CN110280134B - 一种新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器及船舶柴油机尾气处理装置 - Google Patents

一种新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器及船舶柴油机尾气处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器及船舶柴油机尾气处理装置,其中反应器,包括反应器壳体,所述反应器壳体为圆柱形筒状结构,反应器壳体的内腔中间位置处设有与反应器壳体同轴设置的换热器,所述换热器包括换热器外壳,所述换热器外壳的顶端通过L形管道与烟气进口相连通,换热器外壳的底端伸出反应器壳体外,且换热器外壳的底端通过螺栓与换热器底板固定连接,所述换热器外壳的内腔中设有上下设置的第一螺旋管和第二螺旋管。本发明可高效回收尾气余热并吸收尾气中的二氧化硫,简化了处理工艺、提高了处理效率并降低了消耗的能源。

Description

一种新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器及船舶柴油机尾 气处理装置
技术领域
本发明涉及尾气处理装置,具体涉及一种新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器及船舶柴油机尾气处理装置。
背景技术
船舶能源消耗量巨大,较高的能耗不仅增加了运行的成本,也带来了严重的环境问题。船用柴油机作为船舶的主要动力输出装置,其效率将影响船舶的能耗。现如今,热机中热效率最高的船用二冲程柴油机,其主机热效率已接近50%,但仍有一半以上的能量没能有效利用,随着废气排放到环境中,这既污染了环境,又浪费了资源。若能充分利用船用柴油机的余热进行发电或者作为辅助热源提供蒸汽,则可同时达到节能和减排的目的。在能源趋于紧张、航运成本日益增加的今天,充分利用船舶上各种形式的能量,从而提高船舶的综合能量利用效率,是船东、海事组织和船舶制造商都极其关注的问题。
此外伴随国际国内航运事业的日益繁荣,船用柴油机尾气中SO2与NOX对大气环境造成的危害日渐严重,这直接影响了人类的健康。根据国际海事组织(IMO)提出的《防止船舶造成大气污染规则》,船用柴油机氮氧化物排放限值Tier III阶段较Tier II阶段需减少近76%,硫氧化物的排放不能超过6.0g/(kw·h)。因此,为了符合海事组织的相关规定,船用柴油机需要新的技术减少来自船舶排气系统的SO2与NOX
现有的尾气余热回收与脱硫装置均为独立系统,不利于船舶有限空间的合理利用。
发明内容
发明目的:本发明目的是提供一种新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器及船舶柴油机尾气处理装置,解决了现有的船用柴油机的尾气处理不达标,以及现有的船用柴油机的尾气余热回收与脱硫装置均为独立系统,不利于船舶有限空间的合理利用问题。
技术方案:本发明一种新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器,包括反应器壳体,所述反应器壳体为圆柱形筒状结构,反应器壳体的内腔中间位置处设有与反应器壳体同轴设置的换热器,所述换热器包括换热器外壳,所述换热器外壳的顶端通过L形管道与烟气进口相连通,换热器外壳的底端伸出反应器壳体外,且换热器外壳的底端通过螺栓与换热器底板固定连接,所述换热器外壳的内腔中设有上下设置的第一螺旋管和第二螺旋管,所述第一螺旋管和第二螺旋管的出口和进口均穿过换热器底板并且通过固定原件和螺栓与换热器底板固定连接,所述换热器外壳的底部周侧且位于反应器壳体内设有若干呈环形阵列分布的烟气分配孔,换热器外壳的顶部周侧且位于反应器壳体内设有环形喷淋管,所述环形喷淋管的底端设有若干喷嘴,所述烟气分配孔的下方且位于反应器壳体内设有装有吸收液的吸收液池,所述反应器壳体的顶端通过出气管与烟气出口相连通。
进一步的,位于所述反应器壳体内的L形管道的管道周侧设有换热肋片。传统脱硫塔烟气出口处经过处理后的尾气温度较低不能直接排放,需加热并除雾后排放,本发明采用换热肋片,在烟气出口处经过处理后的尾气与烟气进口内的尾气再次换热,使处理后的尾气达到150℃左右,无需除雾,可直接排入大气。
进一步的,所述环形喷淋管通过支架固定在反应器壳体内,位于环形喷淋管下方的换热器外壳上均涂覆保温涂层。保温涂层可防止换热器对正在脱硫的尾气进行加热。
