CN110339695A - 一种船舶废气脱硝处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种船舶废气脱硝处理系统，包括动力液槽、文丘里反应器和气液分离器；动力液槽、文丘里反应器和气液分离器依次通过管道连接，动力液槽与文丘里反应器的连接管道上设置有进液阀门和泵，气液分离器的排液口与动力液槽连接，文丘里反应器的进气口通过质量流量计和进气阀门与废气管连接。文丘里反应器在吸入气体的同时引起液体空化，通过高速液体对气体的剪切作用产生大量气体充气泡。空化会在空腔中产生高压和高温热点，在水力空化过程中产生的羟基自由基是强氧化物质，也促进NO的氧化。当空腔坍塌时，微喷射产生湍流并增强反应物的传质。该系统具有能耗小、寿命长、安全可靠、性能稳定和便于操作的特点。

Description

一种船舶废气脱硝处理系统
技术领域
本发明涉及一种用于船舶废气脱硝处理的系统，属于废气脱硝处理技术领域。
背景技术
船舶占世界贸易量的80％，仅产生温室气体排放量的2-3％。到目前为止，海运是世界上运输货物的最具成本效益的方式。然而，船舶造成严重的空气污染问题，特别是在沿海港口城市和地区。船舶的NOx排放越来越受到关注。NO占废气中NOx的90％以上，因此脱硝的关键是去除NO。
用于发动机的NOx排放减少技术包括燃烧控制和燃烧后减排技术。对于燃烧控制，航运领域的许多研究人员关注废气再循环(EGR)和替代燃料(Lique fied Natural Gas(LNG)，Hydrogen，Methoanol)。能源效率，PM排放和一氧化碳(CO)排放是EGR最重要的问题。废气温度限制，PM排放，流体气体清洁度，安装空间问题以及尿素氨对船员寿命的影响限制了选择性催化还原(SCR)的应用。LNG的应用可以同时减少SOx，NOx和PM，但存储，加油和基础设施相关问题以及温室气体排放问题在短期内无法解决。
基于以上原因，目前尚无成熟的船舶废气脱硝技术。
发明内容
针对现有的船舶废气处理技术的废气温度限制、PM排放、流体气体清洁度、安装空间问题以及尿素氨对船员寿命的影响等问题，本发明提供一种能耗小、寿命长，安全可靠的船舶废气脱硝处理系统，该系统利用文丘里管式的水力空化反应器能够做到脱掉船舶废气中的NOx。
本发明的船舶废气脱硝处理系统，采用以下技术方案：
该系统，包括动力液槽、文丘里反应器和气液分离器；动力液槽、文丘里反应器和气液分离器依次通过管道连接，动力液槽与文丘里反应器的连接管道上设置有进液阀门和泵，气液分离器的排液口与动力液槽连接，文丘里反应器的进气口通过质量流量计和进气阀门与废气管连接。
所述动力液槽采用低温恒温浴槽。
所述气液分离器包括串联的第一级气液分离器和第二级气液分离器，第一级气液分离器的排液口与低温恒温浴槽连接。
所述气液分离器的排气口与气体分析仪连接。所述气体分析仪与数据分析器连接。
所述质量流量计与数据分析器连接。
所述文丘里反应器包括进口渐缩段、喉部和出口渐扩段，喉部设置有进气口，所述进口渐缩段的长度为100mm，所述出口渐扩段的长度为100mm，所述喉部的直径为20mm，喉部的长度为200mm。所述喉部与进口渐缩段连接处的入口锥角为18°，所述喉部与出口渐扩段连接处的出口锥角为18°。
所述泵的出口与文丘里反应器的出口之间连接有旁通阀门，在质量流量计的出口与气液分离器的进口之间连接有实验阀门，以进行空化脱硝实验。
文丘里反应器在吸入气体的同时引起液体空化，通过高速液体对气体的剪切作用产生大量气体充气泡。空化会在空腔中产生高压(60000bar)和高温(2000-6000K)热点，具有难以想象的快速加热速率(高达109K/s)。空腔中的极端化学反应条件对加速化学反应有很大帮助。在水力空化过程中产生的羟基自由基是强氧化物质，也促进NO的氧化。当空腔坍塌时，微喷射产生湍流并增强反应物的传质。
