CN113623055A - 动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置、方法及系统 - Google Patents

动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置、方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置、方法及系统，包括壳体、转子曲盘、定子曲盘、催化填料、主轴、电机，两组曲盘间为吸收液的雾化区；催化净化方法内容为：吸收液进入雾化区，在转子曲盘上形成液膜，在超重力作用下剪切、破碎，形成雾滴，并与尾气混合，完成雾化、混合的气体、液体进入催化填料中完成反应，净化尾气中的NOx、SO2等有害气体；系统包括次氯酸钠预氧化系统、超重力反应系统和电控系统。本发明的有益效果为：本发明结合了超重力雾化技术和SCR技术，将多曲盘集成化，尾气与吸收液在雾化区的超重力场中混合，具有结构紧凑、雾化效果好、混合充分、净化效率高等优点。

Description

动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置、方法及系统
技术领域
本发明属于尾气净化技术领域，尤其涉及一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置、方法及系统。
背景技术
船舶柴油机废气中的污染物主要包括氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、温室气体以及颗粒物(PM)等。船舶柴油机每燃烧一吨燃料油，将产生87千克的NOx，船舶柴油机废气中的NOx包括NO、NO2和N2O等，其中，NO所占的比例为95％，NO2和N2O等占5％。NOx中绝大部分是NO，NO因其在水中的溶解度极低，常规的吸收法不适用于NO的吸收，NOx去除率往往不理想，因此，船舶柴油机废气中NOx的排放控制将成为船舶废气排放控制的重点与难点。为了解决上述问题往往在NOx净化过程前对NO预氧化。
KMnO4、NaClO2、H2O2、NaClO、O3等氧化剂，虽然具有一定的脱硝效果，但其成本较高，如应用在船舶柴油机废气脱硝上，需要随船携带大量的氧化剂，将对船舶运行的经济性和安全性带来较大的影响，然而NaCIO可以通过电解NaCl溶液或者海水来制取。船舶航行于大海上，海水取之不尽用之不竭，因此电解海水用于船舶柴油机废气脱硝预氧化有较好的效果。
在现有技术中，船舶柴油机尾气净化方法主要采用旋转填料床(RPB)、选择性催化还原法(SCR)净化气态污染物中的NOx、CO、SOx；采用这种方法时，反应物是气态氨NH3，通常获得气态氨的方法是：通过超重力旋转将尿素水溶液变为微液滴状态并与高温尾气充分混合，在高温尾气的作用下尿素水溶液中的尿素迅速被加热至160℃以上分解，产生氨气NH3和缩二脲CONH，其中氨气NH3中的一部分作为脱除SO2的反应物，另一部分与尾气混合进入旋转填料床填料中，作为选择性催化还原法的反应物，在高温和催化的环境下去除尾气中的氮氧化物。传统的超重力旋转填料床装置，其旋转填料制造困难，因为填料旋转过程中对填料强度、刚度要求高，不易维护。采用传统的雾化喷嘴喷雾方式难以适应船舶柴油机的大排量的净化要求。
如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置、方法及系统，能够利用多级旋转曲盘旋转离心雾化吸收液，加速气液的混合，改善雾化效果，在催化反应区完成尾气净化，提高尾气中NOx、SO2的净化效率。
本发明是通过如下措施实现的：一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置，包括上壳体和下壳体构成的壳体，其中，还包括转子曲盘、定子曲盘、催化填料、主轴、电机，所述电机驱动主轴旋转，转子曲盘跟随主轴旋转，定子曲盘与催化填料固定在上壳体顶部，两组曲盘间为吸收液的雾化区，转子曲盘、定子曲盘相互嵌套，增大流体的剪应力；吸收液进入雾化区，在转子曲盘上形成液膜，在超重力作用下剪切、破碎，形成雾滴，并与尾气混合；气液混合后进入催化填料发生催化还原反应，完成净化后尾气从填料内径进入排气管道。
