CN115475498A - 一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及等离子体脱除船舶废气以及余热回收技术领域，提供一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，包括液态电极介质阻挡放电等离子体反应器、液态电极余热回收体系、等离子体废气余热回收体系。液态电极余热回收体系可将反应器液态电极产生的热量用于船舶制氮、加热采暖、余热制冷、热泵利用等装置，再通过水泵将溶液泵送至反应器完成循环；等离子体废气余热回收体系可将废气自身的热量和反应器对废气的二次加热予以回收，通过换热器、中间换热器、膨胀机、回热器、冷凝器实现废气余热发电。本发明在实现船舶废气一体化脱除的基础上，最大限度回收利用等离子体产生的余热，对推动船舶废气处理和余热回收利用技术的发展具有重要价值。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体脱除船舶废气以及余热回收技术领域，尤其涉及一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统。
背景技术
船舶运输是国际贸易的主要运输方式，具有运量大、成本低、适合远距离大宗商品运输等特点，承担了目前全球贸易总量的90％以上，在世界经济的发展中发挥着举足轻重的作用。但与此同时，船舶排放废气也成为海洋、港口和沿海地区大气污染的重要来源。废气经大气循环迁移转化，最终沉积于陆地和海洋生态系统，导致生态系统衰退和海洋酸化，此外，废气也会侵蚀人体呼吸系统，直接损害人体健康。受绿色生态、绿色发展战略理念的驱使，船舶废气排放对环境造成的危害倍受关注。节能减排已成为船舶运输业适应当前经济发展形势和提高未来竞争力必须要面对的重要热题。
介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge,DBD)技术具有反应器结构紧凑、运行状态相对温和、催化剂协同性高等优势，在船舶废气治理领域具有广阔的应用前景。基于DBD废气处理余热利用技术，现有研究主要局限于船舶废气自身余热的回收利用，体现为S-CO2布雷顿循环与卡琳娜循环组成联合循环，回收利用船舶主机排烟废气余热发电，实现对排烟尾气的梯级利用。
然而，DBD废气治理技术有相当比例的能量损失在反应器电极的加热机制上，尤其是交流电源驱动的DBD放电热损耗约占总施加能量的80％左右，目前以传统双金属电极DBD反应器为代表的电极余热回收利用技术对余热利用率相对较低，无法满足现今航运业节能减排的要求。
发明内容
根据上述提出传统金属电极DBD废气处理技术余热利用率低的技术问题，而提供一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统。本发明主要通过废气余热与反应器电极余热协同利用的技术策略，从而起到提升DBD废气处理技术余热回收利用率，降低船舶废气治理能耗损失的效果。
本发明采用的技术手段如下：
一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，包括液态电极介质阻挡放电等离子体反应器、液态电极余热回收体系和等离子体废气余热回收体系；
所述液态电极介质阻挡放电等离子体反应器的溶液电极出口与所述液态电极余热回收体系的入口连接，所述液态电极余热回收体系的出口与所述液态电极介质阻挡放电等离子气体反应器的溶液电极进口连接；
所述等离子体废气余热回收体系与所述液态电极介质阻挡放电等离子体反应器的气体出口连接。
优选地，所述液态电极余热回收体系包括液态电极余热利用系统，所述液态电极余热利用系统的入口和出口分别与所述溶液电极出口和所述溶液电极进口连通；所述液态电极余热利用系统利用所述液态电极溶液的热量，之后水泵将换热后的所述液态电极溶液输送至所述溶液电极进口完成循环。
优选地，液态电极余热利用系统包括但不限于船舶制氮系统、加热采暖系统、吸收式制冷系统、余热制冷系统、热泵利用系统等。
优选地，所述等离子体废气余热回收体系采用ORC朗肯回热循环，包括换热器、中间换热器、膨胀机、回热器和冷凝器，所述气体出口排出的废气经所述换热器和所述中间换热器进行等压加热，形成的过热蒸汽经所述膨胀机绝热膨胀对外做功发电；余热蒸汽经所述回热器和所述冷凝器进行等压放热凝结，随后经给水泵绝热压缩完成循环。
优选地，所述液态电极介质阻挡放电等离子体反应器包括高压电极；所述高压电极的两端分别设置有第一绝缘介质环；所述高压电极和所述第一绝缘介质环位于内电介质层内，且所述内电介质层的外侧套置有外电介质层，所述外电介质层外侧紧贴液态接地电极溶液腔，所述液态接地电极溶液腔具有所述溶液电极进口和所述溶液电极出口；所述液态接地电极溶液腔内具有液态电极溶液；所述内电介质层和所述外电介质层之间具有用于气体放电的等离子体放电反应区；所述高压电极两端分别固定有紧固套，且所述紧固套将所述离子体放电反应区密封，两个所述紧固套上分别设有与所述等离子体放电反应区连通的所述气体出口和气体入口，所述高压电极的一端穿过其所对应的所述紧固套，并与等离子体电源高压端子连接，接通电源后净化转化所述等离子体放电反应区内的废气。
