CN116398274B - 一种纯氨发动机废气处理系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于船舶废气处理技术领域，具体涉及一种纯氨发动机废气处理系统与方法，该系统包括纯氨发动机、电弧等离子发生装置、脱硝反应器、洗涤塔、混合器、液氨罐和溶液储罐；所述纯氨发动机的废气输出端通过排气管路与所述脱硝反应器的废气输入端连接，所述液氨罐的氨输出端分别与纯氨发动机的氨输入端、电弧等离子发生装置的输入端以及混合器的输入端连接，所述溶液储罐的溶液输出端与所述混合器的输入端连接，所述混合器的输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液入口端连接。本发明能够同时实现脱硝与氨捕集，脱除效率高，大大减小了洗涤液的用量，并且占地面积小，适合在船舶上的狭窄空间使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种纯氨发动机废气处理系统与方法，属于船舶废气处理技术领域。
背景技术
氨是一种理想的无碳燃料，并且从单位质量储能来看，氨的能量密度甚至高于电池，接近化石燃料，因此良好的储能能力以及运输安全特点是氨作为燃料的巨大优势。氨发动机有望成为船舶的主要动力装置，纯氨发动机虽然避免了CO2、SOX等污染物的排放，但是会产生NO、NO2以及还存在氨逃逸的问题。
目前，船舶上采用SCR技术脱除氮氧化物的单一污染物脱除技术较为成熟，具有效率高、可靠性好等优点。现有的船舶纯氨发动机废气处理技术的不足主要体现在四个方面：一是采用选择性非催化还原技术（SNCR）来处理NOX时，氨气具有腐蚀性，大量喷入发动机中会产生应力腐蚀，对于发动机工作以及寿命会产生一定的影响；二是采用选择性催化还原技术（SCR）时，SCR系统中催化剂需要定期进行维护和更换，增加了使用成本；三是采用氨发动机作为动力源时，会产生氨逃逸问题，废气中会有一定量的氨气，需要及时对氨气进行处理；四是目前所采用的多种氧化NOX并使用碱液脱除的技术，会产生大量的硝酸盐溶液，如果排放入海，会对海洋环境造成破坏。
为了解决纯氨发动机废气处理的技术难题，公告号为CN217340836U的中国实用新型专利公开了“一种低速氨发动机脱硝系统及船舶”，其在低速氨发动机活塞下行的膨胀行程内喷入适量氨(NH3)，氨作为还原剂与低速氨发动机缸内的氮氧化物(NOx)发生选择性非催化还原反应(SNCR)，并根据不同负荷条件下SNCR反应脱除NOx能力，通过控制阀组从氨储罐向混合器补充喷射NH3，充分混合后通过SCR反应器发生选择性催化还原反应(SCR)，使低速氨发动机NOx满足排放要求，在不增加任何设备条件下，减少了SCR催化剂用量，缩短了SCR反应器设备以及管路的尺寸，减少了运营成本和占地空间，解决了现有SCR系统占地空间和运营成本大的问题。但该设备仍存在SCR系统催化剂失活以及氨逃逸的问题。公告号为CN217206668U的中国实用新型专利公开了“一种选择性非催化还原脱销系统及船舶”，其在低速氨发动机活塞运行一个循环周期内，NH3同时作为低速氨发动机的燃料和脱硝反应的还原剂由氨储罐通过控制阀组分时喷入低速氨发动机的气缸内，通过选择性非催化还原(SNCR)技术脱除低速氨发动机缸内的氮氧化物，取消了SCR系统的安装，解决了现有船用氨发动机还原脱硝系统使用成本高的问题。该专利采用SNCR的方式控制NOX的排放，减少了催化剂的使用，但是SNCR技术中氨气容易对发动机进行腐蚀，对发动机正常工作造成危险。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种纯氨发动机废气处理系统与方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明的目的之一在于提供一种纯氨发动机废气处理系统，包括纯氨发动机、电弧等离子发生装置、脱硝反应器、洗涤塔、混合器、液氨罐和溶液储罐；所述纯氨发动机的废气输出端通过排气管路与所述脱硝反应器的废气输入端连接，所述液氨罐的氨输出端分别与纯氨发动机的氨输入端、电弧等离子发生装置的输入端以及混合器的输入端连接，所述溶液储罐的溶液输出端与所述混合器的输入端连接，所述混合器的输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液入口端连接。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下的改进：
