机尾气中NO占NOx的90％以上，NO2一般不超过10％。因此活性炭氧化器将大部分的NO氧化成NO2，脱硝率可达到60％以上，并且能脱除颗粒物。该系统能实现船舶尾气脱硫脱硝及脱除颗粒物的一体化。
NO在水中的溶解度较小，由于一氧化氮带有自由基，这使它的化学性质非常活泼。常温下NO很容易氧化为二氧化氮，当它与氧气反应后，可形成NO2。
2NO+O2＝2NO2 (1)
NO在活性炭表面发生以下反应：
Figure BDA0001902835180000031
NO2在常温下易溶于水，而且在氧气存在的条件下，发生下列反应：
4NO2+2H2O+O2＝4HNO3 (3)
并且NO与O2可与水反应，化学方程式为：
4NO+3O2+2H2O＝4HNO3 (4)
本发明的有益效果：
采用本发明的好处是能同时满足脱硫脱硝的要求，并且能同时脱除尾气中的颗粒物(PM)，脱硫率100％，脱硝率60％以上。结构紧凑，只需在脱硫塔和脱硝塔之间添加活性炭氧化器，在船舶有限的空间上占地面积小。尾气先经过脱硫塔，相对于尾气直接经过活性炭，免除了二氧化硫对活性炭表面活性位的毒化，所使用活性炭价格便宜，而且活性炭生产原料来源丰富，比表面积大，废弃物不会造成二次污染，而且还能再生。
附图说明
图1脱硫脱硝脱颗粒物一体化系统的工艺流程图。
图2焦油煤质活性炭对NO的氧化特性图。
图中：1、脱硫塔，2、活性炭氧化器，3、脱硝塔，4、一级氧化器，5、二级氧化器，6、排气管路，7、压差传感器，8、碱液洗涤循环泵，9、分布器，10、除雾器。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例
如图1所示，一种基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合治理系统，所述系统采用脱硫脱硝脱颗粒物一体化系统，包括脱硫塔1、活性炭氧化器2、脱硝塔3，所述活性炭氧化器2设置于脱硫塔1和脱硝塔3之间；所述活性炭氧化器2的底部通过排气管路6与脱硫塔1的顶部相连，活性炭氧化器2的顶部通过排气管路6与脱硝塔3的底部相连；所述活性炭氧化器2为圆形罐，所述活性炭氧化器2的底部为渐扩型入口，活性炭氧化器的顶部2为渐扩型出口，能使烟气与活性炭充分接触。所述活性炭氧化器2的中部通过分隔网9分为一级氧化器4和二级氧化器5，所述一级氧化器4位于二级氧化器5的下方，且所述一级氧化器4的体积小于二级氧化器5的体积，所述一级氧化器4和二级氧化器5的内部均装满活性炭。所述分隔网9为不锈钢网，采用分隔网9隔开，一级氧化器、二级氧化器均可便捷整体更换。所述一级氧化器4的顶部与底部之间设置有压差传感器7，用于监测烟气经过一级氧化器4前后之间的压降，当排气背压过大时，及时更换一级氧化器4。所述脱硫塔1、脱硝塔3的外部均设有碱液洗涤循环泵8，碱液洗涤循环泵8通过碱液洗涤循环能将碱液抽上喷嘴处喷淋和增加碱液的循环利用率。所述脱硝塔3的底部设有分布器9，可以使烟气进入脱硝塔后流速和气含率分布更加均匀。所述脱硫塔1和脱硝塔3的顶部设有除雾器10，除去被烟气所携带的小颗粒液滴。船舶柴油机尾气从脱硫塔1中部的入口进入到脱硫塔1中，再从脱硫塔1顶部的出口经排气管路6从活性炭氧化器2的底部入口进入到活性炭氧化器2中，再从活性炭氧化器2顶部的出口经排气管路6从脱硝塔3的底部入口进入到脱硝塔3中，再从脱硝塔3顶部的出口排出。
利用上述的基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合系统进行综合处理的方法，船舶柴油机尾气(烟气)经过脱硫塔1进行脱硫处理后，能脱除掉粒径≥1μm的粗态颗粒物，再进入活性炭氧化器2，一级氧化器4主要用来脱除不含硫氧化物烟气中粒径小于1μm的微小颗粒物，在二级氧化器5将烟气中90％的NO氧化成NO2，经过一级氧化器4、二级氧化器5后，将不含硫氧化物烟气中的颗粒物脱除，并将NO氧化成易溶于水的NO2，高NO2/NOx占比烟气再进入脱硝塔3进行脱销处理，在脱硝塔3内部脱除易溶于水的NO2，得到洁净烟气。
实例验证：
进行模拟气实验，在石英管内装载40g粒径1.5mm的焦油柱状活性炭，实验温度为50℃。使用N2作为平衡气，总气体流量为2L/min，1000ppmNO，5％O2。
从图2中可以看出，NO先被氧化成NO2，被活性炭吸附。待活性炭将NO2吸附饱和后，在120min左右，NO2开始出现，并逐渐升高。到达550min左右时，混合气中的NO2浓度超过NO浓度，并逐渐上升，因此烟气经过脱硫塔1后，再通过活性炭氧化器氧化成NO2，再进入到脱硝塔3中，形成盐类的方式令氮氧化物脱除。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合治理系统，其特征在于，所述系统为脱硫脱硝脱颗粒物一体化系统，包括脱硫塔、活性炭氧化器、脱硝塔，所述活性炭氧化器设置于脱硫塔和脱硝塔之间，所述脱硫塔通过排气管路与活性炭氧化器相连，所述活性炭氧化器通过排气管路与脱硝塔相连；
所述活性炭氧化器的中部分为一级氧化器和二级氧化器，所述一级氧化器位于二级氧化器的下方，所述一级氧化器和二级氧化器的内部均装有活性炭；
所述一级氧化器的体积小于二级氧化器的体积；
所述活性炭氧化器的底部通过排气管路与脱硫塔的顶部相连，所述活性炭氧化器的顶部通过排气管路与脱硝塔的底部相连；
所述活性炭氧化器的底部为渐扩型入口，活性炭氧化器的顶部为渐扩型出口；
所述活性炭氧化器的中部通过分隔网分为一级氧化器和二级氧化器；
所述一级氧化器的顶部与底部之间设置有压差传感器，用于监测烟气经过一级氧化器前后的压降。
2.根据权利要求1所述的基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合治理系统，其特征在于，所述活性炭氧化器为圆形罐。
3.根据权利要求1所述的基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合治理系统，其特征在于，所述脱硫塔、脱硝塔外均设有碱液洗涤循环泵。
4.采用权利要求1-3中任意一项所述的基于活性炭氧化及湿法脱硫脱硝脱颗粒物的船舶柴油机尾气综合治理系统的综合治理方法，其特征在于，船舶柴油机尾气经过脱硫塔进行脱硫处理后，能脱除掉粒径≥1μm的粗态颗粒物，再进入活性炭氧化器，一级氧化器主要用来脱除不含硫氧化物尾气中粒径小于1μm的微小颗粒物，在二级氧化器将尾气中90%的NO氧化成NO2，经过一级氧化器、二级氧化器后，将不含硫氧化物尾气中的颗粒物脱除，并将NO氧化成易溶于水的NO2，再进入脱硝塔进行脱硝处理，在脱硝塔内部脱除易溶于水的NO2。
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