CN110385027B - 一种船舶尾气污染物协同处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种船舶尾气污染物协同处理装置，包括吸收塔和吸收塔连接的臭氧发生器，臭氧发生器上连接有空气源，吸收塔一端连接有尾气入口，另一端连接有尾气出口，吸收塔沿尾气运动方向设置有降温层和吸收层，降温层和吸收层之间设置有臭氧喷射器。本发明的臭氧喷射器位于吸收塔内，降温层和旋流板之间，温度较高的船舶尾气进入吸收塔底的尾气入口后，首先与降温层喷出的降温水接触，避免了臭氧的大量分解。随后沿尾气流动方向经过吸收层，尾气中的氮氧化物和二氧化硫被氢氧化镁吸收，船舶尾气经第二塔盘，与水洗层喷出的海水接触，氮氧化物和二氧化硫被进一步洗涤吸收，经过除雾器拦截水雾，最终由塔顶的尾气出口排放。
Description
技术领域
本发明属于船舶尾气治理技术领域，具体涉及一种船舶尾气污染物协同处理装置。
背景技术
船舶排放的尾气中主要污染物是氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)。根据国际海事组织(IMO)统计数据显示，2012年全世界船舶尾气中的NOx和SOx的排放量分别占全球总排放量的15％和13％，带来了严重的大气污染。NOx中一氧化氮(NO)占比约95％，SOx中95％以上为二氧化硫(SO2)，因此船舶尾气污染物治理的关键是脱除NO和SO2。
国际性MARPOL73/78公约附则VI的修正案中，船舶尾气NOx排放限值的Tier III标准要求从2016年1月1日起新建船舶NOx的排放上限是3.4g/kWh，其中kWh是船舶柴油机的装机总功率。附则VI还规定，自2015年1月1日起，进入排放控制区的船只必须使用含硫量≤0.1％(m/m)的燃油；我国出台的《船舶大气污染物排放控制区实施方案》则要求自2019年1月1日起进入我国整个沿海和内河地区的所有船舶的燃油含硫量≤0.5％(m/m)；目前降低燃油含硫量的通用方法是换用低硫油，但这种方法成本过高，因此可通过加装船舶尾气脱硫装置作为低硫油的等效处理方法。为应对越发严格的船舶尾气排放标准，选择合适的船舶尾气处理技术就显得非常有必要。
臭氧氧化脱硝技术是利用臭氧(O3)的强氧化性将难溶于水NO氧化为易溶于水、易与碱液反应的高价NOx(NO2、NO3、N2O5)，利于被吸收，生成副产物亚硝酸盐和硝酸盐。该过程中O3被还原成氧气(O2)。臭氧氧化脱硝的劣势在于：其最佳反应温度为<150℃，当环境温度高于250℃时，O3极易分解，失去氧化效果，而船舶尾气温度往往接近400℃，即使经过涡轮增压设备后仍然保持在250℃以上，在氧化前有必要预先对尾气进行降温，但由于船上预留空间有限，不适合安装大体积的换热器。
湿法脱硫技术成熟、效率高、运行稳定，船舶在海上航行时可充分利用海水资源作为配制脱硫剂的原料，因此适合用湿法脱硫。臭氧脱硝-镁法脱硫耦合工艺是近年来快速发展的一种污染物治理技术，能同时达到脱硫脱硝的效果，在国内外也有一定的研究进展，但要在船用领域大规模的推广仍需解决以下问题：(1)臭氧与尾气的均匀混合；(2)避免臭氧与高温尾气接触后大量分解；(3)工艺水的来源；(4)结构尽量紧凑。
发明内容
针对上述现有技术不足与缺陷，本发明的目的在于，提供一种船舶尾气污染物协同处理装置，解决现有技术中的装置臭氧与尾气的混合不均匀，臭氧与高温尾气接触后容易分解的技术问题。
为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案予以实现：一种船舶尾气污染物协同处理装置，包括吸收塔和吸收塔连接的臭氧发生器，所述的臭氧发生器上连接有空气源，所述的吸收塔一端连接有尾气入口，另一端连接有尾气出口，所述的吸收塔沿尾气运动方向设置有降温层和吸收层，所述的降温层和吸收层之间还设置有臭氧喷射器，所述的臭氧喷射器与臭氧发生器连接。