进一步，还包括第一换热器和第二换热器，所述排气管路上依次设有第一四通控制阀和第二四通控制阀，所述纯氨发动机的输出端通过第一四通控制阀分别与所述第一换热器的烟气入口端和所述第二换热器的烟气入口端连接，所述第一换热器的烟气出口端和所述第二换热器的烟气出口端分别通过第二四通控制阀与所述脱硝反应器的废气输入端连接。
进一步，所述液氨罐的氨输出端与所述第二换热器的液氨输入端连接，所述第二换热器的氨气输出端分别与纯氨发动机的氨输入端和电弧等离子发生装置的输入端相连。
进一步，所述混合器的输出端与所述第一换热器的液体输入端连接，所述第一换热器的液体输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液入口端连接。
进一步，所述喷淋管路设有第一喷淋层和第二喷淋层，所述第一喷淋层和第二喷淋层上均设有雾化喷嘴，所述雾化喷嘴均成环形排列。
进一步，所述第一喷淋层和第二喷淋层的雾化喷嘴错开设置。
进一步，所述雾化喷嘴的倾斜角度为30°。
本发明的目的之二在于提供一种纯氨发动机废气处理方法，采用如上所述的纯氨发动机废气处理系统处理纯氨发动机的废气。
进一步，包括以下步骤：
a.纯氨发动机排出的废气经过排气管路进入到第一四通控制阀中，在第一四通控制阀中废气分别进入第一换热器、第二换热器和第二四通控制阀，废气在第一换热器的折管式烟道内部，经过一系列换热之后，利用废气余热提供用于洗涤液强化活化的热能，随后从第一换热器的折管式烟道排出进入到第二四通控制阀中；废气在第二换热器的折管式烟道内部，经过一系列换热之后，利用废气余热提供液氨汽化的热能，随后从第二换热器的折管式烟道排出进入到第二四通控制阀中；
b. 第二四通控制阀中的废气进入到脱硝反应器中，与脱硝反应器中存在的经过电弧等离子发生装置激发电离的氨气反应，在脱硝反应器中，经过电弧等离子发生装置电离后的氨气中存在着大量的正、负离子、自由基以及电子等，其与废气之间发生强烈弹性以及非弹性碰撞，在此过程中强化了各气态组分的活性，同时提高了NH3与NOX发生还原反应的速率；
c.在脱硝反应器经过还原反应后的废气实现了大部分NOX的脱除，废气进入到洗涤塔中进行喷淋处理，在洗涤塔中布置两层喷淋层，下部的第二喷淋层主要起到降温以及吸收氨气的作用，上部的第一喷淋层喷出的过硫酸钠溶液中的强氧化性自由基与废气中未反应完全的NOX发生氧化反应，生成硝酸根以及硫酸根，并利用NH3的还原性改变其反应过程，大幅减少了硝酸根的生成，经过处理的废气除雾之后通过上部废气出口直接排出，其余废液由洗涤塔下部废液出口排出；在洗涤塔中发生的反应有：
d.溶液储罐提供的过硫酸钠溶液进入到混合器中与液氨罐提供的液氨混合成洗涤剂，经过混合后的洗涤剂进入到第一换热器中与纯氨发动机废气进行换热，实现洗涤液的活化强化过程，经过加热后的洗涤液中会产生大量的氧化性自由基；换热活化后的洗涤剂经管路送至洗涤塔的喷淋管路中，与废气进行充分接触混合；
e.液氨罐中的液氨输送到第二换热器中进行换热，经过换热汽化之后得到的氨气进入纯氨发动机中作为燃料进行燃烧，氨气进入电弧等离子发生装置中作为载体风，在电弧等离子发生装置中氨气被高温电弧激发电离。
进一步，进入所述电弧等离子发生装置之前，氨气先进行压缩、过滤和干燥的净化处理，再经电弧等离子发生装置的供气母管减压阀减压、稳压后，输送至电弧等离子发生装置中。
进一步，所述洗涤塔的废气出口前布置除雾器，经过洗涤塔处理的废气经过除雾器除雾之后通过废气出口直接排出。
进一步，所述除雾器为波形板式除雾器。
