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CN105854601A - 一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置 - Google Patents

一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置，包括等离子体发生器、供电装置、高压电生成器、干式集尘器、造粒设备、供氨设备，等离子体发生器上设置尾气入口、尾气出口以及氨气入口，船舶柴油机的排气管连接尾气入口，尾气出口连接干式集尘器，干式集尘器分别连接造粒设备和大气，供电装置连接高压电生成器，高压电生成器连接等离子体发生器。本发明采用脱硫脱硝一体化装置减小了占地面积，提高了放电电源效率，降低了能耗。同时，本发明等离子体发生器内部设计采用同轴圆柱体列管式排列方式，提高了等离子体生成面积，增加了尾气与等离子体的作用时间，在提高处理效率的同时对尾气流速及温度也有一定的控制。

Description

一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置
技术领域
本发明涉及的是一种船舶柴油机，具体地说是船舶柴油机的尾气处理装置。
背景技术
重质的燃料油是船用柴油机的普遍燃料，其尾气中主要有害气体成分为NOx(主要为NO)和SOx(主要为SO2)，易引起酸雨和光化学烟雾，危害人体健康及环境。为此，国际海事组织制定了一系列防污染公约，对船舶尾气中有害成分排放进行严格限制。同时，各国也在积极开发船舶尾气处理装置，对尾气中的NOx和SOx进行处理。
当前船舶尾气单一处理方法存在如初期投资大、占地面积大、系统管理复杂、设备易腐蚀、催化剂泄漏以及海域盐度影响等问题。因此，开发适用于船舶尾气脱硫脱硝一体化技术成为近年来研究的热点。在现有脱硫脱硝一体化的方法中，等离子体技术是一种具有研究价值的尾气净化技术。
在申请号为201310472661.X的专利《等离子体一体化脱硫脱硝除尘的方法及装置》中提出了一种能够同时脱硫脱硝除尘的一体化处理方法。该方法利用等离子体法对锅炉烟气中的NO和SO2进行氧化处理，生成HNO3和H2SO4，随后通入氨气生成可回收铵盐。其中等离子体发生器内部电极采用网状交叉结构，由于船用柴油机的尾气成分复杂，还有NOx、SOx及油污等物质，这种结构对于成分复杂的船用柴油机尾气来说，处理效果不佳，会缩短电极使用寿命。等离子体产生空间小，密度相对较低，不够稳定。同时，直通式的等离子体发生器不适合处理流速较快的尾气，这样会使尾气与等离子体作用时间减少，作用不充分。此外，这种结构中产生的等离子体受气压温度影响，不适于船舶的复杂工况。
在申请号为201020551859.9的专利《一种海洋船舶尾气一体化脱硫脱硝的装置》及申请号为201010299518.1的专利《一种用于海洋船舶尾气一体化脱硫脱硝的方法》中提出一种由等离子体发生器，海水洗涤塔为主要设施的脱硫脱硝一体化方法及装置。此方法在尾气进入低温等离子体发生器之前增加了尾气降温装置，增加了能耗，使设备投资增加。根据IMO规定洗涤水处理系统应防止硝酸盐的排放超过清除废气中12％NOx所对应的硝酸盐量或60mg/L，排放洗涤水的PH值不小于6.5。此方法利用海水洗涤塔去除生成的硝酸和硫酸，形成的硝酸盐和硫酸盐直排大海造成污染，排除的洗涤液中含有未彻底去除的硝酸和硫酸使溶液呈酸性也同样造成污染。此外，海水洗涤吸收NOx和SOx的排放受温度限制，对于船舶行驶中的复杂工况难以适应，处理效果受限。
综上所述，针对目前现有的处理船舶尾气的方法存在着各种各样的不足，开发出一种经济有效且适用任何工况下同时处理NOx和SOx等有害物质的方法及装置，是船舶尾气治理技术的重要研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供能够同时处理NOx和SOx的一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置，其特征是：包括等离子体发生器、供电装置、高压电生成器、干式集尘器、造粒设备、供氨设备，等离子体发生器上设置尾气入口、尾气出口以及氨气入口，船舶柴油机的排气管连接尾气入口，尾气出口连接干式集尘器，干式集尘器分别连接造粒设备和大气，供电装置连接高压电生成器，高压电生成器连接等离子体发生器。
本发明还可以包括
1、所述等离子体发生器包括外接电极、介质层、内部高压电极，所述的介质层为中空的U型管状结构，内部高压电极安装在介质层内部，内部高压电极与介质层通过稳定圈固定，外接电极包裹于介质层外壁上，尾气入口设置在介质层的一个端部，尾气出口设置在介质层的另一个端部，氨气入口设置在介质层U型管状结构的转弯处，外接电极和内部高压电极分别连接高压电生成器。
2、所述的等离子体发生器为同轴圆柱体列管式结构，即外接电极和内部高压电极均为与介质层形状一致的U型结构，并且二者与介质层同轴。
本发明的优势在于：
1、本发明采用一种等离子体尾气脱硫脱硝一体化的装置对船舶柴油机尾气直接进行处理。通过介质阻挡放电技术产生大面积等离子体对SO2和NO同时进行处理。本发明所采用等离子体发生技术具有适于化学反应、放电过程易于控制、能量利用率高、可在常压低温环境及其他复杂工况下应用于船舶尾气处理等优点，且对于同时脱硫脱硝处理效果良好。