进一步地，所述壳体包括上壳体下壳体，所述上壳体固定有催化填料和定子曲盘，填料内径与排气管道直接连通，下壳体设有轴承座和液体出口；上、壳体间用法兰连接，且密封良好。
进一步地，所述的转子曲盘包括6级同心布置的碗状曲盘，转子碗状曲盘边缘设有微观凸起，所述微观凸起在保证转子正常工作的条件下，强化雾化效果。吸收液经过多级曲盘的破碎雾化，有利于气液快速混合，强化了气相传质。
所述转子曲盘与主轴通过锁紧螺母轴向固定，装置转动部件由电机提供动力，电机经联轴器与主轴连接，带动转子曲盘旋转。所述动力输入端的角接触球轴承的轴承盖与轴承座间设有密封圈(图中未标注)，角接触球轴承与内腔间设有挡油环，装置动密封良好。
进一步地，所述定子为5级同心布置的碗状曲盘，定子曲盘顶部与填料底盘焊接，所述填料与定子均焊接于上壳体顶部。所述定子曲盘与转子曲盘对向布置，转子、定子曲盘相互嵌套，增大流体的剪应力
进一步地，所述进液管道末端设液体分布器，所述液体均布器将压力液体分布于Ⅰ级曲盘，在超重力场及定子曲盘的引流作用下，进入下级曲盘。
进一步地，进气管道、进液管道与排气管道同心布置；进气管道、进液管道与雾化区连通，排气管道与雾化区不连通。
进一步地，所述催化填料为疏松多孔的圆环结构，内填充有催化剂。
为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置的催化净化方法，具体包括以下步骤：
S1、柴油机尾气与吸收液分别从进气管道、进液管道进入曲盘雾化区，吸收液经均布器分布在Ⅰ级曲盘表面，在曲盘表面形成液膜，经过离心作用，液膜在曲盘内壁边缘处被剪切破碎，转子曲盘边缘的微观凸起结构，强化了雾化过程；
S2、液体雾化后形成的雾滴与尾气在多级曲盘的作用下发碰撞、剪切、搅拌、混合形成气液混合物，强化了气相传质；气液混合物离开雾化区，在压力作用下进入催化填料；
S3、紧接着步骤S2，由于催化填料为疏松多孔的环状结构，工作时静止且内圈直接与排气管道连通，气液混合物在多孔催化填料中与催化剂接触，完成NOx有害气体的催化还原反应，完成净化的尾气经排气管道排出，完成柴油机尾气催化净化工作
进一步地，所述步骤S1中的吸收液为氨水或尿素水溶液，所述尿素水溶液浓度20％-40％，尿素水溶液优选浓度为32.5％。
进一步地，所述步骤S3中的催化剂为铜基分子筛催化剂、铁基分子筛催化剂或钒基催化剂VO-WO-TIO等金属氧化物催化剂的一种或几种。
为了更好地实现上述发明目的，本发明又提供了一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化系统，具体包括次氯酸钠预氧化系统、超重力反应系统、电控系统。其中，次氯酸钠预氧化系统完成尾气中NOx等预氧化过程，通过海水泵取海水进入次氯酸钠发生器制备次氯酸钠溶液作为氧化剂，溶液经雾化后进入预氧化室完成NOx等预氧化；超重力反应系统主要完成尿素等吸收液的雾化、气液混合、尾气净化以及吸收液回收的过程；电控系统主要通过液位传感器、氨气传感器反馈信号给电控单元，电控单元控制流量泵完成供液实时调控。
本装置在实际使用时：电机驱动由主轴和转子曲盘高速旋转，尾气与吸收液分别从进气管道、进液管道进入曲盘雾化区，吸收液经均布器分布在Ⅰ级曲盘表面，在曲盘表面形成液膜，经过离心作用，液膜在曲盘内壁边缘处被剪切破碎，转子曲盘边缘的微观凸起结构，强化了雾化过程。液体雾化后形成的雾滴与尾气在多级曲盘的作用下发碰撞、剪切、搅拌、混合形成气液混合物，强化了气相传质；气液混合物离开雾化区，在压力作用下进入催化填料；气液混合物在多孔催化填料中与催化剂接触，完成NOx有害气体的催化还原反应，完成净化的尾气经排气管道从出口排出，完成柴油机尾气催化净化工作。本装置与预氧化系统、电控系统配合，通过海水泵取海水进入次氯酸钠发生器制备次氯酸钠溶液，利用次氯酸钠溶液的氧化性对尾气中的NOx等气体预氧化；电控系统通过液位传感器、氨气传感器的反馈信号对供液实时调控。
氨水同时脱硫脱销反应原理为：
SO2+NH3+H2O→NH4HSO3
Figure RE-GDA0003277698370000031
Figure RE-GDA0003277698370000032
SO2+2NH3+H2O→(NH4)2SO3
尾液回收原理
NH4HSO3+NH3·H2O→(NH4)2SO3+H2O
(NH4)2SO3+0.5O2→(NH4)2SO4
