CN112058086A - 一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置，包括斯特林发动机、脱销塔、脱硫室，斯特林发动机包括高温热腔和低温冷腔，高温热腔外表面缠绕换热管，低温冷腔外表面缠绕冷凝管，换热管的两端分别连通尾气管路以及进气管路，冷凝管的两端分别连通海水池和海水管路，脱销塔里设置活塞，活塞连接斯特林发动机，活塞上方的脱销塔为第一反应室，活塞下方的脱销塔为第二反应室，第二反应室下方通过连通管连通脱硫室，脱硫室设置尾气出口和废液出口。本发明采用往复式脱硝脱硫设计对尾气中的硫化物和氮氧化物进行洗涤处理，增加了洗涤剂与尾气的接触面积和反应时间，能有效净化尾气中的硫化物和氮氧化物，实现尾气达标排放。

Description

一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置

技术领域

本发明涉及的是一种船用柴油机，具体地说是船用柴油机的尾气处理装置。

背景技术

随着经济全球化的迅速，水路运输将是各国之间贸易最主要的方式。为了降低船舶的运输成本，通常使用含硫量较高的低质燃油作为燃料，发动机尾气中含有大量的SO2、氮氧化物和颗粒物等污染物。

根据国际海事组织(IMO)2014年统计数据显示，仅2012年船用柴油机NOx排放量约为1900万吨，SOx排放量约为1024万吨，分别占全球NOx、SOx排放量的15％和13％。尾气中NOx主要包括NO、NO2、N2O、N2O5等，其中NO占90％以上。NO在空气中容易氧化为NO2，会对人体的心脏和肺产生毒害作用。SOx中95％为SO2，SO3仅占5％。SO2对人体健康有直接的损害，并且也是酸雨的主要成因，对生态环境有严重影响。综上所述，控制船舶尾气NOx、SOx排放的关键是对NO和SO2进行脱除。

船舶发动机尾气脱硝主流工艺是选择性催化还原(selective catalyticReduction，SCR)，属于尾气后处理技术。实船应用发现：SCR较适合转速高的发动机，因为高速发动机尾气温度高，在SCR催化剂最佳反应窗口温度280～420℃；低速发动机排气温度低(一般低于240℃)，尤其是低速发动机在10％和25％工况时尾气温度更低，无法保证反应所需的窗口温度，所以SCR应用于船舶脱硝还有一些问题需要解决。

发明内容

本发明的目的在于提供能有效净化尾气中的硫化物和氮氧化物、防止气流流量过大导致逸出、实现尾气达标排放的一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置，其特征是：包括斯特林发动机、脱销塔、脱硫室，斯特林发动机包括高温热腔和低温冷腔，高温热腔外表面缠绕换热管，低温冷腔外表面缠绕冷凝管，换热管的两端分别连通柴油机排气口后方的尾气管路以及脱销塔的进气管路，冷凝管的两端分别连通海水池和海水管路，海水管路连通脱硫室，所述脱销塔里设置活塞，活塞连接斯特林发动机，活塞上方的脱销塔为第一反应室，活塞下方的脱销塔为第二反应室，脱销塔的进气管路通过脱销塔上的进气口连通脱销塔，脱销塔的进气口位于活塞的行程之中，第二反应室下方通过连通管连通脱硫室，脱硫室设置尾气出口和废液出口。

本发明还可以包括：

1、所述脱销塔的第一反应室里设置第一尿素喷淋器、第一压力传感器、第一尿素分解层、氮氧化物浓度传感器，脱销塔的第二反应室里设置第二尿素喷淋器、第二压力传感器、第二尿素分解层，尿素罐通过尿素泵分别连接第一尿素喷淋器和第二尿素喷淋器，第一尿素分解层通过压力管连接第二反应室，压力管上设置畜压腔，畜压腔里设置第三尿素分解层，畜压腔与第一尿素分解层之间设置第一单向节流阀，连通管上设置第二单向节流阀，第一压力传感器、第二压力传感器、氮氧化物浓度传感器、尿素泵、第一单向节流阀和第二单向节流阀均连接控制器。

2、尾气出口设置在脱硫室上方，连通管连接脱硫室的位置位于脱硫室下方的侧面，废液出口位于连通管的对侧；脱硫室里布置有缓冲石，缓冲石的直径从下到上依次减小。

3、第一反应室内的压力大于进气压力时，控制器控制第一单向节流阀打开，第一反应室内脱硝后的尾气和废液通过第一单向节流阀经蓄压室流向第二反应室。

4、当活塞上行高于脱硝塔进气口后，尾气进入第二反应室，当活塞下行低于进气口后，尾气进入第一反应室；在第一反应室活塞上行过程中，氮氧化物浓度传感器根据第一反应室内的氮氧化物浓度通过控制器控制尿素泵向第一反应室内喷射的尿素量，活塞推动尾气流穿过第一尿素分解层与喷洒的尿素均匀混合，在活塞下行过程中，第一反应室内瞬时压力减小，气流受吸引下行再次进入第一尿素分解层分解，第一反应室内的尾气在活塞的作用下循环往复的在第一尿素分解层运动分解直到第一反应室内的压力超过进气压力后，第一压力传感器传递信号给控制器打开第一单向节流阀，高压尾气和废液经蓄压室流向第二反应室，当反应室内压力低于进气压力1/3时，第一单向节流阀关闭。