优选地，所述高压电极上安装有导电金属环，且两个所述第一绝缘介质环位于所述导电金属环的两端。所述导电金属环采用高导电率金属制成。
优选地，所述导电金属环为一个整体式导电金属环。
或所述导电金属环为分体式导电金属环，其包括至少两个子导电金属环和设置在相邻两个子导电金属环之间的第二绝缘介质环。
所述子导电金属环与所述第二绝缘介质环的组合方式为，所有所述子导电金属环的长度和为定值，所有所述第二绝缘介质环的长度相同，所述子导电金属环的数量为变量。
或所述子导电金属环与所述第二绝缘介质环的组合方式为，所有所述子导电金属环的长度和为定值，所述子导电金属环的数量为定值，所述第二绝缘介质环的长度为变量。
这种分段式电极设计方案具备结构紧凑、节省金属材料、组合多样、组装便捷等优势。基于不同的应用场景，可以采用不同的分段组合方式。同时实现了一个高压端子并联多组放电环，可有效提升放电均匀度与强度。极大改善了DBD放电的稳定性电极寿命、系统能耗等性能指标。
优选地，所述紧固套采用聚四氟乙烯制成；
所述高压电极采用紫铜制成；
所述第一绝缘介质环和所述第二绝缘介质环采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮、石英玻璃或陶瓷制成；
所述内电介质层采用石英玻璃、氮化铝陶瓷、聚合物薄膜材质制成；
所述外电介质层采用石英玻璃制成；
所述液态电极溶液采用海水。
液态电极余热回收体系主要技术路线为：液态接地电极溶液腔内液态电极溶液产生的热量以及废气经过散热传给液态电极溶液的热量在液态接地电极溶液腔内储存，之后用于船舶制氮系统、加热采暖系统、吸收式制冷系统、余热制冷系统、热泵利用等系统，最后通过水泵将换热后的电极溶液泵送至液态接地电极溶液腔完成循环。
等离子体处理后的废气余热回收体系主要技术路线为：液态电极介质阻挡放电等离子体反应器中的废气热量来源于三部分，首先，液态电极介质阻挡放电等离子体反应器在运行中，由于焦耳热效应，中心的高压电极温度急剧升高，高压电极的热量极易通过内电介质层传输给等离子体放电反应区的废气；其次，等离子体放电反应区内部因高能电子与废气中性粒子的非弹性碰撞产生温升效应，进一步提升了废气的温度；最后，船舶废气本身自带热量。所述气体出口排出的废气经所述换热器和所述中间换热器进行等压加热，形成的过热蒸汽经所述膨胀机绝热膨胀对外做功发电；余热蒸汽经所述回热器和所述冷凝器进行等压放热凝结，随后经给水泵绝热压缩完成循环。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的液态电极余热回收体系，通过液态电极将高压激励电极产生的热量以及废气经过所散发的热量储存起来用于船舶制氮、加热采暖、吸收式制冷、余热制冷、热泵利用等装置，再通过水泵将换热后的溶液泵送至反应器溶液腔完成循环，实现了对高压激励电极散失热量和DBD废气处理余热的回收再利用。
2、本发明提供的等离子体废气余热回收体系，通过换热器、中间换热器、膨胀机、回热器、冷凝器等装置进行废气余热发电，实现了将DBD废气处理余热和反应器对废气的二次加热能量予以回收再利用。
3、本发明提供的液态电极介质阻挡放电等离子体反应器结构紧凑、节省金属材料、组合多样、组装便捷等优势。基于不同的应用场景，可以采用不同的分段组合方式。同时实现了一个高压端子并联多组放电环，可有效提升放电均匀度与强度。极大改善了DBD放电的稳定性电极寿命、系统能耗等性能指标。
综上，应用本发明的技术方案利用液态电极余热回收体系和等离子体废气余热回收体系可有效提高DBD废气处理余热的回收利用率。因此，本发明的技术方案可解决现有技术中的传统双金属电极DBD反应器为代表的电极余热回收利用技术对余热利用率相低，无法满足现今航运业节能减排的要求的问题。
基于上述理由本发明可在等离子体脱除船舶废气以及余热回收等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1～4中一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统结构示意图。
图2为本发明实施例1中液态电极介质阻挡放电等离子体反应器结构示意图。
图3为本发明实施例2中液态电极介质阻挡放电等离子体反应器结构示意图。
图4为本发明实施例3中分体式导电金属环及其组合方式示意图。
图5为本发明实施例4中分体式导电金属环及其组合方式示意图。