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本装置的结合了超重力雾化技术和选择性催化还原技术，净化效果好；电解海水制备次氯酸钠对尾气预氧化，提高NOx的去除率；采用集成化的定子、转子曲盘，结构紧凑；转子、定子曲盘相互嵌套，增大流体的剪应力；转子曲盘的曲盘边缘设有微观凸起，强化液膜雾化；气体和吸收液同时进入雾化区，经多级曲盘雾化、混合，雾滴粒径小、与尾气混合充分；采用催化填料，提高NOx、SO2的去除效率；整个装置结构紧凑、便于拆装。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例1的整体结构示意图。
图2为本发明的动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化系统图系统图。
图3为本发明的动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置沿图1进液管道轴线方向的剖面视图。
图4为本发明动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置沿进液管道轴线方向1/4剖面图。
图5为本发明动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置的局部结构示意图。
图6为本发明动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置的转子曲盘局部放大图。
其中，附图标记为：1、上壳体；2、下壳体；3、转子曲盘；4、定子曲盘；5、催化填料；6、进气管道；7、进液管道；8、排气管道；9、锁紧螺母；10、轴承盖；11、主轴； 12、密封圈；13、轴承座；14、液体分布器；15、轴承挡油环；16、联轴器；17、电机； 18、角接触球轴承。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1至图6，本发明提供的技术方案为，一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置，包括上壳体1和下壳体2构成的壳体，其中还包括转子曲盘3、定子曲盘4、催化填料5、主轴11、电机17，电机17驱动主轴11旋转，转子曲盘3跟随主轴11旋转，定子曲盘4与催化填料5固定在上壳体1顶部，两组曲盘间为吸收液的雾化区，转子3、定子曲盘4相互嵌套，增大流体的剪应力；吸收液进入雾化区，在转子曲盘3上形成液膜，在超重力作用下剪切、破碎，形成雾滴，并与尾气混合；气液混合后进入催化填料5发生催化还原反应，完成净化后尾气从填料5内径进入排气管道。
进一步优选地，壳体包括上壳体1、下壳体2，上壳体1固定有催化填料5和定子曲盘4，填料5内径与排气管道8直接连通，下壳体2设有轴承座13和液体出口；上壳体1、下壳体2间用法兰连接，且密封良好。
进一步优选地，的转子曲盘3包括6级同心布置的碗状曲盘，转子碗状曲盘边缘设有微观凸起，微观凸起在保证转子3正常工作的条件下，强化雾化效果。吸收液经过多级曲盘的破碎雾化，有利于气液快速混合，强化了气相传质。
进一步优选地，转子曲盘3与主轴11通过锁紧螺母9轴向固定，装置的转动部件由电机17提供动力，电机17经联轴器16与主轴11连接，带动转子曲盘3旋转；动力输入端的角接触球轴承18的轴承盖10与轴承座13间设有密封圈12，角接触球轴承18与内腔间设有挡油环15，装置动密封良好。
进一步优选地，定子4为5级同心布置的碗状曲盘，定子曲盘4顶部与填料5底盘焊接，填料5与定子4均焊接于上壳体1顶部。定子曲盘4与转子曲盘3对向布置，转子、定子曲盘相互嵌套，增大流体的剪应力
进一步优选地，进液管道7末端设液体分布器14，液体均布器14将压力液体分布于Ⅰ级曲盘，在超重力场及定子曲盘4的引流作用下，进入下级曲盘。
进一步优选地，进气管道6、进液管道7与排气管道8同心布置。进气管道6、进液管道7与雾化区连通，排气管道8与雾化区不连通。
进一步优选地，催化填料5为疏松多孔的圆环结构，内填充有催化剂。
为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置的催化净化方法，具体包括以下步骤：
