CN212369821U - 一种模块化船舶发动机废气综合治理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，包括脱硫脱硝模块、药剂及供给模块、药剂加热模块、废水/渣处理模块、系统压力调节模块，海水泵做主管路力装置；脱硫脱硝模块为气动反应洗涤塔，气动反应洗涤塔内压力调节模块为引射风机；气动反应洗涤塔顶部设空化喷淋系统，空化喷淋系统包括空化喷嘴、泵、管道和液体介质，气动反应洗涤塔一侧设引射风机、底部设静电除尘装置，药剂加热模块包括热管式余热回收装置和换热器，药剂及供给模块包括药剂储箱和药剂混合罐；废/水渣处理模块包括水处理装置和反应废渣储罐。本实用新型能实现高效的脱硫、脱硝，除尘、除碳，还能控制安装成本、节约安装空间，模块化设计提高功能部件的通用化率。

Description

一种模块化船舶发动机废气综合治理系统

技术领域

本实用新型涉及一种废气处理技术领域，具体为一种模块化船舶用发动机废气的脱硫，脱硝，脱碳，除尘系统。

背景技术

随着国际航运业及远洋船舶运输的发展，船舶所产生的废气排放已成为沿海地区尤其是港口大气的主要污染源。船舶动力装置所使用的燃料为高粘度、高含硫量、高残碳的重油，其所产生的气态排放物中， SOx占有很大比重，很容易与空气中的水结合，形成酸雨、酸雾和化学烟雾等，是造成大气污染的主要酸性气体之一，对地球的生态环境和人类的身体健康等造成巨大的危害。

目前,国内外正在大力研究用于船舶动力装置排放废气的洗涤系统，以适应未来对船舶燃油硫含量的严格限制。现有船舶废气改造的主要技术有海水法、镁基海水法、钠碱法、干法、CSNOx法。

船舶废气处理技术比较：见表1。

表1现有船舶废气处理技术比较

从市场现实来看，当前主导因素是一次投资成本，因此现在市场上船舶废气处理装置主要应用的是海水法。

由以上对比可以看出现有的船舶废弃处理技术仍然存在不足，需要开发一种新型的、更高效的船舶发动机废气处理系统。

实用新型内容

为解决以上现有问题，本实用新型提供一种模块化船舶发动机废气综合治理系统。本实用新型通过以下技术方案实现。

一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，包括脱硫脱硝模块、药剂及供给模块、药剂加热模块、废水/渣处理模块、系统压力调节模块，另配海水泵做主管路力装置；所述脱硫脱硝模块为气动反应洗涤塔，所述系统压力调节模块包括气动反应洗涤塔内压力调节装置和气动反应洗涤塔背压调节装置，所述气动反应洗涤塔内压力调节装置为引射风机，所述气动反应洗涤塔背压调节装置包括管道连接的锅炉和船用柴油机；

所述气动反应洗涤塔顶部设空化喷淋系统，所述空化喷淋系统包括空化喷嘴、泵、管道和液体介质，所述空化喷嘴固设在所述气动反应洗涤塔顶壁；所述气动反应洗涤塔一侧设置引射风机，部分发动机废气通过所述引射风机直接进入气动反应洗涤塔；

所述气动反应洗涤塔底部固设有静电除尘装置，废气通过所述静电除尘装置进入气动反应喷淋塔进行脱硫，脱硝，除尘，除碳处理；

所述药剂加热模块括通过管路连接的热管式余热回收装置和换热器，所述热管式余热回收装置和换热器之间设有热泵装置；

所述药剂及供给模块包括药剂储箱和药剂混合罐；所述药剂混合罐一端与所述药剂储箱相连，另外一端与所述气动反应洗涤塔相连实现废气的一次脱硫、二次脱硫脱硝处理；所述药剂混合罐还与所述换热器相连；

所述废水/渣处理模块包括水处理装置和反应废渣储罐。

优选的，所述药剂储箱包括药剂储箱Ⅰ和药剂储箱Ⅱ，所述药剂混合罐包括混合罐Ⅰ和混合罐Ⅱ。

优选的，所述混合罐Ⅰ与所述药剂储箱Ⅰ、换热器通过管路连接并和气动反应洗涤塔相连。

优选的，所述混合罐Ⅱ与所述药剂储箱Ⅱ、换热器通过管路连接并和气动反应洗涤塔相连。

优选的，所述海水泵为无脉动柱塞泵。

优选的，所述热泵装置为循环泵。

更优选的，所述气动反应洗涤塔采用复合材料和耐腐蚀钢制成。

本实用新型的有益效果：

本实用新型一种模块化船舶发动机废气综合治理系统中采用空化喷嘴，在同等压力、流量情况下，空化喷嘴的射流喷雾比普通喷嘴喷雾液滴更细小、比表面积显著增大，贯穿距也明显增大，雾化效果更好，这意味着海水脱硫系统在同等能耗情况下有更好的吸收效果，或在同等效果情况下只需要更低的压力和流量，这就起到了节能的效果。更低的流量情况下，一些船型通海阀口径甚至不用加大了，这样就能节省安装的成本。