本发明的有益效果在于：
本发明的采用氨气作为载体风的电弧等离子发生装置将氨气电离为等离子态，形成等离子火炬，在等离子火炬中含有大量正、负离子、自由基及电子等，可以增加物质之间的相互碰撞，强化并加快NOx还原为N2的反应速率，提高反应转化率。
本发明的电弧等离子发生装置加脱硝反应装置与传统的SCR系统相比，可以在不加装催化剂的情况下，实现还原剂与NOx的快速高效反应，减少了传统SCR系统所需的催化剂的安装以及定期维护的更换费用，降低了成本，提高了经济效益。
本发明的洗涤液采用具有强氧化性以及还原性的物质，可以与在脱硝反应器中未反应完全的NOX进行反应，将其氧化为高价的氮氧化物，并利用NH3的还原性，与Na2S2O8组成氧化还原体系,针对N转化过程中的中间产物，改变其反应过程，大幅减少了硝酸根的生成，降低了废液中硝酸盐的含量，使洗涤后的废液能直接排放。
本发明的纯氨发动机废气中存在氨气，利用氨气极易溶于水的特性，采用洗涤液将逃逸的氨气进行吸收，防止氨气排出。
本发明利用纯氨发动机废气余热与洗涤液进行换热，可以实现洗涤液的加热活化，有效的利用发动机余热，在加热洗涤液过程中产生大量强氧化性自由基，增加了氧化能力，提高其反应活性，增强与NOX的反应过程。
本发明能够同时实现脱硝与氨捕集，脱除效率高，大大减小了洗涤液的用量，并且占地面积小，适合在船舶上狭窄空间使用。
本发明将洗涤塔中的硝酸盐、硫酸盐与氨水的混合溶液进行储存，避免直接将硝酸盐、硫酸盐溶液与氨水排放入海，避免对环境造成不利影响。
附图说明
图1为本发明的纯氨发动机废气处理系统的结构示意图。
附图标记记录如下：1、纯氨发动机；2、溶液储罐；3、液氨罐；4、电弧等离子发生装置；5、脱硝反应器；6、第一换热器；7、洗涤塔；8、混合器；9、第一四通控制阀；10、第二换热器；11、第二四通控制阀；12、第一喷淋层；13、第二喷淋层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参见图1，一种纯氨发动机废气处理系统，包括纯氨发动机1、电弧等离子发生装置4、脱硝反应器5、洗涤塔7、混合器8、液氨罐3、溶液储罐2、第一换热器6和第二换热器10。
所述纯氨发动机1的废气输出端通过排气管路与所述脱硝反应器5的废气输入端连接，具体的，所述排气管路上依次设有第一四通控制阀9和第二四通控制阀11，所述纯氨发动机1的输出端通过第一四通控制阀9分别与所述第一换热器6的烟气入口端和所述第二换热器10的烟气入口端连接，所述第一换热器6的烟气出口端和所述第二换热器10的烟气出口端分别通过第二四通控制阀11与所述脱硝反应器5的废气输入端连接。
所述液氨罐3的氨输出端分别与纯氨发动机1的氨输入端、电弧等离子发生装置4的输入端以及混合器8的输入端连接，具体的，所述液氨罐3的氨输出端与所述第二换热器10的液氨输入端连接，所述第二换热器10的氨气输出端分别与纯氨发动机1的氨输入端和电弧等离子发生装置4的输入端相连。
所述溶液储罐2的溶液输出端与所述混合器8的输入端连接，所述混合器8的输出端与所述洗涤塔7的喷淋管路洗涤液入口端连接。具体的，所述混合器8的输出端与所述第一换热器6的液体输入端连接，所述第一换热器6的液体输出端与所述洗涤塔7的喷淋管路洗涤液入口端连接。
所述喷淋管路设有第一喷淋层12和第二喷淋层13，所述第一喷淋层12和第二喷淋层13上均设有雾化喷嘴，所述雾化喷嘴均成环形排列。所述第一喷淋层12和第二喷淋层13的雾化喷嘴错开设置。所述雾化喷嘴的倾斜角度为30°，保证液体覆盖率为200%，液气比保持在12L/m3。
本实施例还公开了采用上述的纯氨发动机废气处理系统处理船舶纯氨发动机废气的处理方法，包括以下步骤：
a. 纯氨发动机1排出的废气经过排气管路进入到第一四通控制阀9中，在第一四通控制阀9中废气分别进入第一换热器6、第二换热器10和第二四通控制阀11，废气在第一换热器6的折管式烟道内部，经过一系列换热之后，利用废气余热提供用于洗涤液强化活化的热能，随后从第一换热器6的折管式烟道排出进入到第二四通控制阀11中；废气在第二换热器10的折管式烟道内部，经过一系列换热之后，利用废气余热提供液氨汽化的热能，随后从第二换热器10的折管式烟道排出进入到第二四通控制阀11中；