S1、柴油机尾气与吸收液分别从进气管道6、进液管道7进入曲盘雾化区，吸收液经均布器14分布在Ⅰ级曲盘表面，在曲盘表面形成液膜，经过离心作用，液膜在曲盘内壁边缘处被剪切破碎，转子曲盘3边缘的微观凸起结构，强化了雾化过程；
S2、液体雾化后形成的雾滴与尾气在多级曲盘的作用下发碰撞、剪切、搅拌、混合形成气液混合物，强化了气相传质；气液混合物离开雾化区，在压力作用下进入催化填料5；
S3、紧接着步骤S2，由于催化填料5为疏松多孔的环状结构，工作时静止且内圈直接与排气管道8连通，气液混合物在多孔催化填料5中与催化剂接触，完成NOx有害气体的催化还原反应，完成净化的尾气经排气管道8排出，完成柴油机尾气催化净化工作
进一步优选地，所述步骤S1中的吸收液为氨水或尿素水溶液，所述尿素水溶液浓度 20％-40％，尿素水溶液优选浓度为32.5％。
进一步优选地，所述步骤S3中的催化剂为铜基分子筛催化剂、铁基分子筛催化剂或钒基催化剂VO-WO-TIO等金属氧化物催化剂的一种或几种。
为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化系统，具体包括次氯酸钠预氧化系统、超重力反应系统、电控系统。其中，次氯酸钠预氧化系统完成尾气中NOx等预氧化过程，通过海水泵取海水进入次氯酸钠发生器制备次氯酸钠溶液作为氧化剂，溶液经雾化后进入预氧化室完成NOx等预氧化；超重力反应系统主要完成尿素等吸收液的雾化、气液混合、尾气净化以及吸收液回收的过程；电控系统主要通过液位传感器、氨气传感器反馈信号给电控单元，电控单元控制流量泵完成供液实时调控。
本发明的工作原理：电机17驱动由主轴11和转子曲盘3高速旋转，尾气与吸收液分别从进气管道6、进液管道7进入曲盘雾化区，吸收液经均布器14分布在Ⅰ级曲盘表面，在曲盘表面形成液膜，经过离心作用，液膜在曲盘内壁边缘处被剪切破碎，转子曲盘3边缘的微观凸起结构，强化了雾化过程。液体雾化后形成的雾滴与尾气在多级曲盘的作用下发碰撞、剪切、搅拌、混合形成气液混合物，强化了气相传质；气液混合物离开雾化区，在压力作用下进入催化填料5；气液混合物在多孔催化填料5中与催化剂接触，完成NOx有害气体的催化还原反应，完成净化的尾气经排气管道8从出口排出，完成柴油机尾气催化净化工作。本装置与预氧化系统、电控系统配合，通过海水泵取海水进入次氯酸钠发生器制备次氯酸钠溶液，利用次氯酸钠溶液的氧化性对尾气中的NOx等气体预氧化；电控系统通过液位传感器、氨气传感器的反馈信号对供液实时调控。
氨水同时脱硫脱销反应原理为：
SO2+NH3+H2O→NH4HSO3
Figure RE-GDA0003277698370000061
尾液回收原理
SO2+2NH3+H2O→(NH4)2SO3
NH4HSO3+NH3·H2O→(NH4)2SO3+H2O
(NH4)2SO3+0.5O2→(NH4)2SO4
本发明的结合了超重力雾化技术和选择性催化还原技术，净化效果好；电解海水制备次氯酸钠对尾气预氧化，提高NOx的去除率；采用集成化的定子4、转子曲盘3，结构紧凑；转子3、定子曲盘4相互嵌套，增大流体的剪切力；转子曲盘3的曲盘边缘设有微观凸起，强化液膜雾化；气体和吸收液同时进入雾化区，经多级曲盘雾化、混合，雾滴粒径小、与尾气混合充分；采用催化填料5，提高NOx、SO2的去除效率；整个装置结构紧凑、便于拆装。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置，包括由上壳体(1)和下壳体(2)相互连接构成的壳体，其特征在于，所述动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置还包括转子曲盘(3)、定子曲盘(4)、催化填料(5)、进气管道(6)、进液管道(7)、与所述上壳体(1)连通的排气管道(8)、设置在所述下壳体(2)中心内部的主轴(11)、轴承座(13)、液体分布器(14)、电机(17)和角接触球轴承(18)；
所述定子曲盘(4)安装在所述主轴(11)上，所述主轴(11)与所述下壳体(2)上的轴承座(13)固定；
所述定子曲盘(4)与转子曲盘(3)相对布置，两组曲盘间构成吸收液的雾化区，所述定子曲盘(4)与所述填料(5)一同连接于上壳体(1)顶部内侧面；
所述进气管道(6)贯穿排气管道(8)、上壳体(1)与曲盘的雾化区连通，所述进气管道(6)与进液管道(7)同心布置；
