CN116771466A - 一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶发动机尾气脱硝装置，涉及船舶发动机尾气后处理技术领域，解决了现有船舶尾气处理N2O气体需要额外提供能量以及额外增加管路或设备的问题。本发明包括NO快速氧化装置、若干氧化催化剂负载装置、气体混合器、选择性催化反应器、减压器、低温热解N2O装置和若干低温热解催化剂承载装置，NO快速氧化装置和低温热解N2O装置为螺旋组合式结构，螺旋管道分别通过氧化催化剂负载装置和低温热解催化剂承载装置连接，氧化催化剂负载装置内放置NO氧化催化剂，低温热解催化剂负载装置内放置低温热解N2O催化剂。本发明通过螺线管压缩装置横向体积，增加尾气与催化剂接触时间；可抽拉式催化剂承载器增加气体流程，还可对催化剂进行快速更换。
Description
技术领域
本发明涉及船舶发动机尾气后处理技术领域，具体为一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法。
背景技术
发动机燃烧过程中产生的NOX以NO为主并含有少量NO2和N2O，其中NO主要有三种生成途径：高温富氧条件下N2被氧化为NO，浓混合气燃烧时形成的激发NO以及含氮化合物燃烧时所形成的燃烧NO，使得船舶尾气造成的污染已不容忽视。N2O俗称“笑气”，是公认的强温室气体，其产生的温室效应是等量CO2的298倍，同时N2O可在大气中留存150年左右，并可扩散至平流层破坏大气臭氧层，被认为是21世纪最重要的大气平流层臭氧消耗物质。联合国应对气候变化相继出台的《联合国气候变化框架公约》、《京都议定书》、《巴黎协定》都对N2O等温室气体排放进行了战略布局。
尿素-SCR技术是降低柴油机NOX排放的首选技术路线，尿素水溶液在尾气高温作用下通过蒸发热解与水解过程生成NH3，生成的NH3与NOX一起流入SCR催化器中在催化剂的催化作用下将NOX还原为N2。在SCR反应过程中，根据NOX中NO2占比的不同分为标准SCR反应、快速SCR反应以及慢速SCR反应。其中快速SCR反应有着高效率高速率的优势，需要反应物NO和NO2达到1:1的比例；但SCR技术在处理NOX的过程中会产生副产物N2O，使得经过SCR的尾气中N2O含量增加，目前针对N2O污染的处理方法一般为在高温下热解、在催化剂条件下以高于400℃温度进行热分解和在催化剂条件下以氨气为还原剂进行催化还原，但尾气中存在一定浓度的O2会影响以上催化效果。
现有船舶尾气处理技术对于NOX的处理一般采用SCR技术，而对于N2O的处理一般选用催化热解处理或等离子体技术电离等，前者热解温度需要达到300℃以上，后者则需要外界提供电能，二者都需要消耗额外的能量来对N2O进行处理，同时也需要额外增加管路或设备来进行处理。
因此，针对于现有船舶尾气造成的污染，开发一种可以在低温无额外能耗条件下处理NOX和N2O的脱销装置具有重要意义。
发明内容
本发明为了解决上述提到的现有船舶尾气处理N2O气体需要额外提供能量以及额外增加管路或设备的问题，特此提出了一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法。本发明通过使用螺线管压缩装置横向体积，增加尾气与催化剂接触时间，从而降低对能源的消耗；通过设计的可抽拉式催化剂承载器，利用内部的蛇形通道增加气体流程令尾气充分反应，抽拉式设计便于维修的同时还可以对参与反应的催化剂进行快速更换。
本发明提出了一种船舶发动机尾气脱硝装置，其具体包括NO快速氧化装置、若干氧化催化剂负载装置、气体混合器、选择性催化反应器、减压器、低温热解N2O装置和若干低温热解催化剂承载装置，所述NO快速氧化装置、气体混合器、选择性催化反应器、减压器和低温热解N2O装置依次连接，NO快速氧化装置和低温热解N2O装置均采用螺旋组合式结构，NO快速氧化装置内部螺旋管道通过氧化催化剂负载装置连接，氧化催化剂负载装置内部放置NO氧化催化剂，所述低温热解N2O装置内部螺旋管道通过低温热解催化剂负载装置连接，所述低温热解催化剂负载装置内放置低温热解N2O催化剂。