b. 第二四通控制阀11中的废气进入到脱硝反应器5中，与脱硝反应器5中存在的经过电弧等离子发生装置4激发电离的氨气反应，在脱硝反应器5中，经过电弧等离子发生装置4电离后的氨气中存在着大量的正、负离子、自由基以及电子等，其与废气之间发生强烈弹性以及非弹性碰撞，在此过程中强化了各气态组分的活性，同时提高了NH3与NOX发生还原反应的速率；
c.在脱硝反应器5经过还原反应后的废气实现了大部分NOX的脱除，废气进入到洗涤塔7中进行喷淋处理，在洗涤塔7中布置两层喷淋层，下部的第二喷淋层13主要起到降温以及吸收氨气的作用，上部的第一喷淋层12喷出的过硫酸钠溶液中的强氧化性自由基与废气中未反应完全的NOX发生氧化反应，生成硝酸根以及硫酸根，并利用NH3的还原性改变其反应过程，大幅减少了硝酸根的生成，经过处理的废气除雾之后通过上部废气出口直接排入大气，其余废液由洗涤塔7下部废液出口排出；在洗涤塔7中发生的反应有：
d.溶液储罐2提供的过硫酸钠溶液进入到混合器8中与液氨罐3提供的液氨混合成洗涤剂，经过混合后的洗涤剂进入到第一换热器6中与纯氨发动机废气进行换热，实现洗涤液的活化强化过程，经过加热后的洗涤液中会产生大量的氧化性自由基；换热活化后的洗涤剂经管路送至洗涤塔7的喷淋管路中，与废气进行充分接触混合；
e.液氨罐3中的液氨输送到第二换热器10中进行换热，经过换热汽化之后得到的氨气进入纯氨发动机1中作为燃料进行燃烧，氨气进入电弧等离子发生装置4中作为载体风，在电弧等离子发生装置4中氨气被高温电弧激发电离。
进入所述电弧等离子发生装置4之前，氨气先进行压缩、过滤和干燥的净化处理，再经电弧等离子发生装置4的供气母管减压阀减压、稳压后，输送至电弧等离子发生装置4中。本实施例的电弧等离子发生装置4中采用水冷的方式维持发生器的长期稳定运行。为减少冷却水对机体的腐蚀，防止高温结垢，冷却水采用除盐化学水。
所述洗涤塔7中所采用的洗涤液包括具有强氧化性的过硫酸钠溶液。
所述洗涤塔7的废气出口前布置除雾器，经过洗涤塔7处理的废气经过除雾器除雾之后通过废气出口直接排出。所述除雾器为波形板式除雾器。
本实施例的纯氨发动机废气处理系统由纯氨发动机1、电弧等离子发生装置4、脱硝反应器5、洗涤塔7组成，能够很好的脱除纯氨发动机废气中的NOX和NH3。在脱硝反应器5中废气中NOX可以在没有催化剂的情况下与电离后的氨气发生反应生成N2，减少了催化剂的使用。本实施例的电弧等离子发生装置4具有电弧能量集中，温度高，导电性好的优点，可以有效的将氨气电离为等离子体，增加物质之间的相互碰撞，强化并加快NOx还原为N2的反应速率，提高反应转化率。本实施例的洗涤塔7洗涤所用的洗涤液从混合器8中先通过第一换热器6，在第一换热器6中与纯氨发动机1排出的废气进行换热，可以对洗涤液进行活化，提高其氧化性能，降低能耗。本实施例的液氨从液氨罐3中先通过第二换热器10，在第二换热器10中与纯氨发动机1排出的废气进行换热，实现液氨汽化，提高废气余热利用率。本实施例在洗涤塔7内部布置了两层喷淋层，两层喷淋层的雾化喷嘴交错布置，其中的雾化喷嘴成环形排列，能够提高喷淋覆盖率，扩大废气与洗涤液的接触面积。本实施例采用的除雾器为波形板式除雾器，采用耐高温、抗腐蚀材料制成，能够实现气水分离。
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)