本实用新型一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，采用引射原理将柴油机排气管的压力降下来，并利用引射气混合气实现喷淋塔前的压力增压。可以从改善柴油机工况得到弥补，总体上还有增益，并且提供加大喷淋吸收塔压进排气压差的可能，这也为设计高效紧凑的吸收塔提供了条件。

本实用新型一种模块化船舶发动机废气综合治理系统采用模块化设计主要是统筹考虑产品制造、运输、装配、升级、维护等需要，通过综合设计控制产品机械及电气接口、部件结构形式、零部件重量等因素，提高功能部件的通用化率，减少运输、装配、维护、升级等的成本。

总之，本实用新型模块化船舶发动机废气综合治理系统可综合实现脱硫、脱硝、除尘、除碳，通过化学反应，将有害物(S,N,C，灰尘)处理并转化为废渣收集，到岸清理即可，实现零排放，实现一个系统治理船舶废气所有问题。

附图说明

图1为本实用新型一种模块化船舶发动机废气综合治理系统的整体结构流程示意图；

图2为本实用新型中空化喷嘴与普通喷嘴喷雾状态示意图；

图3为实用新型中空化喷嘴与普通喷嘴初始时刻的喷雾粒径分布云图；

图4为本实用新型引射风机排气控制原理。

其中：1.海水泵；2.气动反应洗涤塔；3.空化喷嘴；4.引射风机；5.余热回收装置；6.换热器；7.热泵装置；8.药剂储箱；801.药剂储箱Ⅰ；802.药剂储箱Ⅱ； 9.药品混合罐；901.混合罐Ⅰ；902.混合罐Ⅱ；10.水处理装置；11.反应废渣储罐； 12.静电除尘装置；13.柴油机；14.船用锅炉

A为空化喷嘴的喷雾状态示意图；a1、a2、a3分别为空化喷嘴不同时间喷雾粒径分布云图；

B为空化喷嘴的喷雾状态示意图；b1、b2、b3分别为空化喷嘴不同时间喷雾粒径分布云图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作更为详细、完整的说明。

一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，包括脱硫脱硝模块、药剂及供给模块、药剂加热模块、废水/渣处理模块、系统压力调节模块，另配海水泵1做主管路力装置；所述脱硫脱硝模块为气动反应洗涤塔2，所述系统压力调节模块包括气动反应洗涤塔内压力调节装置和气动反应洗涤塔背压调节装置，所述气动反应洗涤塔内压力调节装置为引射风机4，所述气动反应洗涤塔背压调节装置包括管道连接的锅炉和船用柴油机；

所述气动反应洗涤塔顶2部设空化喷淋系统，所述空化喷淋系统包括空化喷嘴3、泵、管道和液体介质，所述空化喷嘴3固设在所述气动反应洗涤塔2顶壁；所述气动反应洗涤塔2一侧设置引射风机4，工作时部分发动机废气通过所述引射风机4直接进入气动反应洗涤塔2；

所述气动反应洗涤塔2底部固设有静电除尘装置12，发动机废气通过所述静电除尘装置12进入气动反应喷淋塔2进行脱硫，脱硝，除尘，除碳处理；

所述药剂加热模块括通过管路连接的热管式余热回收装置5和换热器6，所述热管式余热回收装置5 和换热器6之间设有热泵装置7；

所述药剂及供给模块包括药剂储箱8和药剂混合罐9；所述药剂混合罐9一端与所述药剂储箱8相连，另外一端与所述气动反应洗涤塔2相连实现废气的一次脱硫、二次脱硫脱硝处理；所述药剂混合罐9还与所述换热器6相连；