进一步的,所述固定原件与换热器底板之间设有用于密封的无石棉纤维密封圈,所述换热器底板与第一螺旋管和第二螺旋管的出口和进口之间也设有用于密封的无石棉纤维密封圈,所述换热器外壳与换热器底板之间设有用于密封的无石棉垫片,换热器外壳与反应器壳体的接触处设有防腐密封圈。
进一步的,所述反应器壳体由相互对称的左右两部分组成,反应器壳体的左右两部分通过卡箍紧固连接,且反应器壳体的左右两部分接触处设有防腐密封垫。
一种设置有如上述任一项所述新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器的船舶柴油机尾气处理装置,包括吸收液储罐、工质储罐、冷凝器、汽轮机和工质分配箱,所述吸收液池通过管道与第一防腐蚀隔膜泵相连通,所述第一防腐蚀隔膜泵通过管道与吸收液储罐的进口相连通,所述吸收液储罐的出口与第二防腐蚀隔膜泵相连通,所述第二防腐蚀隔膜泵通过管道与环形喷淋管相连通;所述工质储罐的出口通过管道与工质泵相连通,所述工质泵通过管道与第二螺旋管的进口相连通,所述第二螺旋管的出口通过管道与工质分配箱的进口相连通,所述工质分配箱的出口与第一螺旋管的进口相连通,第一螺旋管的出口与汽轮机的蒸汽进口相连通,所述汽轮机的蒸汽出口通过管道与冷凝器的进口相连通,所述冷凝器的出口与工质储罐的进口相连通。
进一步的,所述汽轮机与发电机相连接。
进一步的,所述烟气进口通过管道与船用柴油机的尾气出口相连通。
有益效果:本发明在对尾气进行脱硫的同时,对尾气中携带的热量进行回收并有效地加以利用,产生电能,起到了节能减排的作用;在现有的设备基础上提出了脱硫与余热回收一体化设计,具有简化工艺、节约能源、缩小空间等明显的优势。
附图说明
图1为新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器内部结构示意图;
图2为烟道进口处换热肋片剖面图;
图3为第一螺旋管和第二螺旋管主视图;
图4为烟气分配孔剖面图;
图5为环形喷淋管俯视图;
图6为烟道进口处换热肋片俯视图;
图7为新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器主视图;
图8为新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器仰视图;
图9为换热器外壳与换热器底板连接结构示意图;
图10为固定原件与换热器底板连接结构示意图;
图11为换热器外壳与反应器壳体连接处示意图;
图12为反应器壳体的左右两部分连接处示意图;
图13为船舶柴油机尾气处理装置结构示意图;
图14为工质分配箱工作流程示意图。
具体实施例
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述:
如图1和图2所示,本发明一种新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器,其中反应器1包括反应器壳体101,反应器壳体101为圆柱形筒状结构,反应器壳体101的内腔中间位置处设有与反应器壳体101同轴设置的换热器2,换热器2包括换热器外壳201,换热器外壳201的顶端通过L形管道202与烟气进口102相连通,位于反应器壳体101内的L形管道202的管道周侧设有换热肋片103,由于传统脱硫塔烟气出口处经过处理后的尾气温度较低不能直接排放,需加热并除雾后排放,本发明通过采用换热肋片103,在烟气出口109处经过处理后的尾气与烟气进口102内的尾气再次换热,使处理后的尾气达到150℃左右,无需除雾,可直接排入大气;
如图3所示,换热器外壳201的底端伸出反应器壳体101外,且换热器外壳201的底端通过螺栓与换热器底板203固定连接,换热器外壳201的内腔中设有上下设置的第一螺旋管204和第二螺旋管205,第一螺旋管204和第二螺旋管205均为中空结构,第一螺旋管204位于第二螺旋管205的上方,第一螺旋管204和第二螺旋管205的出口和进口均穿过换热器底板203并且通过固定原件206和螺栓与换热器底板203固定连接,其中第一螺旋管204在上方,其出口207和进口208负责对气态工质进行二次加热,二次加热提高蒸汽参数;第二螺旋管205在下方,其出口209和进口210负责对工质进行初步加热,将液态工质加热为气态工质;