更进一步地，所述选择性催化反应器内设置有抽拉式催化剂承载器，抽拉式催化剂承载器内部设置有若干网格，网格内装有SCR反应催化剂，若干网格形成蛇形通道。
更进一步地，所述抽拉式催化剂承载器上下两端设置有隔热云母拉手。
更进一步地，所述气体混合器中通入氨气与尾气混合，气体混合器为渐扩结构减小气体流速，延长混合气体进行SCR反应的时间。
更进一步地，所述减压器为渐缩结构，能够根据环境条件改变进入低温热解N2O装置10的流量，从而调整尾气通过催化剂的时间，减少催化剂表面应力。
更进一步地，所述氧化催化剂负载装置包括轴套和两个铁丝网，两个铁丝网设置在轴套内部，用来装载NO氧化催化剂；通过轴套将前后的螺线管连接起来。
更进一步地，所述低温热解催化剂承载装置包括轴套和两个铁丝网，两个铁丝网设置在轴套内部，用来装载低温热解N2O催化剂；通过轴套将前后的螺线管连接起来。
一种采用上述船舶发动机尾气脱硝装置的处理方法，包括如下步骤：
a.船舶尾气通过NO快速氧化装置，尾气中NO与氧气在NO氧化催化剂作用下催化氧化为NO2；
b.针对不同尾气温度和尾气中O2含量来调整NO氧化催化剂用量使经过NO快速氧化装置1的气体中NO和NO2体积分数比例为1：1，以满足和NH3进入气体混合器并在选择性催化反应器进行快速SCR反应；
c.尾气中的N2O进入低温热解N2O装置，N2O被低温热解N2O催化剂分解为N2排入大气。
更进一步地，所述NO氧化催化剂为碳基单原子负载的铁基催化剂，铁原子负载MOF材料缺位掺杂氮原子Fe-NZ，Z＝1-4，该催化剂在温度25℃-300℃之间及氧气浓度4％-15％之间对NO达到不同程度的氧化，通过不同发动机型号对应尾气温度及氧气浓度进行对催化剂含量的调整，使NO和NO2体积分数为1：1。
更进一步地，所述低温热解N2O催化剂选择稀有轻金属负载过渡金属取代的钴的氧化物Cs-MeXCoK-XOY，催化剂成品中过渡金属铯占1％-2％，过渡金属氧化物中Me为镍或镁，取代范围X为0-0.9，Y为0-4，K为1-3，余量为氧化钴载体，能够在190℃-250℃低温条件下热解N2O。
本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法的有益效果为：
(1)本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法，NO快速氧化装置和低温热解N2O装置采用螺线管结构可以压缩装置横向体积，能够减少后处理装置体积的同时增大尾气处理行程，增加尾气与催化剂接触时间，从而降低对于能源的需求；
(2)本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法，通过将可抽拉式催化剂承载器内部设计成蛇形结构，从而增加气体流程，保证尾气和SCR反应催化剂充分接触并反应，抽拉式的设计便于装置维修的同时还可以对参与反应的SCR反应催化剂进行快速更换；
(3)本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法，相对于以往的N2O处理技术，本发明可以做到低温190℃-250℃范围内热解N2O，符合发动机尾气余温利用范围，无需额外增加能耗；
(4)本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法，相较传统的脱硝装置在船舶尾气中增加氧化装置，使尾气通过选择催化还原装置发生高效的快速SCR反应，最后使尾气中N2O通过低温热解装置分解，相对于以往的脱销装置本发明可做到更加节能高效的低温处理船舶尾气。船舶尾气自船舶发动机出来后依次通过NO氧化装置、SCR反应装置和N2O催化分解装置，最后经船舶尾气出口排向大气。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置的结构示意图；