5、当活塞上行高于进气口时，高压尾气进入第二反应室，氮氧化物浓度传感器根据氮氧氧化物实时浓度变化控制尿素的喷入量和喷入速度，当活塞下行时压缩与尿素混合均匀的废气通过第二尿素分解层分解，部分气体会流向蓄压室进入第三尿素分解层进行分解，压力缩小后回流到第二反应室；当活塞再次上行时，第二反应室体积变大，尾气再次进入第二尿素分解层进行催化还原反应，至此循环往复。

6、当第二反应室内的压力大于进气压力时，第二压力传感器控制第二单向节流阀打开，使脱硝后的废气和废液通过连通管进入脱硫室，当压力小于进气压力1/3时，第二单向节流阀关闭，停止向脱硫室内排气。

本发明的优势在于：

(1)本发明采用一种新型的脱硝塔内部设计结构，烟气的处理过程与以往的主流反应器有所不同。内部烟气处理装置用活塞分为上下两个反应室，上层通过第一单向节流阀和蓄压腔与脱硝塔的底部相连，脱硝塔的下层通过第二单向节流阀与脱硫室相连。这种设计方式使烟气的速率上升，温度升高，延长了烟气在有限空间中内的洗涤路径，增加了处理时间，强化了处理效果。同时，这种新型结构能够减少传统反应器(如填充床式洗涤塔)处理时的阻力，解决流速过快，反应器管道太短反应不充分的问题。

(2)本发明脱硝塔第一反应室内的洗涤液经由管路流到蓄压腔，作为第二次处理过程的洗涤液，避免了洗涤液的浪费，保障了洗涤的充分性，最大限度的缩小了废液的污染。

(3)本发明利用活塞的往复运动，在反应室内形成较强的气流扰动，带动反应室内的尾气循环往复的在尿素分解层中来回运动分解，同时在活塞压缩过程中提高反应温度，有利于加快催化还原反应。

(4)本发明在第二反应室底部设置有第二单向节流阀，当第二反应室内压力大于进气压力时第二单向节流阀打开，当第二反应室内的压力降低到进气压力的1/3时，第二单向节流阀关闭，在此过程中会形成高速高压间歇式气流流入脱硫室，高速气流在缓冲石的作用下被分流，形成气动搅拌，气动搅拌下形成的涡流能够使气体与海水充分接触，与传统的脱硫装置相比提高了脱硫率，减小了气泡直径，防止废气随气泡外溢，增加了气体与液体的接触，使两相反应充分。

(5)本发明利用尾气余热为斯特林发动机提供热源，大大降低了能量的损耗，减少了辅助机械，经济性显著提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明主要包括斯特林发动机6、脱硝塔26、脱硫室30和废液处理柜32，装置之间通过管路或电路连接，以便于各装置之间进行物料转移或能量转移从而构成一个系统。

船舶尾气脱硝塔26分为上下两层，活塞22上顶面区域为第一反应室20，活塞22下底面区域为第二反应室23，脱硝塔26第一反应室20内壁设置有压力传感器12和氮氧化物浓度传感器17，压力传感器12和氮氧化物浓度传感器17与控制器16连接，控制器16控制尿素泵15通过尿素管路11向尿素喷淋器13提供尿素，尿素泵15连接尿素罐14，第一反应室20尾气出口连接第一单向节流阀18，第一单向节流阀18与蓄压室21相连，蓄压室21的出口连接脱硝塔26的第二反应室23，第二反应室23中设置有尿素反应层25，第二反应室23的尾气出口连接第二单向节流阀28。

船舶尾气脱硫室30下部尾气进口与脱硝塔26第二反应室23下层出气口相连，脱硫室30内部设置有缓冲石31，缓冲石31的直径从下到上依次减小，均匀分布于整个脱硫室30，脱硫室30顶部右侧连接海水进口，海水进口处设置有密封圈10，海水进口通过海水管路8与冷凝管36出口相连，脱硫室30顶部左侧为净化后尾气排气口。