所述废水/渣处理模块包括水处理装置10和反应废渣储罐11。

进一步的，所述药剂储箱8包括药剂储箱Ⅰ801和药剂储箱Ⅱ802，所述药剂混合罐9包括混合罐Ⅰ 901和混合罐Ⅱ902；所述混合罐Ⅰ901与所述药剂储箱Ⅰ801、换热器6通过管路连接并和气动反应洗涤塔2相连；所述混合罐Ⅱ902与所述药剂储箱Ⅱ802、换热器6通过管路连接并和气动反应洗涤塔2相连。

进一步的，所述海水泵1为无脉动柱塞泵。

进一步的，所述热泵装置7为循环泵。

进一步的，所述气动反应洗涤塔2采用复合材料和耐腐蚀钢制成。

在具体实施中，药剂储箱Ⅰ和药剂储箱Ⅱ为不同钠系碱类药品储箱。

具体实施例1

一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，包括脱硫脱硝模块、药剂及供给模块、药剂加热模块、废水/渣处理模块、系统压力调节模块，另配海水泵1做主管路力装置；脱硫脱硝模块为气动反应洗涤塔2，系统压力调节模块包括气动反应洗涤塔内压力调节模块和气动反应洗涤塔背压调节模块，气动反应洗涤塔内压力调节模块为引射风机4，气动反应洗涤塔背压调节模块包括管道连接的锅炉和船用柴油机。其中海水泵1为无脉动柱塞泵，柱塞泵是所有泵型中效率最高的，泵效率远远超过离心泵。

气动反应洗涤塔2顶部设空化喷淋系统，空化喷淋系统包括空化喷嘴3、泵、管道和液体介质，空化喷嘴3固设在气动反应洗涤塔2的顶壁；气动反应洗涤塔2一侧设置引射风机4，部分发动机废气直接被通过引射风机4进入气动反应洗涤塔2；气动反应洗涤塔2底部固设有静电除尘装置12，废气通过静电除尘装置12进入气动反应喷淋塔进行脱硫处理。更进一步完善的方案，气动反应洗涤塔2采用复合材料和耐腐蚀钢制成。

药剂加热模块包括通过管路连接的热管式余热回收装置5和换热器6，热管式余热回收装置5和换热器6之间设有热泵装置7，热泵装置7为循环泵。

药品处理模块包括药剂储箱8和药剂混合罐9；药剂储箱8包括药剂储箱Ⅰ801和药剂储箱Ⅱ802，药剂混合罐9包括混合罐Ⅰ901和混合罐Ⅱ902；混合罐Ⅰ901通过管路与药剂储箱Ⅰ801、气动反应洗涤塔2和换热器6相连；混合罐Ⅱ902通过管路与所述药剂储箱Ⅱ802、气动反应洗涤塔2和换热器6 相连，最终实现废气的一次脱硫、二次脱硫脱硝。

药剂储箱Ⅰ和药剂储箱Ⅱ为不同钠系碱类药品储箱。

以下内容为对本实施例的进一步说明。

一、在本实施里中气动反应洗涤塔采用高效空化喷淋系统节能技术。

喷淋基本系统由喷嘴、泵、管道和液体介质构成，喷淋系统好坏的核心问题是雾化效果和能耗，但这两个指标基本上就是一对矛盾，即更好的雾化效果需要更高的能耗。我们提供的高效空化喷淋系统节能技术可以比较好的兼顾二者。液体被分裂成众多微小雾滴的过程称为雾化过程，每种雾化方法都对应着不同的雾化喷嘴。目前应用较为广泛的主要有气体添加型雾化、高压型雾化、旋转型雾化、超声波雾化等。虽然这些雾化方法应用广泛，但每种方法都存在一定的不足，在应用于非理想状态时常常会受到众多因素的影响，从而很难从根本上解决喷雾的瓶颈问题。例如气体添加型雾化方法需要大量的辅助气体，能耗较大；高压型雾化方法须额外提供高压源，同样能耗高；超声波雾化方法不能在大流量条件下应用，且须添加超声发生装置等，不适合海水法工况。由此可见当前市场上各家采用海水法脱硫技术由于喷淋部分均采用的是传统的雾化喷嘴，一般只能在流体设计、喷嘴布局上做些改善，不能做到从本源出发的改进，可以挖掘的节能空间已经不大了，各家经济技术指标差异不大。

多年来对射流喷雾研究表明，当来流进入喷嘴时，由于流道截面发生变化，且受高压作用，壁面边界层发生分离使射流在喷嘴出口流道内形成空化区，流经该区域的射流中会出现大量空化泡。空化泡随着射流运动逐渐向喷嘴出口移动，伴随喷嘴出口流道内压力的变化，空化泡的形态也会发生相应变化。该过程中空化泡的塌陷或破碎都会对射流雾化产生重要影响。