所述进液管道(7)内置于所述进气管道(6)内，其底部的液体出口与液体分布器(14)的进液口连通。
2.根据权利要求1所述的动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置，其特征在于，所述上壳体(1)固定催化填料(5)和定子曲盘(4)，所述催化填料(5)内径与排气管道(8)连通，下壳体(2)中心处安装轴承座(13)，在所述下壳体(2)底部设有液体出口，上壳体(1)和下壳体(2)间通过法兰连接。
3.根据权利要求1或2所述的动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置，其特征在于，所述转子曲盘(3)由同心设置在所述主轴(11)上的六个直径不同的曲盘组构成，每个曲盘组的曲盘呈圆形曲面状，其曲盘边缘设有微观凸起；
所述转子曲盘(3)通过主轴(11)、联轴器(16)与电机(17)连接，所述主轴(11)通过锁紧螺母(9)轴向锁紧固定，转动部件由电机(17)提供动力，带动转子曲盘(3)旋转，动力输入端的角接触球轴承(18)的轴承盖(10)与轴承座(13)间设有密封圈，角接触球轴承(18)与内腔间还设有挡油环(15)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置，其特征在于，所述定子曲盘(4)包括与所述转子曲盘(3)每个曲盘组同心交错设置的五个直径不同的曲盘构成，每个曲盘呈圆形碗状结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置，其特征在于，所述进液管道(7)末端与液体分布器(14)用固定螺栓锁紧，所述液体分布器(14)将液体分布于转子曲盘(3)的Ⅰ级曲盘，在超重力场中，逐级进入下级曲盘。
6.根据权利要求1-5任一项所述的动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置，其特征在于，所述进气管道(6)、进液管道(7)与排气管道(8)同心布置，所述进气管道(6)、进液管道(7)与雾化区连通，所述排气管道(8)与雾化区相隔离。
7.根据权利要求1-6任一项所述的，其特征在于，所述催化填料(5)为疏松多孔的圆环结构，其内部填充有催化剂。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化装置的催化净化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、柴油机尾气与吸收液分别从进气管道(6)、进液管道(7)进入曲盘雾化区，吸收液经液体分布器(14)分布在Ⅰ级曲盘表面，在曲盘表面形成液膜，经过离心作用下，液膜在曲盘内壁边缘处被剪切破碎，转子曲盘(3)边缘的微观凸起结构，强化了雾化过程；
S2、液体雾化后形成的雾滴与尾气在多级曲盘的作用下发碰撞、剪切、搅拌、混合形成气液混合物，强化了气相传质；气液混合物离开雾化区，在压力作用下进入催化填料(5)；
S3、紧接着步骤S2，由于催化填料(5)为疏松多孔的环状结构，工作时静止且内圈直接与排气管道(8)连通，气液混合物在多孔催化填料(5)中与催化剂接触，完成NOx有害气体的催化还原反应，实现净化的尾气经排气管道(8)排出，完成柴油机尾气催化净化工作。
9.根据权利要求8所述催化净化方法，其特征在于，所述步骤S1中的吸收液为氨水或尿素水溶液，所述尿素水溶液浓度20％-40％，尿素水溶液优选浓度为32.5％；
所述步骤S3中的催化剂为铜基分子筛催化剂、铁基分子筛催化剂或钒基催化剂VO-WO-TIO金属氧化物催化剂的一种或几种。
10.一种动静式多曲盘旋转填料床尾气催化净化系统，其特征在于，包括次氯酸钠预氧化系统、超重力反应系统和电控系统；
所述次氯酸钠预氧化系统通过海水泵取海水进入次氯酸钠发生器制备次氯酸钠溶液作为氧化剂，溶液经雾化后进入预氧化室完成NOx预氧化，完成尾气中NOx预氧化过程；
所述超重力反应系统完成尿素吸收液的雾化、气液混合、尾气净化以及吸收液回收的过程；
所述电控系统通过液位传感器、氨气传感器反馈信号给电控单元，电控单元控制流量泵完成供液实时调控。
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