本发明还具有如下技术特征：
所述的臭氧发生器采用空气制备O3，选用高电压中频率的放电电源，采用较薄的、介电常数高的介电材料作为臭氧发生器的介电体，得到90％纯度的O3后，进入臭氧喷射器。
所述的降温层上布置有若干喷口，所述的降温层与降温循环泵连接，所述的降温循环泵与吸收塔塔底相连。
所述的吸收层上布置有若干喷口，所述的吸收层通过循环泵与循环槽连接，所述的循环泵还与吸收塔底部连接，循环泵与吸收塔之间还连接有控制阀。
所述的臭氧喷射器与吸收层之间沿尾气运动方向设置有旋流板和第一塔盘，所述的第一塔盘与循环槽连接。
所述的吸收层和尾气出口之间沿尾气运动方向设置有第二塔盘、水洗层、除雾器冲洗层和除雾器。
所述的第二塔盘与喷淋水箱和配浆罐连接，所述的配浆罐通过给料泵与循环槽连接，循环槽和配浆罐中均安装有搅拌器。
所述的水洗层上设置有若干喷口，水洗层通过水洗泵与喷淋水箱连接。
所述的除雾器冲洗层上设置有若干喷口，除雾器冲洗层通过除雾器冲洗泵与喷淋水箱连接。
所述的配浆罐与氧化镁储仓连接。
所述的船舶尾气污染物协同处理装置还包括海水池，所述的海水池与喷淋水箱和配浆罐连接。
所述的吸收塔底部还连接有塔底出料阀。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明的臭氧喷射器位于吸收塔内，降温层和旋流板之间，温度较高的船舶尾气进入吸收塔底部后，首先与降温层喷出的降温水接触，进行气液换热，完成降温过程，此过程可通过控制降温层的喷射流量来调节降温效果，使尾气经过降温层后温度降至150℃，避免了O3的大量分解，降温层也不会另外占用船上空间。
(Ⅱ)本发明臭氧喷射器位于吸收塔内，其截面积大于烟道，尾气流速远低于烟道内，氧化反应的时间更长，同时在臭氧喷射器上方设置旋流板，可以进一步强化两种气体的混合，使尾气与O3充分反应，保证了高氧化率。
(Ⅲ)本发明设置两层塔盘，将吸收塔分成三个区域，使各个功能区之间互不影响：第一塔盘的设置可以防止吸收层喷出的浆液进入降温层；第二塔盘的设置可以防止水洗层喷出的海水进入吸收层。这样可以使各个区域分工明确，互不干扰，维持水平衡，简化控制系统，运行更稳定。
(Ⅳ)本发明在吸收塔的上层单独设置水洗层，当船上的吸收剂原料氧化镁(MgO)储备不够，或者吸收剂输送管路出现堵塞、吸收层出现故障时可单独运行水洗层，作为湿法脱硫单元的临时运行方案；在某些海域，如单独使用海水洗涤即可符合排放要求，也能关闭下部的吸收层，只运行水洗层，减少吸收剂的消耗。
(Ⅴ)本发明中臭氧脱硝和湿法脱硫共用一座吸收塔，未反应的O3和反应生成的O2进入吸收层所在空间，将脱硫后生成的亚硫酸盐氧化成性质更稳定的硫酸盐，促进了脱硫反应的正向进行，使SO2不断被吸收，可省去氧化风机，具有总体效率高、占地面积小的特点。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是第一塔盘和第二塔盘的结构示意图；
图3是第一塔盘和第二塔盘的剖视示意图；
图中各个标号的含义为：1-吸收塔，2-臭氧发生器，3-空气源，4-尾气入口，5-尾气出口，6-降温层，7-吸收层，8-臭氧喷射器，9-喷口，10-降温循环泵，11-循环泵，12-循环槽，13-控制阀，14-旋流板，15-第一塔盘，16-第二塔盘，17-水洗层，18-除雾器冲洗层，19-除雾器，20-喷淋水箱，21-配浆罐，22-给料泵，23-搅拌器，24-水洗泵，25-除雾器冲洗泵，26-氧化镁储仓，27-海水池，28-塔底出料阀。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