图2为空化喷嘴和普通喷嘴在初始时刻的喷雾粒径分布云图。可以看到自激振荡脉冲雾化喷嘴的喷雾状态呈现出蘑菇状而同等条的通喷嘴的喷雾状态表现为“空心的伞状”结构。这是因为由自激振荡脉冲雾化喷嘴喷出的射流一方面受到了由于高速射流进入自由空气中而产生的高速度差作用，另一方面又受到了出口流道处和喷嘴内部流出的空化泡的挤压和溃灭的作用。空化泡溃灭时的扰动会推动射流加速运动，而高速度差产生的扰动波对射流又会起到阻碍作用，同时这种扰动会使射流在法向方向向外翻卷，在空化云的挤压与溃灭、高速度差扰动的共同作用下使自激振荡脉冲雾化喷嘴的喷雾状态出现了“实心的大小蘑菇头”结构，形成的蘑菇形结构也使得射流表面与空气的接触面积大大增加，加强了空气对液体的剪切作用，增强射流的雾化效果。而普通喷嘴喷出的射流由于没有空化的影响，只受到高速射流进入自由空气时的强剪切作用，而强剪切作用只作用在射流表面。

如图3为约一个振荡周期内不同时刻自激振荡脉冲空化雾化喷嘴与普通喷嘴的喷雾粒径分布云图。喷雾进行到5ms时，射流结构发展演变成了形似塔状的结构。这是因为受到空气阻力后射流轴向速度越来越小，从而促使射流颗粒沿径向发展，同时，腔室内部空化的聚集与释放会引起射流液滴的脉冲效应，从而出现形似塔状的结构，增大了射流的雾化锥角。时间为10ms后时，可以看到射流主轴周围开始出现少量的微小雾滴，这是由于射流与周围空气之间的巨大速度差导致射流表面的液滴被空气强剪切力切割为更加细小的雾滴。对比自激振荡脉冲空化雾化喷嘴与普通喷嘴的喷雾粒径分布图，可以看出在同等条件下，自激振荡脉冲空化雾化喷嘴的喷雾锥角、喷雾贯穿距明显大于普通喷嘴。

综上所述，从技术角度解释，在同等压力、流量情况下，空化喷嘴的射流喷雾比普通喷嘴喷雾液滴更细小、比表面积显著增大，贯穿距也明显增大，雾化效果更好，这意味着海水脱硫系统在同等能耗情况下有更好的吸收效果，或在同等效果情况下只需要更低的压力和流量，这就起到了节能的效果。更低的流量情况下，一些船型通海阀口径甚至不用加大了，这样就能节省改装的成本。

二、在本实施里中气动反应洗涤塔2采用引射式反应洗涤塔技术。

船用废气脱硫脱硝系统是串联在船用柴油机排气管道上的，因此传统洗涤塔会增加柴油机排气阻力 (也称为“排气背压”)。从内燃机原理容易理解，排气背压对柴油机综合性能有很大影响，排气背压是柴油机的关键指标，合理的排气背压对柴油机的性能至关重要。排气背压变大导致柴油机燃油消耗率上升，柴油机经济性能恶化，同时柴油机动力性变差，尾气排放质量也会由于缸内燃烧的不充分也加剧恶化。所以控制柴油机排放被压到理想工况是划算的，一则是燃油消耗率下降，节省油费，二则排放降低，减少脱硫脱硝等环保装置负荷压力，降低环保设备运行成本。可是现在市场上各企业采用的脱硫脱硝系统作为一个增加排气阻力的环节，设计上只是考虑到尽量减少阻力，没有采取被压主动管控措施。

既然喷淋吸收塔必然是阻力元件，我们就考虑利用引射原理将柴油机排气管的压力降下来，并利用引射气混合气实现喷淋塔前的压力增压，从而用引射器实现了可以通过P3压力与P2压力不相关，进而可以通过引射器对P1压力调节实现对柴油机排气阻力的调节，同时，喷淋按照一定控制规律随动，保持脱硫系统工况。

这个计数原理尽管需要付出增加引射风机的代价，但这个代价可以从改善柴油机工况得到弥补，总体上还有增益，并且提供加大喷淋吸收塔压进排气压差的可能，这也为设计高效紧凑的吸收塔提供了条件。