本发明利用文丘里反应器脱掉船舶废气中的NOx，具有以下特点：
1.使用文丘里反应器在流体气体入口处产生真空，而不会引起废气排放柴油发动机的背压增加。
2.使用文丘里反应器对废气中的杂质不敏感，因此不容易引起脏堵塞，具有优于传统洗涤器的明显优势。
3.使用文丘里反应器可以产生大量的气体填充气泡。气体填充气泡极大地扩大了气液接触面积并提高了化学反应速率。在同一个时间，氧化剂分子和水分子被用于气体填充气泡内部与NO分子的相互作用。
4.使用文丘里反应器，气体填充气泡在生产后被压缩并变小。较小的空间增加了分子的碰撞机会，进一步加强了脱硝效果。
5.性能稳定、可靠性高和便于操作。
6.设备操作简单，维修方便，安全可靠，避免了频繁的清洗，无二次环境污染。
附图说明
图1为本发明船舶废气脱硝处理系统的结构原理示意图。
图2为本发明中文丘里反应器的结构示意图。
其中：1.第一阀门，2.第二阀门，3.第三阀门，4.第四阀门，5.第五阀门，6.第五阀门(样品阀)，7.第七阀门，8.第八阀门，9.低温恒温浴槽，10.泵，11.文丘里反应器，12.第一级气液分离器，13.第二级气液分离器，14.废气管，15.质量流量计，16.数据分析器，17.气体分析仪，18.质量流量控制器，19.pH测量计；20.进口渐缩段，21.喉部，22.进气口，23出口渐扩段，24.管路。
具体实施方式
如图1所示，本发明的船舶废气脱硝处理系统为闭环反应器，包括低温恒温浴槽9(用于提供液体)、文丘里反应器11、气体分配系统和气体分析系统。低温恒温浴槽9、文丘里反应器11、第一级气液分离器12和第二级气液分离器13依次通过管道连接，第二级气液分离器12的排气口与气体分析仪17连接。低温恒温浴槽9与文丘里反应器11的连接管道上设置有第一阀门1(进液阀门)、泵10和第二阀门2。文丘里反应器11与第一级气液分离器12的连接管道上设置有第四阀门4，第一级气液分离器12的排液口通过第五阀门5与低温恒温浴槽9连接，第五阀门5与低温恒温浴槽9之间连接第六阀门，第六阀门为样品阀，起到采集样品监测的作用。船舶废气通过质量流量计15和第七阀门7(进气阀门)与文丘里反应器11连接。质量流量计15与质量流量控制器18连接，质量流量控制器18和气体分析仪17均与数据分析器16连接。质量流量控制器18与质量流量计15是配套产品，质量流量控制器18控制质量流量计15的开启大小，以控制质量流量。低温恒温浴槽9中还设置有pH测量计19，以检测液体pH，满足使用要求。图1中与第一阀门1并列的那个阀门是在不需要泵10工作的情况下使用。通过对文丘里反应器11两端进液和出液压力的控制以及废气吸入量的控制，达到最佳的处理效果。
当第一阀门1、第二阀门2、第四阀门4、第五阀门5和第七阀门7保持打开时，空气模式被激活，第八阀门8保持关闭(第八阀门8是用于空化脱硝实验的，船舶废气脱硝处理时没有)。通过第二阀门2和第四阀门4调节文丘里反应器11上的入口和出口压力。通过文丘里反应器11的高速动力流产生低吸入压力并抽出船舶废气(NO混合物)。废气流速由质量流量计15控制。启动泵10，为低温恒温浴槽9内的液体提供动力，废气由废气管14进入液体，形成气体填充气泡，然后通过第一级气液分离器12。气体充气气泡和动力液体(来自低温恒温浴槽9)一起通过文丘里反应器11并到达第一级气液分离器12，其中第一级气液分离器12中的液位由阀5控制。在第一级气液分离器12中分离的处理过的气体混合物依次通过第二气液分离器13，第二气液分离器13分离的气体进入气体分析仪17(进行气体分析的目的是将分析结果输送至数据分析器16，数据分析器16根据分析结果控制质量流量控制器18，质量流量控制器18控制质量流量计15，以控制船舶废气的质量流量)。第一级气液分离器12分离出的液体通过阀门5然后返回低温恒温浴槽9。