遵从上述技术方案，如图1～图3所示，本实施例给出一种船舶尾气污染物协同处理装置，包括吸收塔1和与吸收塔1连接的臭氧发生器2，臭氧发生器2上连接有空气源3，吸收塔1一端连接有尾气入口4，另一端连接有尾气出口5，吸收塔1沿尾气运动方向设置有降温层6和吸收层7，降温层6和吸收层7之间设置有臭氧喷射器8，臭氧喷射器8与臭氧发生器2连接。船舶尾气从尾气入口4进入吸收塔下部，并向上流动，先经过降温层6喷出的降温水冷却降温，使温度降至150℃后，再流动到臭氧喷射器8的工作区域与从臭氧喷射器8中喷出的O3混合，以保证O3不会分解。臭氧喷射器8的喷射口的布置沿吸收塔塔壁圆周均匀分布，或采用格栅板形式。
臭氧发生器2采用常规臭氧发生设备，使用空气制备O3，臭氧发生器包含臭氧发生室、放电电源和控制系统，空气进入臭氧发生室，在放电条件下反应生成臭氧，臭氧的流量、压力、温度等参数由控制系统控制。选用高电压中频率的放电电源，采用较薄的、介电常数高的介电材料(例如厚度<1mm的搪瓷材料)作为臭氧发生室的介电体。得到90％纯度的O3后，进入臭氧喷射器8。臭氧与船舶尾气中的氮氧化物发生反应，利用臭氧的强氧化性，可将船舶尾气中的氮氧化物(主要为NO)氧化为高价态的酸性氮氧化物气体，该酸性气体可被碱性物质吸收，从而达到脱硝的目的。
降温层6上布置有若干喷口9，降温层6与降温循环泵10连接，降温循环泵10与吸收塔1塔底相连。降温水通过喷口9喷出，降温水通过降温循环泵10实现重复利用。
吸收层7上布置有若干喷口9，吸收层7通过循环泵11与循环槽12连接，循环泵11还与吸收塔1底部连接，循环泵11与吸收塔1之间还连接有控制阀13。与循环槽12配套的控制阀13可以调节由循环槽12进入吸收塔底部的水量，保证降温水量的充足，维持吸收塔底的水量处于正常范围。
臭氧喷射器8与吸收层7之间沿尾气运动方向设置有旋流板14和第一塔盘15，第一塔盘15与循环槽12连接。本实施例中吸收层为两层设计，设置旋流板的目的是让O3和船舶尾气的混合气体在通过旋流板时产生旋转和离心运动，进一步强化两种气体的混合效果，提高NO的氧化率。塔盘的特殊结构可以使下方气体通过，同时收集上方落下的液体，第一塔盘15收集吸收层7中喷出的氢氧化镁(Mg(OH)2)，循环利用。
吸收层7和尾气出口5之间沿尾气运动方向设置有第二塔盘16、水洗层17、除雾器冲洗层18和除雾器19；第二塔盘16收集水洗层17中喷出的海水，循环利用。
第二塔盘16与喷淋水箱20和配浆罐21连接，循环槽12和配浆罐21中均安装有搅拌器23；防止产生沉淀。
水洗层17上设置有若干喷口9，水洗层17通过水洗泵24与喷淋水箱20连接；水洗层17以海水为介质，作为对吸收层7吸收效果的补充，也可在MgO原料不足，或吸收剂输送管路出现堵塞、故障时作为吸收层7的临时替代。在某些特定海域，也可关闭吸收层7，只开启水洗层17，海水中Na2CO3、NaHCO3等碱性物质对酸性气体N2O5、NO2、SO2、SO3有良好的吸收效果，在高碱度海域对酸性气体的吸收率可达90％以上，适合在船舶上长期运行。
除雾器冲洗层18上设置有若干喷口9，除雾器冲洗层18通过除雾器冲洗泵25与喷淋水箱20连接。除雾器19的作用是拦截吸收塔内逸出的水雾，防止形成白烟。除雾器冲洗层18的作用是及时冲洗掉除雾器19附着的浆液，防止结垢，保证除雾效果。
配浆罐21与氧化镁储仓26连接。吸收层以海水和MgO配制的Mg(OH)2作为SO2和高价NOx的吸收剂，其吸收效果要远高于单纯的海水喷淋。
船舶尾气污染物协同处理装置还包括海水池27，海水池27与喷淋水箱20和配浆罐21连接。海水池27给喷淋水箱20和配浆罐21提供海水，海水在配浆罐21中与氧化镁反应生成氢氧化镁。