图2是本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置的氧化催化剂负载装置的结构示意图；
图3是本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置的低温热解催化剂承载装置的结构示意图；
其中：1-NO快速氧化装置，2-氧化催化剂负载装置，3-气体混合器，4-选择性催化反应器，5-抽拉式催化剂承载器，6-铁丝网，7-SCR反应催化剂，8-隔热云母拉手，9-减压器，10-低温热解N2O装置，11-低温热解催化剂承载装置，12-NO氧化催化剂，13-轴套，14-低温热解N2O催化剂。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-图3具体说明本实施方式。本实施方式所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置具体包括NO快速氧化装置1、若干氧化催化剂负载装置2、气体混合器3、选择性催化反应器4、减压器9、低温热解N2O装置10和若干低温热解催化剂承载装置11，所述NO快速氧化装置1、气体混合器3、选择性催化反应器4、减压器9和低温热解N2O装置10依次连接，NO快速氧化装置1和低温热解N2O装置10均采用螺旋组合式结构，所述螺旋结构若干螺线管组成，通过螺线管的螺旋结构，有效增加了气体流程，并减小了装置体积；NO快速氧化装置1内部螺旋管道通过氧化催化剂负载装置2连接，氧化催化剂负载装置2内部放置NO氧化催化剂12，所述低温热解N2O装置10内部螺旋管道通过低温热解催化剂负载装置11连接，所述低温热解催化剂负载装置11内放置低温热解N2O催化剂14。
所述选择性催化反应器4内设置有抽拉式催化剂承载器5，抽拉式催化剂承载器5安装在选择性催化反应器4的中段。所述抽拉式催化剂承载器5内部设置有若干网格，网格内装有SCR反应催化剂7，若干网格形成蛇形通道，尾气在蛇形通道内流动与网格内的SCR反应催化剂7接触并发生反应；网格固定催化剂的同时还可以增大气体与催化剂接触面积，降低气体由于压力和流速为催化剂带来的压力，同时降低催化剂表面应力集中，有效强化催化效果并提高了催化剂的寿命。抽拉式催化剂承载器5上下两端设置有隔热云母拉手8，工作人员通过隔热云母拉手8对抽拉式催化剂承载器5进行安装以及拆卸，实现催化剂的快速更换以及调整；所述SCR反应催化剂7为选择催化还原催化剂，将一氧化氮、二氧化氮和氨气催化为氮气和水。
所述气体混合器3设置在选择性催化反应器4左端与NO快速氧化装置1连接；气体混合器3为选择性催化反应器4的前置体，通过渐扩结构减小气体流速，增大混合气体通过选择性还原组件中的SCR反应催化剂7的时间，使反应高效进行。反应过程中，向气体混合器3中通入氨气与尾气混合。
所述减压器9为渐缩结构，能够根据环境条件改变进入低温热解N2O装置10的流量，从而调整尾气通过催化剂的时间，减少催化剂表面应力。
气体混合器3、选择性催化反应器4和减压器9构成的渐扩平流渐缩结构通过增加扩张式截面从而对一定频率的噪声起到消声作用。
所述氧化催化剂负载装置2包括轴套13和两个铁丝网6，两个铁丝网6设置在轴套13内部，用来装载NO氧化催化剂12；通过轴套13将前后的螺线管连接起来。
所述低温热解催化剂承载装置11包括轴套13和两个铁丝网6，两个铁丝网6设置在轴套13内部，用来装载低温热解N2O催化剂14；通过轴套13将前后的螺线管连接起来。
一种采用上述船舶发动机尾气脱硝装置的处理方法，具体包括如下步骤：
a.船舶尾气通过NO快速氧化装置1，尾气中NO与氧气在NO氧化催化剂12作用下催化氧化为NO2，反应式为：