如图2所示，文丘里反应器11包括进口渐缩段20、喉部21和出口渐扩段23，进口渐缩段20和出口渐扩段23分别连接在管路24的两端，喉部21上设置有与第七阀门7连接的进气口22，以吸进废气。进口渐缩段20的长度为100mm，出口渐扩段23的长度为100mm，喉部21的直径为20mm，喉部21的长度为200mm。喉部21与进口渐缩段20连接处的入口锥角为18°。喉部21与出口渐扩段23连接处的出口锥角为18°。整个装置连接在管路24中，管路24的直径为50mm。对各部分具体参数的限定是在大量试验的基础上达到较佳脱硝效果得出的。
本发明可用于空化脱硝实验的参考实验，该实验为废气经文丘里反应器11后而进行气液分离。实验时，在泵10的出口与文丘里反应器11的出口之间连接第三阀门3(实验阀门)，在质量流量计15的出口与第一级气液分离器12的进口之间连接第八阀门8(旁通阀门)。第二阀门2和第七阀门7保持关闭，第三阀门3、第四阀门4和第八阀门8保持打开，动力液(低温恒温浴槽9内的液体)将直接进入第一级气液分离器12。将NO与惰性气体混合形成NO浓度为900ppm的NO混合物，作为实验用废气，储存于气瓶中。实验用的NO混合物直接通过第八阀门8进入第一级气液分离器12，而不经过文丘里反应器11。通过调节第三阀门3保持第一级气液分离器12中的液位。气体与第一级气液分离器12中的液体溶液反应，然后通过Madur GA-21Plus气体分析仪17进行分析。将分析结果输送至数据分析器16，数据分析器16根据分析结果控制质量流量控制器18，质量流量控制器18控制质量流量计15，以控制气瓶中废气的质量流量。
文丘里反应器11在吸入气体的同时引起液体空化，通过高速液体对气体的剪切作用产生大量气体充气泡。空化会在空腔中产生高压(60000bar)和高温(2000-6000K)热点，具有难以想象的快速加热速率(高达109K/s)。空腔中的极端化学反应条件对加速化学反应有很大帮助。在水力空化过程中产生的羟基自由基是强氧化物质，也促进NO的氧化。当空腔坍塌时，微喷射产生湍流并增强反应物的传质。
本发明利用文丘里管式的水力空化反应器11能够做到脱掉船舶废气中的NOx，且不存在温室气体排放的问题，气体填充气泡在生产后被压缩并变小，较小的空间增加了分子的碰撞机会，扩大了气液接触面积并提高了化学反应速率，进一步加强了脱硝效果。

Claims (8)

1.一种船舶废气脱硝处理系统，其特征是：包括动力液槽、文丘里反应器和气液分离器；动力液槽、文丘里反应器和气液分离器依次通过管道连接，动力液槽与文丘里反应器的连接管道上设置有进液阀门和泵，气液分离器的排液口与动力液槽连接，文丘里反应器的进气口通过质量流量计和进气阀门与废气管连接。
2.根据权利要求1所述的船舶废气脱硝处理系统，其特征是：所述气液分离器包括串联的第一级气液分离器和第二级气液分离器，第一级气液分离器的排液口与低温恒温浴槽连接。
3.根据权利要求1所述的船舶废气脱硝处理系统，其特征是：所述气液分离器的排气口与气体分析仪连接。
4.根据权利要求3所述的船舶废气脱硝处理系统，其特征是：所述气体分析仪与数据分析器连接。
5.根据权利要求1所述的船舶废气脱硝处理系统，其特征是：所述质量流量计与数据分析器连接。
6.根据权利要求1所述的船舶废气脱硝处理系统，其特征是：所述文丘里反应器包括进口渐缩段、喉部和出口渐扩段，喉部设置有进气口，所述进口渐缩段的长度为100mm，所述出口渐扩段的长度为100mm，所述喉部的直径为20mm，喉部的长度为200mm。
7.根据权利要求6所述的船舶废气脱硝处理系统，其特征是：所述喉部与进口渐缩段连接处的入口锥角为18°，所述喉部与出口渐扩段连接处的出口锥角为18°。
8.根据权利要求1所述的船舶废气脱硝处理系统，其特征是：所述泵的出口与文丘里反应器的出口之间连接有旁通阀门，在质量流量计的出口与气液分离器的进口之间连接有实验阀门。
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