1.一种纯氨发动机废气处理系统，包括纯氨发动机，其特征在于，还包括电弧等离子发生装置、脱硝反应器、洗涤塔、混合器、液氨罐和溶液储罐；所述纯氨发动机的废气输出端通过排气管路与所述脱硝反应器的废气输入端连接，所述液氨罐的氨输出端分别与纯氨发动机的氨输入端、电弧等离子发生装置的输入端以及混合器的输入端连接，所述溶液储罐的溶液输出端与所述混合器的输入端连接，所述混合器的输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液入口端连接；所述溶液储罐用于提供过硫酸钠溶液；所述脱硝反应器的废气输出端与所述洗涤塔的废气输入端相连接；所述电弧等离子发生装置的输出端与所述脱硝反应器的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，还包括第一换热器和第二换热器，所述排气管路上依次设有第一四通控制阀和第二四通控制阀，所述纯氨发动机的输出端通过第一四通控制阀分别与所述第一换热器的烟气入口端和所述第二换热器的烟气入口端连接，所述第一换热器的烟气出口端和所述第二换热器的烟气出口端分别通过第二四通控制阀与所述脱硝反应器的废气输入端连接。
3.根据权利要求2所述的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述液氨罐的氨输出端与所述第二换热器的液氨输入端连接，所述第二换热器的氨气输出端分别与纯氨发动机的氨输入端和电弧等离子发生装置的输入端相连。
4.根据权利要求2所述的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述混合器的输出端与所述第一换热器的液体输入端连接，所述第一换热器的液体输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液入口端连接。
5.根据权利要求1所述的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述喷淋管路设有第一喷淋层和第二喷淋层，所述第一喷淋层和第二喷淋层上均设有雾化喷嘴，所述雾化喷嘴均成环形排列。
6.根据权利要求5所述的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述第一喷淋层和第二喷淋层的雾化喷嘴错开设置。
7.根据权利要求6所述的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述雾化喷嘴的倾斜角度为30°。
8.一种纯氨发动机废气处理方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的纯氨发动机废气处理系统处理纯氨发动机的废气。
9.根据权利要求8所述的纯氨发动机废气处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 纯氨发动机排出的废气经过排气管路进入到第一四通控制阀中，在第一四通控制阀中废气分别进入第一换热器、第二换热器和第二四通控制阀，废气在第一换热器的折管式烟道内部换热，随后从第一换热器的折管式烟道排出进入到第二四通控制阀中；废气在第二换热器的折管式烟道内部换热，随后从第二换热器的折管式烟道排出进入到第二四通控制阀中；
b. 第二四通控制阀中的废气进入到脱硝反应器中，与脱硝反应器中存在的经过电弧等离子发生装置激发电离的氨气反应；
c.在脱硝反应器经过还原反应后的废气进入到洗涤塔中进行喷淋处理，经过处理的废气除雾之后通过上部废气出口直接排出，其余废液由洗涤塔下部废液出口排出；
d.溶液储罐提供的过硫酸钠溶液进入到混合器中与液氨罐提供的液氨混合成洗涤剂，经过混合后的洗涤剂进入到第一换热器中与纯氨发动机废气进行换热，换热活化后的洗涤剂经管路送至洗涤塔的喷淋管路中，与废气进行充分接触混合；
e.液氨罐中的液氨输送到第二换热器中进行换热，经过换热汽化之后得到的氨气进入纯氨发动机中作为燃料进行燃烧，氨气进入电弧等离子发生装置中作为载体风，在电弧等离子发生装置中氨气被高温电弧激发电离。
10.根据权利要求9所述的纯氨发动机废气处理方法，其特征在于，进入所述电弧等离子发生装置之前，氨气先进行压缩、过滤和干燥的净化处理，再经电弧等离子发生装置的供气母管减压阀减压、稳压后，输送至电弧等离子发生装置中。
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