b.针对不同尾气温度和尾气中O2含量来调整NO氧化催化剂12用量使经过NO快速氧化装置1的气体中NO和NO2体积分数比例为1：1，以满足和NH3进入气体混合器3并在选择性催化反应器4进行快速SCR反应，反应式为：
c.尾气中的N2O进入低温热解N2O装置10，N2O被低温热解N2O催化剂14分解为N2排入大气，反应式为：
所述NO氧化催化剂12为碳基单原子负载的铁基催化剂，铁原子负载MOF材料(金属-有机框架材料)缺位掺杂氮原子Fe-NZ，Z＝1-4，该催化剂可在温度25℃-300℃之间及氧气浓度4％-15％之间对NO达到不同程度的氧化。进一步的可通过不同发动机型号对应尾气温度及氧气浓度进行对NO氧化催化剂12含量的调整，使NO和NO2体积分数接近1:1，这样确保进入选择性催化反应器4的气体与NH3混合后可以发生高效的快速SCR反应。
所述低温热解N2O催化剂14选择稀有轻金属负载过渡金属取代的钴的氧化物Cs-MeXCoK-XOY，催化剂成品中过渡金属铯占1％-2％，过渡金属氧化物中Me为镍或镁，取代范围X为0-0.9，Y为0-4，K为1-3，余量为钴氧化物载体，能够在190℃-250℃低温条件下热解N2O，该催化剂能够在196℃-250℃，2.5vol％O2和3vol％H2O抑制剂存在条件下对N2O转化50％以上。
本发明所述的一种一种船舶发动机尾气脱硝装置的具体工作过程为：
将NO快速氧化装置1放置于尾气通道内，将船舶发动机尾气引入到NO快速氧化装置1中，通过NO快速氧化装置1内部设置的若干氧化催化剂负载装置2并在其内部设置的NO氧化催化剂12作用下将NO催化氧化为NO2，并通过控制NO氧化催化剂12的含量使尾气中NO和NO2体积分数为1:1，以保证船舶尾气在选择性催化反应器4中与NH3混合发生快速SCR反应；所述NH3在NO快速氧化装置1与气体混合器3之间加入到尾气中，与尾气在气体混合器3中混合后进入到选择性催化反应器4中，在SCR反应催化剂7作用下进行快速SCR反应；反应后，尾气中剩余的N2O进入到低温热解N2O装置10中，在若干低温热解催化剂承载装置11内部装载的低温热解N2O催化剂14作用下进行分解。
总结上述实施案例，本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法，NO快速氧化装置1和低温热解N2O装置10采用螺线管结构可以压缩装置横向体积，能够减少后处理装置体积的同时增大尾气处理行程，增加尾气与催化剂接触时间，从而降低对于能源的需求；本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法，通过将可抽拉式催化剂承载器5内部设计成蛇形结构，从而增加气体流程，令尾气和催化剂充分接触并反应，抽拉式设计便于维修的同时还可以对参与反应的催化剂进行快速更换；本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法，相对于以往的N2O处理技术，本发明可以做到低温190℃-250℃范围内热解N2O，符合发动机尾气余温利用范围，无需额外增加能耗；本发明所述的一种船舶发动机尾气脱硝装置及处理方法，相较传统的脱硝装置在船舶尾气中增加氧化装置，使尾气通过选择催化还原装置发生高效的快速SCR反应，最后使尾气中N2O通过低温热解装置分解，相对于以往的脱销装置本发明可做到更加节能高效的低温处理船舶尾气。船舶尾气自船舶发动机出来后依次通过NO氧化装置、SCR反应装置和N2O催化分解装置，最后经船舶尾气出口排向大气。