图中：1、气体入口；2、气体出口；3、溶液电极进口；4、溶液电极出口；5、高压电极；6、左第一绝缘介质环；7、内电介质层；8、右第一绝缘介质环；9、等离子体放电反应区；10、外电介质层；11、液态接地电极溶液腔；12、左紧固套；13、右紧固套；14、导电金属环；15、子导电金属环；16、第二绝缘介质环。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1～2所示，一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，包括液态电极介质阻挡放电等离子体反应器、液态电极余热回收体系和等离子体废气余热回收体系；
所述液态电极介质阻挡放电等离子体反应器包括高压电极5，所述高压电极5采用具有外螺纹的螺栓杆式结构；所述高压电极5的两端分别设置有与其螺纹配合的第一绝缘介质环，分别为左第一绝缘介质环6和右第一绝缘介质环8；所述导电金属环和所述第一绝缘介质环位于内电介质层7内，且所述内电介质层7的外侧套置有外电介质层10，所述外电介质层10内具有液态接地电极溶液腔11，所述液态接地电极溶液腔11具有溶液电极进口3和溶液电极出口4；所述液态接地电极溶液腔11内具有液态电极溶液；所述内电介质层7和所述外电介质层10之间具有用于气体放电的等离子体放电反应区9；所述高压电极5两端分别固定有紧固套，分别为左紧固套12和右紧固套13，且所述紧固套将所述离子体放电反应区9密封，左紧固套12和右紧固套13上分别设有与所述等离子体放电反应区9连通的气体出口2和气体入口1，所述高压电极5的左端穿过左紧固套12，并与等离子体电源高压端子连接，接通电源后净化转化所述等离子体放电反应区内的废气；
所述液态电极余热回收体系的入口与所述溶液电极出口4连接，所述液态电极余热回收体系的出口与所述溶液电极进口3连接；
所述等离子体废气余热回收体系与所述气体出口2连接。
所述液态电极余热回收体系包括耗能系统，所述耗能系统的入口和出口分别与所述溶液电极出口4和所述溶液电极进口3连通；所述耗能系统利用所述液态电极溶液的热量，之后水泵将换热后的所述液态电极溶液输送至所述液态接地电极溶液腔11内完成循环。
所述耗能系统包括船舶制氮系统、加热采暖系统、吸收式制冷系统、余热制冷系统或热泵利用系统。
所述等离子体废气余热回收体系采用ORC朗肯回热循环，包括换热器、中间换热器、膨胀机、回热器和冷凝器，所述气体出口排出的废气经所述换热器和所述中间换热器进行等压加热，形成的过热蒸汽经所述膨胀机绝热膨胀对外做功发电；余热蒸汽经所述回热器和所述冷凝器进行等压放热凝结，随后经给水泵绝热压缩完成循环。
本实施例中所述紧固套采用聚四氟乙烯制成；所述高压电极5采用紫铜制成；所述第一绝缘介质环采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮、石英玻璃或陶瓷制成；所述内电介质层7采用石英玻璃、氮化铝陶瓷、聚合物薄膜材质制成；所述外电介质层10采用石英玻璃制成；所述液态电极溶液采用海水。
实施例2
如图1和3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：所述高压电极5上安装有与其螺纹配合的导电金属环14，导电金属环14为高导电率材料制成；左第一绝缘介质环6和右第一绝缘介质环8分别位于所述导电金属环14的左右两端。所述导电金属环14为一个整体式导电金属环。
实施例3
如图1和4所示，本实施例与实施例2的不同之处在于：所述导电金属环14为分体式导电金属环，其包括至少两个子导电金属环15和设置在相邻两个子导电金属环15之间的第二绝缘介质环16。第二绝缘介质环16采用高击穿场强的聚四氟乙烯、聚醚醚酮、石英玻璃或陶瓷等材料制成；所述子导电金属环15与所述第二绝缘介质环16的组合方式为，所有所述子导电金属环15的长度和为定值，所有所述第二绝缘介质环16的长度相同，实现了绝缘间隔相同，所述子导电金属环15的数量为变量，如图4所示，子导电金属环15的数量由两个至五个依次变化，子导电金属环15的单独长度逐渐变小，但所有所述子导电金属环15的长度之和均与实施例2中所提到的整体式的导电金属环14的长度相等。
实施例4
如图1和5所示，本实施例与实施例2的不同之处在于：所述导电金属环14为分体式导电金属环，其包括至少两个子导电金属环15和设置在相邻两个子导电金属环15之间的第二绝缘介质环16。所述子导电金属环15与所述第二绝缘介质环16的组合方式为，所有所述子导电金属环15的长度和为定值，所述子导电金属环15的数量为定值，所述第二绝缘介质环16的长度为变量。如图5所示，所述子导电金属环15的数量为五个，第二绝缘介质环16的长度由上至下依次增加，即绝缘间隔逐渐增加。