如图4和图5所示,换热器外壳201的底部周侧且位于反应器壳体101内设有若干呈环形阵列分布的烟气分配孔211,使尾气换热后均匀分配到换热器外壳201外部进行脱硫,换热器外壳201的顶部周侧且位于反应器壳体101内设有环形喷淋管104,环形喷淋管104通过支架105固定在反应器壳体101内,位于环形喷淋管104下方的换热器外壳101上均涂覆保温涂层,保温涂层可防止换热器2对正在脱硫的尾气进行加热,环形喷淋管104的底端设有若干喷嘴106,采用环形喷淋管104和喷嘴106对换热器外壳201与反应器壳体101之间的环状区域进行喷淋;烟气分配孔211的下方且位于反应器壳体101内设有装有吸收液的吸收液池107,吸收液池107内的吸收液可以是氨水、氢氧化钠等强碱性液体,以及海水等弱碱性液体,此时可以达到约97%的SO2脱除效率和85%的颗粒物脱除效率;也可以是双氧水、高锰酸钾、次氯酸钠等具有氧化能力的溶液,此时可以达到约99%的SO2脱除效率,85%的颗粒物脱除效率以及50%的NO脱除效率;烟气分配孔211需高于反应器壳体101底部吸收液池107液面,在此处可增加液位传感器,当液位达到设定值时及时启动第一防腐蚀隔膜泵8将多余的吸收液排出反应器1外;
如图6所示,反应器壳体101的顶端通过出气管108与烟气出口109相连通,烟气进口102与烟气出口109之间形成环状区域,结合换热肋片103,可使烟气出口109处尾气温度达到150℃左右;
如图7和图8所示,反应器壳体101由相互对称的左右两部分组成,反应器壳体101的左右两部分通过卡箍110紧固连接,且反应器壳体101的左右两部分接触处设有防腐密封垫111,反应器壳体101的结构设计保证拆卸的便捷性,通过卡箍110压紧防腐密封垫111和防腐密封圈112保证其密封性好;同时反应器1和换热器2的安装顺序应先将换热器2的第一螺旋管204和第二螺旋管205与换热器底板203固定连接,再安装换热器外壳201,换热器2安装并固定后再安装反应器壳体101,按照由内到外的顺序完成安装、密封与固定,使得反应器1安装拆卸十分便利;
如图9至图12所示,为了保证尾气处理的密封性,固定原件206与换热器底板203之间设有用于密封的无石棉纤维密封圈212,换热器底板203与第一螺旋管204和第二螺旋管205的出口和进口之间也设有用于密封的无石棉纤维密封圈212,换热器外壳201与换热器底板203之间设有用于密封的无石棉垫片213,换热器外壳201与反应器壳体101的接触处设有防腐密封圈112,防腐密封圈112材料为PTFE,用于防止尾气泄漏;
如图13所示,本发明的船舶柴油机尾气处理装置具有新型尾气余热回收与脱硫一体化反应器1,还包括吸收液储罐3、工质储罐4、冷凝器5、汽轮机6和工质分配箱7,吸收液池107通过管道与第一防腐蚀隔膜泵8相连通,第一防腐蚀隔膜泵8通过管道与吸收液储罐3的进口相连通,吸收液储罐3的出口与第二防腐蚀隔膜泵9相连通,第二防腐蚀隔膜泵9通过管道与环形喷淋管104相连通,环形喷淋管104喷出吸收液进行尾气脱硫等措施最终落入吸收液池107内,吸收液池107的吸收液再第一防腐蚀隔膜泵8和第二防腐蚀隔膜泵9的作用下在反应器1里内循环;
如图14所示,工质储罐4的出口通过管道与工质泵10相连通,工质泵10通过管道与第二螺旋管205的进口210相连通,第二螺旋管205的出口209通过管道与工质分配箱7的进口相连通,此时部分液态工质汽化在工质分配箱7上部形成气态工质,由于工质分配箱7的出口与第一螺旋管204的进口208相连通,气态工质再进入第一螺旋管204内,进一步吸热后使做功能力得到提升,由于第一螺旋管204的出口207与汽轮机6的蒸汽进口相连通,然后气态工质蒸汽则为汽轮机6提供动力,汽轮机6的蒸汽出口通过管道与冷凝器5的进口相连通,冷凝器5的出口与工质储罐4的进口相连通,使得最终气态工质蒸汽经过冷凝器5冷凝为液态后回到工质储罐4循环使用;其中汽轮机6还与发电机11相连接,气态工质蒸汽为汽轮机6提供动力,带动发电机11发电;反应器1的烟气进口102通过管道与船用柴油机12的尾气出口相连通。
工作原理:首先烟气进口102处的尾气温度大约在350℃左右,然后在换热肋片103的作用下与处理后的尾气进行气气换热,此过程中使处理后的尾气温度升高至150℃左右,略高于排放尾气的露点温度,无需除雾,可直接排入大气;相比于传统脱硫塔烟气出口处经过处理后的尾气温度较低不能直接排放,需加热并除雾后才能排放,简化工艺、节约能源;经过气气换热后的尾气温度大约在300℃左右,之后到达换热器2内的第一螺旋管204处,在第一螺旋管204处与气态工质换热,提高蒸汽品质,与气态工质换热后尾气温度降低到200-250℃,继续向下流动到第二螺旋管205处,与第二螺旋管205内的液态工质进行换热,换热后尾气温度进一步降低到100-150℃;