三、应用效果分析

全球国际航行船舶79753艘，万吨以上船舶25714艘，全球有AIS船位的月活跃船舶37.89万艘，160m 以上船舶3.06万艘。中国籍国际航行船舶4309艘，万吨以上船舶1345艘，中国船东控制的船舶6103艘，万吨级以上船舶2517艘。中国境内一周活跃船舶12.17万艘，中国籍船舶占79.96％，香港籍1.16％，巴拿马籍1.04％。

按照船龄分布来看，5-14年的船舶约28645艘、占35.92％，0-4年的新船约12848艘、占16.11％。在所有的船型中，干散货船0-4年的船舶占25.04％，普通散货船15年以上的船舶占据59.22％。以2017 年4月1日-30日期间统计，全球月度活跃船舶37.89万艘，其中货船(涵盖普通散货、干散货、集装箱) 11.9万艘、占31.45％，油船1.94万艘、占5.13％，捕捞船7.62万艘、占20.11％，其他各类船舶合计占 43.31％。其中中国籍船舶共计4309艘，万吨级以上船舶有1345艘，占31.21％。在所有中国籍船舶中，干散货船861艘、占19.98％，普通散货598艘、占13.88％，集装箱202艘，占4.69％，油船362艘、占8.4％。

以2017年5月2日至5月8日期间统计,在中国水域内共发现12.17万艘活跃船舶，其中货船6.57 万艘，占53.96％，油轮4968艘，占4.08％，捕捞船1.43万，占11.74％，未知类型的船舶2.83万艘，占 23.25％。

现有船舶废气改造有三种大方案：使用低硫燃油、采用LNG燃料与使用传统的船舶废气处理装置(脱硫塔)，与使用本实用新型模块化船舶用脱硫系统处理船舶废气的比较结果见表2。

表2本实用新型模块化船舶发动机废气综合治理系统处理船舶废气的比较结果

由此可见，从商业理性角度出发，可以预言，绝大多数船东将会采用先进的本实用新型模块化船舶用脱硫系统处理船舶废气综合治理系统来满足排放要求。

显然，所描述的实施例仅是本实用新型的个别实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施，都属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，包括脱硫脱硝模块、药剂及供给模块、药剂加热模块、废水/渣处理模块、系统压力调节模块，另配海水泵做主管路力装置；所述脱硫脱硝模块为气动反应洗涤塔，其特征在于：

所述系统压力调节模块包括气动反应洗涤塔内压力调节装置和气动反应洗涤塔背压调节装置，所述气动反应洗涤塔内压力调节装置为引射风机，所述气动反应洗涤塔背压调节装置包括管道连接的锅炉和船用柴油机；

所述气动反应洗涤塔顶部设空化喷淋系统，所述空化喷淋系统包括空化喷嘴、泵、管道和液体介质，所述空化喷嘴固设在所述气动反应洗涤塔顶壁；所述气动反应洗涤塔一侧设置引射风机，部分发动机废气通过所述引射风机直接进入气动反应洗涤塔；

所述气动反应洗涤塔底部固设有静电除尘装置，废气通过所述静电除尘装置进入气动反应喷淋塔进行脱硫，脱硝，除尘，除碳处理；

所述药剂加热模块包括通过管路连接的热管式余热回收装置和换热器，所述热管式余热回收装置和换热器之间设有热泵装置；

所述药剂及供给模块包括药剂储箱和药剂混合罐；所述药剂混合罐一端与所述药剂储箱相连，另外一端与所述气动反应洗涤塔相连实现废气的一次脱硫、二次脱硫脱硝处理；所述药剂混合罐还与所述换热器相连；

所述废水/渣处理模块包括水处理装置和反应废渣储罐。

2.根据权利要求1所述的一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，其特征在于：所述药剂储箱包括药剂储箱Ⅰ和药剂储箱Ⅱ，所述药剂混合罐包括混合罐Ⅰ和混合罐Ⅱ。

3.根据权利要求2所述的一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，其特征在于：所述混合罐Ⅰ与所述药剂储箱Ⅰ、换热器通过管路连接并和气动反应洗涤塔相连。

4.根据权利要求2所述的一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，其特征在于：所述混合罐Ⅱ与所述药剂储箱Ⅱ、换热器通过管路连接并和气动反应洗涤塔相连。

5.根据权利要求1所述的一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，其特征在于：所述海水泵为无脉动柱塞泵。

6.根据权利要求1所述的一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，其特征在于：所述热泵装置为循环泵。

7.根据权利要求1所述的一种模块化船舶发动机废气综合治理系统，其特征在于：所述气动反应洗涤塔采用复合材料和耐腐蚀钢制成。

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