斯特林发动机6包括高温热腔3、低温冷腔5、换热管37、冷凝管36以及工作介质乙醇，利用船舶尾气余热作为热源，利用海水作为冷源，为斯特林发动机6提供能量，在斯特林装置6中，高温热腔3外表面螺旋缠绕有换热管37，换热管37进口与柴油机排气口1之间通过尾气管路2相连；低温冷腔5外表面螺旋缠绕有冷凝管36，冷凝管36入口与海水泵7之间通过海水管路8连接，海水泵7连接海水池9为低温冷腔5提供稳定的冷却水。在高温热腔3和低温冷腔5之间装有工作介质乙醇，当工质与外部热源(尾气余热)换热，工质发生相变，由液态变为气态推动斯特林发动机6做功。

船舶尾气余热作为热源，海水作为冷源，为斯特林发动机6提供能量，在斯特林装置6中，高温热腔3外表面螺旋缠绕有换热管37，换热管37进口与柴油机排气口1之间通过尾气管路2相连；低温冷腔5外表面螺旋缠绕有冷凝管36，冷凝管36入口与海水泵7之间通过海水管路8连接，海水泵7连接海水池9为低温冷腔5提供稳定的冷却水。在高温热腔3和低温冷腔5之间装有工作介质乙醇，当工质与外部热源(尾气余热)换热，工质发生相变，由液态变为气态推动斯特林发动机6做功。

脱硝塔26包括第一反应室20和第二反应室23，压力传感器12、氮氧化物浓度传感器17、反应室内部设置尿素分解层19，第一反应室20中的压力传感器12用于检测压力大小，当第一反应室20内的压力大于进气压力时，控制器16会控制第一单向节流阀18打开，第一反应室20内脱硝后的尾气和废液通过第一单向节流阀18经蓄压室21流向第二反应室23，第二反应室23内设置有尿素喷淋器24、尿素分解单元25、压力传感器27、氮氧化物浓度传感器，在第二反应室尾气和废液出口设置有第二单向节流阀28。

尾气管路中的压气机29不断往脱硝塔26尾气进口处输送高压尾气，斯特林发动机6带动脱硝塔26中的活塞22做往复运动，当活塞22上行高于脱硝塔26尾气进口后，尾气进入第二反应室23，当活塞22下行低于尾气进口后，尾气进入第一反应室20；在第一反应室20活塞22上行过程中，氮氧化物浓度传感器17根据反应室内的氮氧化物浓度通过控制器10控制尿素泵15向第一反应室20内喷射的尿素量，活塞22推动尾气流穿过尿素分解层19与喷洒的尿素均匀混合，在活塞22下行过程中，第一反应室20内瞬时压力减小，气流受吸引下行再次进入尿素分解层19在催化剂的作用下分解为氮气和水，反应室内的尾气在活塞22的作用下循环往复的在尿素分解层19运动分解直到第一反应室内20的压力超过进气压力后，压力传感器12传递信号给控制器16打开第一单向节流阀18，高压尾气和废液经蓄压室21流向第二反应室23，当反应室内压力低于进气压力1/3时，第一单向节流阀18关闭。

当活塞22上行高于尾气进口时，高压尾气会进入第二反应室23，氮氧化物浓度传感器17会根据氮氧氧化物实时浓度变化控制尿素的喷入量和喷入速度，当活塞22下行时压缩与尿素混合均匀的废气通过尿素分解层25在催化剂的作用下分解，部分气体会流向蓄压室21进入尿素分解层进行分解，压力缩小后回流到第二反应室；当活塞22再次上行时，第二反应室23体积变大，尾气再次进入尿素分解层19进行催化还原反应，至此循环往复。

当第二反应室23内的压力大于进气压力时，压力传感器27会控制第二单向节流阀28打开，使脱硝后的废气和废液通过底部的排气管进入脱硫室30内部，当压力小于进气压力1/3时，第二单向节流阀28关闭，停止向脱硫室30内排气，在此过程中会形成间歇式高速废气流。脱硫室30内部布置有若干大小不一的光滑缓冲石31，缓冲石31自下向上直径依次减小，高速气流在缓冲石31的作用下被分流，形成气动搅拌，气动搅拌下形成的涡流能够使气体与脱硫室30上端进水口流入的海水充分接触，与传统的脱硫装置相比提高了脱硫率，减小了气泡直径，防止废气随气泡外溢，增加了气体与液体的接触，使两相反应充分。最终净化后的尾气通过尾气出口排出，废液则经过脱硫室30底部出口进入废液处理柜32净化后直接排入大海。