尾气完成换热后,经烟气分配孔211均匀分配到换热器外壳201与反应器壳体101之间的环状区域进行脱硫,吸收液储罐3内的吸收液在第二防腐蚀隔膜泵9的作用下经环形喷淋管104和喷嘴106在反应器1内部喷淋,对尾气进行脱硫后聚集在反应器壳体101内的吸收液池107中,再经过第一防腐蚀隔膜泵8回到吸收液储罐3,经处理后循环使用;经环形喷淋管104脱硫后尾气向上流动至烟气出口109,此时尾气的温度降至50℃,经烟气出口109处的换热肋片103换热,达到150℃的尾气无需除雾,直接排入大气。
其中,工质储罐4内的工质常温下温度大约在20-30℃,工质首先在工质泵10的作用下进入第二螺旋管205处进行初步换热,第二螺旋管205内的工质换热后温度升高,温度升高至100-150℃后流入工质分配箱7,此时部分液态工质气化在工质分配箱7上部形成气态工质,再将气态工质导入换热器2内的第一螺旋管204内进行进一步换热,换热膨胀后的气态工质蒸汽温度可达到200-250℃之间,蒸汽品质提高后做功能力大幅提升;最终将气态工质蒸汽导入汽轮机6,汽轮机6在蒸汽的作用下旋转做功,带动发电机11发电;做功后的气态工质蒸汽在冷凝器5的作用下凝结为液态,然后回到工质储罐4,进行循环。工质可采用水等高温朗肯循环工质,也可采用R134a、R123、R245fa以及R227ea等低温有机朗肯循环常见工质。

Claims (6)

1.一种船舶柴油机尾气处理装置,其特征在于,其包括尾气余热回收与脱硫一体化反应器,所述尾气余热回收与脱硫一体化反应器包括反应器壳体,所述反应器壳体为圆柱形筒状结构,反应器壳体的内腔中间位置处设有与反应器壳体同轴设置的换热器,所述换热器包括换热器外壳,所述换热器外壳的顶端通过L形管道与烟气进口相连通,换热器外壳的底端伸出反应器壳体外,且换热器外壳的底端通过螺栓与换热器底板固定连接,所述换热器外壳的内腔中设有上下设置的第一螺旋管和第二螺旋管,所述第一螺旋管和第二螺旋管的出口和进口均穿过换热器底板并且通过固定原件和螺栓与换热器底板固定连接,所述换热器外壳的底部周侧且位于反应器壳体内设有若干呈环形阵列分布的烟气分配孔,换热器外壳的顶部周侧且位于反应器壳体内设有环形喷淋管,所述环形喷淋管的底端设有若干喷嘴,所述烟气分配孔的下方且位于反应器壳体内设有装有吸收液的吸收液池,所述反应器壳体的顶端通过出气管与烟气出口相连通;
所述船舶柴油机尾气处理装置还包括吸收液储罐、工质储罐、冷凝器、汽轮机和工质分配箱,所述吸收液池通过管道与第一防腐蚀隔膜泵相连通,所述第一防腐蚀隔膜泵通过管道与吸收液储罐的进口相连通,所述吸收液储罐的出口与第二防腐蚀隔膜泵相连通,所述第二防腐蚀隔膜泵通过管道与环形喷淋管相连通;所述工质储罐的出口通过管道与工质泵相连通,所述工质泵通过管道与第二螺旋管的进口相连通,所述第二螺旋管的出口通过管道与工质分配箱的进口相连通,所述工质分配箱的出口与第一螺旋管的进口相连通,第一螺旋管的出口与汽轮机的蒸汽进口相连通,所述汽轮机的蒸汽出口通过管道与冷凝器的进口相连通,所述冷凝器的出口与工质储罐的进口相连通,所述汽轮机与发电机相连接。
2.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机尾气处理装置,其特征在于:位于所述反应器壳体内的L形管道的管道周侧设有换热肋片。
3.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机尾气处理装置,其特征在于:所述环形喷淋管通过支架固定在反应器壳体内,位于环形喷淋管下方的换热器外壳上均涂覆保温涂层。
4.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机尾气处理装置,其特征在于:所述固定原件与换热器底板之间设有用于密封的无石棉纤维密封圈,所述换热器底板与第一螺旋管和第二螺旋管的出口和进口之间也设有用于密封的无石棉纤维密封圈,所述换热器外壳与换热器底板之间设有用于密封的无石棉垫片,换热器外壳与反应器壳体的接触处设有防腐密封圈。
5.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机尾气处理装置,其特征在于:所述反应器壳体由相互对称的左右两部分组成,反应器壳体的左右两部分通过卡箍紧固连接,且反应器壳体的左右两部分接触处设有防腐密封垫。
6.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机尾气处理装置,其特征在于:所述烟气进口通过管道与船用柴油机的尾气出口相连通。
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