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制发明，还可以是上述实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种船舶发动机尾气脱硝装置，其特征在于：包括NO快速氧化装置(1)、若干氧化催化剂负载装置(2)、气体混合器(3)、选择性催化反应器(4)、减压器(9)、低温热解N2O装置(10)和若干低温热解催化剂承载装置(11)，所述NO快速氧化装置(1)、气体混合器(3)、选择性催化反应器(4)、减压器(9)和低温热解N2O装置(10)依次连接，NO快速氧化装置(1)和低温热解N2O装置(10)均采用螺旋组合式结构；NO快速氧化装置(1)内部螺旋管道通过氧化催化剂负载装置(2)连接，氧化催化剂负载装置(2)内部放置NO氧化催化剂(12)；低温热解N2O装置(10)内部螺旋管道通过低温热解催化剂负载装置(11)连接，所述低温热解催化剂负载装置(11)内放置低温热解N2O催化剂(14)。
2.根据权利要求1所述的船舶发动机尾气脱硝装置，其特征在于：所述选择性催化反应器(4)上设置有抽拉式催化剂承载器(5)，抽拉式催化剂承载器(5)内部设置有若干网格，网格内装有SCR反应催化剂(7)，若干网格形成蛇形通道。
3.根据权利要求2所述的船舶发动机尾气脱硝装置，其特征在于：所述抽拉式催化剂承载器(5)上下两端设置有隔热云母拉手(8)。
4.根据权利要求1所述的船舶发动机尾气脱硝装置，其特征在于：所述气体混合器(3)中通入氨气与尾气混合，气体混合器(3)为渐扩结构减小气体流速，延长混合气体进行SCR反应的时间。
5.根据权利要求1所述的船舶发动机尾气脱硝装置，其特征在于：所述减压器(9)为渐缩结构，能够根据环境条件改变进入低温热解N2O装置(10)的流量，从而调整尾气通过催化剂的时间，减少催化剂表面应力。
6.根据权利要求1所述的船舶发动机尾气脱硝装置，其特征在于：所述氧化催化剂负载装置(2)包括轴套(13)和两个铁丝网(6)，两个铁丝网(6)设置在轴套(13)内部，用来装载NO氧化催化剂(12)；通过轴套(13)将前后的螺线管连接起来。
7.根据权利要求1所述的船舶发动机尾气脱硝装置，其特征在于：所述低温热解催化剂承载装置(11)包括轴套(13)和两个铁丝网(6)，两个铁丝网(6)设置在轴套(13)内部，用来装载低温热解N2O催化剂(14)；通过轴套(13)将前后的螺线管连接起来。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述的船舶发动机尾气脱硝装置的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
a.船舶尾气通过NO快速氧化装置(1)，尾气中NO与氧气在NO氧化催化剂(12)作用下催化氧化为NO2；
b.针对不同尾气温度和尾气中O2含量来调整NO氧化催化剂(12)用量使经过NO快速氧化装置1的气体中NO和NO2体积分数比例为1：1，以满足和NH3进入气体混合器(3)并在选择性催化反应器(4)进行快速SCR反应；
c.尾气中的N2O进入低温热解N2O装置(10)，N2O被低温热解N2O催化剂(14)分解为N2排入大气。
9.根据权利要求8所述的船舶发动机尾气脱硝装置，其特征在于：所述NO氧化催化剂(12)为碳基单原子负载的铁基催化剂，铁原子负载MOF材料缺位掺杂氮原子Fe-NZ，Z＝1-4，该催化剂在温度25℃-300℃之间及氧气浓度4％-15％之间对NO达到不同程度的氧化，通过不同发动机型号对应尾气温度及氧气浓度进行对催化剂含量的调整，使NO和NO2体积分数为1：1。
10.根据权利要求8所述的船舶发动机尾气脱硝装置，其特征在于：所述低温热解N2O催化剂(14)选择稀有轻金属负载过渡金属取代的钴的氧化物Cs-MeXCoK-XOY，催化剂成品中过渡金属铯占1％-2％，过渡金属氧化物中Me为镍或镁，取代范围X为0-0.9，Y为0-4，K为1-3，余量为氧化钴载体，能够在190℃-250℃低温条件下热解N2O。
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