实施例3与实施例4中，导电金属环均采用分段式放电结构，其实现了一个高压端子并联多组放电环，可有效提升放电均匀度与强度。这种分段式电极设计方案具备结构紧凑、节省金属材料、组合多样、组装便捷等优势。基于不同的应用领域及具体的应用场景，可以采用不同的分段组合方式。同时，极大改善了DBD放电均匀度、稳定性、强度、电极寿命、系统能耗等性能指标。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，包括液态电极介质阻挡放电等离子体反应器、液态电极余热回收体系和等离子体废气余热回收体系；
所述液态电极介质阻挡放电等离子体反应器的溶液电极出口与所述液态电极余热回收体系的入口连接，所述液态电极余热回收体系的出口与所述液态电极介质阻挡放电等离子气体反应器的溶液电极进口连接；
所述等离子体废气余热回收体系与所述液态电极介质阻挡放电等离子体反应器的气体出口连接。
2.根据权利要求1所述的一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，
所述液态电极余热回收体系包括液态电极余热利用系统，所述液态电极余热利用系统的入口和出口分别与所述溶液电极出口和所述溶液电极进口连通；所述液态电极余热利用系统利用所述液态电极溶液的热量，之后水泵将换热后的所述液态电极溶液输送至所述溶液电极进口完成循环。
3.根据权利要求1所述的一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，所述等离子体废气余热回收体系采用ORC朗肯回热循环，包括换热器、中间换热器、膨胀机、回热器和冷凝器，所述气体出口排出的废气经所述换热器和所述中间换热器进行等压加热，形成的过热蒸汽经所述膨胀机绝热膨胀对外做功发电；余热蒸汽经所述回热器和所述冷凝器进行等压放热凝结，随后经给水泵绝热压缩完成循环。
4.根据权利要求1所述的一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，所述液态电极介质阻挡放电等离子体反应器包括高压电极；所述高压电极的两端分别设置有第一绝缘介质环；所述高压电极和所述第一绝缘介质环位于内电介质层内，且所述内电介质层的外侧套置有外电介质层，所述外电介质层外侧紧贴液态接地电极溶液腔，所述液态接地电极溶液腔具有所述溶液电极进口和所述溶液电极出口；所述液态接地电极溶液腔内具有液态电极溶液；所述内电介质层和所述外电介质层之间具有用于气体放电的等离子体放电反应区；所述高压电极两端分别固定有紧固套，且所述紧固套将所述离子体放电反应区密封，两个所述紧固套上分别设有与所述等离子体放电反应区连通的所述气体出口和气体入口，所述高压电极的一端穿过其所对应的所述紧固套，并与等离子体电源高压端子连接，接通电源后净化转化所述等离子体放电反应区内的废气。
5.根据权利要求4所述的一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，
所述高压电极上安装有导电金属环，且两个所述第一绝缘介质环位于所述导电金属环的两端。
6.根据权利要求5所述的一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，
所述导电金属环为一个整体式导电金属环。
7.根据权利要求5所述的一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，
所述导电金属环为分体式导电金属环，其包括至少两个子导电金属环和设置在相邻两个子导电金属环之间的第二绝缘介质环。
8.根据权利要求7所述的一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，
所述子导电金属环与所述第二绝缘介质环的组合方式为，所有所述子导电金属环的长度和为定值，所有所述第二绝缘介质环的长度相同，所述子导电金属环的数量为变量。
9.根据权利要求7所述的一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，
所述子导电金属环与所述第二绝缘介质环的组合方式为，所有所述子导电金属环的长度和为定值，所述子导电金属环的数量为定值，所述第二绝缘介质环的长度为变量。
10.根据权利要求7所述的一种船舶废气等离子体脱除装置的余热回收系统，其特征在于，
所述紧固套采用聚四氟乙烯制成；
所述高压电极采用紫铜制成；
所述第一绝缘介质环和所述第二绝缘介质环采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮、石英玻璃或陶瓷制成；
所述内电介质层采用石英玻璃、氮化铝陶瓷、聚合物薄膜材质制成；
所述外电介质层采用石英玻璃制成；
所述液态电极溶液采用海水。
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