吸收塔1底部还连接有塔底出料阀28。控制阀和塔底出料阀的共同作用，将吸收塔内的液位保持在稳定水平。
工作流程：
当船舶尾气进入吸收塔，先经过降温层，被喷出的降温水降温，降温水通过降温循环泵重复利用，再经过臭氧喷射器，降温后的船舶尾气与臭氧混合，此时的船舶尾气温度较低，与臭氧混合后臭氧不会分解；臭氧能氧化低价氮氧化物和硫化物，如一氧化氮NO氧化成二氧化氮NO2，二氧化硫SO2氧化成三氧化硫SO3；然后经过旋流板、第一塔盘和吸收层，连续与两层吸收层喷出的Mg(OH)2分别接触反应，尾气中的SO2被吸收后生成MgSO3，高价NOx被吸收后生成亚硝酸盐和硝酸盐。
海水池与喷淋水箱和配浆罐分别连接，配浆罐上连接的氧化镁储仓储存氧化镁，海水池向喷淋水箱和配浆罐中提供海水，氧化镁和海水在配浆罐中生成Mg(OH)2，从吸收层中喷出，作为SO2和高价NOx的吸收剂。形成的混合浆液积聚在第一塔盘上，随即被排出到循环槽以循环使用。
船舶尾气经第二塔盘，与水洗层喷出的海水接触，SO2和高价NOx被进一步洗涤吸收，洗涤后的海水积聚在第二塔盘上，随即被排出至喷淋水箱和配浆罐，以循环使用。
船舶尾气经过除雾器时，尾气中的雾滴被拦截下来，防止在尾气出口形成白烟。最终净化后的尾气由吸收塔顶的尾气出口排出。
实施方式中所述的采用海水配制Mg(OH)2及作为工艺用水，在船舶驶入内河时亦可用淡水代替，在正常运行情况下，并不会对最终尾气处理结果产生明显的影响。
Claims (2)
1.一种船舶尾气污染物协同处理装置，包括吸收塔（1）和吸收塔（1）连接的臭氧发生器（2），所述的臭氧发生器（2）上连接有空气源（3），所述的吸收塔（1）一端连接有尾气入口（4），另一端连接有尾气出口（5），所述的吸收塔（1）沿尾气运动方向设置有降温层（6）和吸收层（7），其特征在于，所述的降温层（6）和吸收层（7）之间设置有臭氧喷射器（8），所述的臭氧喷射器（8）与臭氧发生器（2）连接；
所述的臭氧发生器（2）采用空气制备臭氧，制得的臭氧进入臭氧喷射器（8）；
所述的降温层（6）上布置有若干喷口（9），所述的降温层（6）与降温循环泵（10）连接，所述的降温循环泵（10）与吸收塔（1）塔底相连；
所述的吸收层（7）上布置有若干喷口（9），所述的吸收层（7）通过循环泵（11）与循环槽（12）连接，所述的循环泵（11）还与吸收塔（1）底部连接，循环泵（11）与吸收塔（1）之间还连接有控制阀（13）；
所述的臭氧喷射器（8）与吸收层（7）之间沿尾气运动方向设置有旋流板（14）和第一塔盘（15），所述的第一塔盘（15）与循环槽（12）连接；
所述的吸收层（7）和尾气出口（5）之间沿尾气运动方向设置有第二塔盘（16）、水洗层（17）、除雾器冲洗层（18）和除雾器（19）；
所述的第二塔盘（16）与喷淋水箱（20）和配浆罐（21）连接，所述的配浆罐（21）通过给料泵（22）与循环槽（12）连接，所述的循环槽（12）和配浆罐（21）中均安装有搅拌器（23）；
所述的水洗层（17）上设置有若干喷口（9），水洗层（17）通过水洗泵（24）与喷淋水箱（20）连接；
所述的除雾器冲洗层（18）上设置有若干喷口（9），除雾器冲洗层（18）通过除雾器冲洗泵（25）与喷淋水箱（20）连接；
所述的配浆罐（21）与氧化镁储仓（26）连接；
所述的船舶尾气污染物协同处理装置还包括海水池（27），所述的海水池（27）与喷淋水箱（20）和配浆罐（21）连接。
2.如权利要求1所述的船舶尾气污染物协同处理装置，其特征在于，所述的吸收塔（1）底部还连接有塔底出料阀（28）。
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