活塞22上行过程推动废气穿过尿素分解层19与顶部喷洒的尿素混合，活塞22下行过程中反应室瞬时压力减小，吸引混合均匀后的废气向下穿过尿素分解层19，反应室内的废气循环往复的在尿素分解层19中上下移动，在催化剂作用下与尿素发生还原反应，分解为无污染的氮气和水。当脱硝塔26尾气进气压力小于第一反应室20内压力时会触发压力传感器27，压力传感器27发送信号给控制器16控制第一单向节流阀打开。蓄压腔21内设置有尿素分解单元19，第一反应室20内未分解完全的废气废液会在蓄压腔21内再次分解，减少了废液的浪费。第二反应室23内压力高于进气压力时，底部设置的第二单向节流阀28打开，当第二反应室23内压力低于进气压力1/3时第二单向节流阀28关闭，在此过程中形成间歇式高速气流喷入脱硫室30。脱硫室30内布置有轴向直径相同、纵向从下到上直径依次减小的光滑缓冲石31。从第二单向节流阀28流出的间歇型高速气流会被缓冲石31分散为多股小气流，减小了气泡直径，防止废气随气泡外溢，增加了气体与液体的接触，使两相反应充分。

Claims (7)

1.一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置，其特征是：包括斯特林发动机、脱销塔、脱硫室，斯特林发动机包括高温热腔和低温冷腔，高温热腔外表面缠绕换热管，低温冷腔外表面缠绕冷凝管，换热管的两端分别连通柴油机排气口后方的尾气管路以及脱销塔的进气管路，冷凝管的两端分别连通海水池和海水管路，海水管路连通脱硫室，所述脱销塔里设置活塞，活塞连接斯特林发动机，活塞上方的脱销塔为第一反应室，活塞下方的脱销塔为第二反应室，脱销塔的进气管路通过脱销塔上的进气口连通脱销塔，脱销塔的进气口位于活塞的行程之中，第二反应室下方通过连通管连通脱硫室，脱硫室设置尾气出口和废液出口。

2.根据权利要求1所述的一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置，其特征是：所述脱销塔的第一反应室里设置第一尿素喷淋器、第一压力传感器、第一尿素分解层、氮氧化物浓度传感器，脱销塔的第二反应室里设置第二尿素喷淋器、第二压力传感器、第二尿素分解层，尿素罐通过尿素泵分别连接第一尿素喷淋器和第二尿素喷淋器，第一尿素分解层通过压力管连接第二反应室，压力管上设置畜压腔，畜压腔里设置第三尿素分解层，畜压腔与第一尿素分解层之间设置第一单向节流阀，连通管上设置第二单向节流阀，第一压力传感器、第二压力传感器、氮氧化物浓度传感器、尿素泵、第一单向节流阀和第二单向节流阀均连接控制器。

3.根据权利要求1或2所述的一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置，其特征是：尾气出口设置在脱硫室上方，连通管连接脱硫室的位置位于脱硫室下方的侧面，废液出口位于连通管的对侧；脱硫室里布置有缓冲石，缓冲石的直径从下到上依次减小。

4.根据权利要求2所述的一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置，其特征是：第一反应室内的压力大于进气压力时，控制器控制第一单向节流阀打开，第一反应室内脱硝后的尾气和废液通过第一单向节流阀经蓄压室流向第二反应室。

5.根据权利要求2所述的一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置，其特征是：当活塞上行高于脱硝塔进气口后，尾气进入第二反应室，当活塞下行低于进气口后，尾气进入第一反应室；在第一反应室活塞上行过程中，氮氧化物浓度传感器根据第一反应室内的氮氧化物浓度通过控制器控制尿素泵向第一反应室内喷射的尿素量，活塞推动尾气流穿过第一尿素分解层与喷洒的尿素均匀混合，在活塞下行过程中，第一反应室内瞬时压力减小，气流受吸引下行再次进入第一尿素分解层分解，第一反应室内的尾气在活塞的作用下循环往复的在第一尿素分解层运动分解直到第一反应室内的压力超过进气压力后，第一压力传感器传递信号给控制器打开第一单向节流阀，高压尾气和废液经蓄压室流向第二反应室，当反应室内压力低于进气压力1/3时，第一单向节流阀关闭。

6.根据权利要求2所述的一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置，其特征是：当活塞上行高于进气口时，高压尾气进入第二反应室，氮氧化物浓度传感器根据氮氧氧化物实时浓度变化控制尿素的喷入量和喷入速度，当活塞下行时压缩与尿素混合均匀的废气通过第二尿素分解层分解，部分气体会流向蓄压室进入第三尿素分解层进行分解，压力缩小后回流到第二反应室；当活塞再次上行时，第二反应室体积变大，尾气再次进入第二尿素分解层进行催化还原反应，至此循环往复。

7.根据权利要求2所述的一种船用往复式脱硫脱硝的尾气处理装置，其特征是：当第二反应室内的压力大于进气压力时，第二压力传感器控制第二单向节流阀打开，使脱硝后的废气和废液通过连通管进入脱硫室，当压力小于进气压力1/3时，第二单向节流阀关闭，停止向脱硫室内排气。

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