2、本发明所使用的等离子发生器内部设计与传统设计不同，利用列管式联通排列方式，本专利仅已两列为例进行介绍。这种布局方式提高了等离子体生成面积及生成数量，使等离子体作用烟气中NO和SO2的时间延长，作用面积加大，同时控制了尾气流速。
3、本发明在尾气经过等离子体处理之后，通入氨气，最终生成物为铵盐，可以用作化肥，避免了二次污染，产物氨肥的附加值高，具有明显的经济效益，供氨设备所需消耗能量要小于其他设备如海水洗涤设备所需消耗能量，符合IMO中规定。
4、本发明可以在同时脱除船舶尾气中的NOx和SOx的同时，对尾气中的固体颗粒(如PM)也有一定的处理效果。
5、本发明无需添加尾气降温、加湿等设备，因此投资小、占地面积小。氧化后的硝酸和硫酸处理效果好、工艺流程简单等特点，节省了船舶空间。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为本发明的等离子体发生器结构示意图，图2b为图2a的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～2，本发明利用船舶供电装置提供用于产生等离子体的电能，改变原有等离子体发生器的布局方式，采用同轴圆柱体列管式介质阻挡放电等离子体发生器生成等离子体。介质阻挡放电在常压及较低温度下便可产生大空间高密度的等离子体，适用于船舶航行等复杂工况。同时本发明中等离子体发生器内部电极采用列管式排列方式，增大了放电面积及等离子体产生空间，增加活性基团数量，延长了与尾气作用时间，使尾气中NO和SO2氧化充分。随后通入氨气，与生成的HNO3和H2SO4反应生成可利用铵盐，避免产生尾气处理废物，造成二次污染，达到同时去除船舶柴油机尾气中NOx和SOx的目的。
本发明提供去除船舶尾气中NOx和SOx的技术方案如下：
(1)船舶柴油机所产生的尾气通过等离子体发生器，使得尾气中产生包括高能电子、带电离子、中性粒子和自由基等活性粒子的等离子体。
等离子体发生器的布局方式为同轴圆柱体列管式排列，本专利已两列为例，等离子体发生器结构包括中间的高压电极、介质层、以及外层电极，整体外层包覆绝缘介质层。供电装置提供交流电源，经过高压生成器变压后产生高压电。等离子体发生器高压电极、外界电极与高压生成器相连构成完整等离子发生结构。
(2)等离子体与尾气中O2、H2O分子作用，生成具有强氧化性的H、O、OH、O3活性粒子，尾气中的SO2和NO2在活性粒子的作用下发生氧化反应，生成高价的HNO3和H2SO4。
(3)向等离子体发生器通入氨气，氨气与烟气中高价HNO3和H2SO4反应生成带电铵盐颗粒。
(4)带电铵盐颗粒通过干式集尘器收集，净化后的尾气通过管道排出。
(5)吸附的铵盐颗粒通过造粒设备形成铵盐回收利用。
(1)中的施加电压由供电装置通过高压生成器处理之后使电源电压升高，满足产生等离子的电压需求。
(3)中氨气的通入量为：Q1＝(2C1﹒η1+C2﹒η2)Q2其中Q1和Q2分别为NH3和烟气的通入量，η1和η2分别为SO2脱除效率和NO脱除效率，C1和C2分别表示烟气中SO2和NO的体积浓度。
本发明的化学反应过程如下：
1、烟气脱硫过程
OH+SO2→HSO3
OH+HSO3→H2SO4
O+SO2→SO3
SO3+H2O→H2SO4
2、烟气脱硝过程
OH+NO→HNO2
O+HNO2→HNO3
O+NO→NO2
OH+NO2→HNO3
3、副产物铵盐生成
NH3+HNO3→NH4NO3
NH3+H2SO4→(NH4)2SO4
船舶柴油机尾气中的主要有害气体成分中NO和SO2占主体，所以本发明主要处理烟气中的SO2和NO。
图1为本发明的船舶尾气等离子体脱硫脱硝一体化示意图。船舶动力装置即船舶柴油机1产生废气经由管路由尾气入口9进入到等离子体发生器4中。供电装置2产生等离子体发生器所需要的电能。交流电压经过高压电生成器3产生高电压电流，作用于等离子发生器4内部的高压电极8与外接电极11上，在放电区域16中生成低温等离子体。
低温等离子体在放电区域16中生成后，同柴油机1排放出尾气中O2、H2O分子作用，生成具有强氧化性的H、O、OH、O3等活性粒子，尾气中的NO和SO2同这些活性粒子反应生成HNO3和H2SO4。由氨气供应设备5向等离子体发生器内部输入氨气，氨气由入口10进入等离子体发生器4中，在放电区域16中与HNO3和H2SO4生成NH4NO3和(NH4)2SO4。随后，反应生成物质由尾气出口14排出进入干式集尘器6中。两种铵盐经由干式集尘器6吸收进入造粒设备7生成可回收利用氨肥，处理后尾气随管道排出。
本发明氨气通入量为：Q1＝(2C1﹒η1+C2﹒η2)Q2其中Q1和Q2分别为NH3和烟气的通入量，η1和η2分别为SO2脱除效率和NO脱除效率，C1和C2分别表示烟气中SO2和NO的体积浓度。
船舶柴油机在使用重油时所排放的烟气，主要成为SO2和NO及部分固体颗粒等，通过等离子体发生器，产生的等离子体重含有大量的高能电子，这些高能电子作用于O2和H2O产生大量H、O、OH、O3等氧化性活性粒子。SO2和NO在这些氧化性活性粒子的作用下发生化学反应，生成高价态的硫氧化物和氮氧化物。与此同时，与通入的氨气结合，生成相应铵盐，经过回收装置及造粒设备回收成可二次利用的铵盐，实现船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化的目的。本发明采用脱硫脱硝一体化技术节省了设备投资，减小了占地面积，较少了电源数量，提高的了放电电源效率，降低了能耗。同时，本发明等离子体发生器内部设计采用同轴圆柱体列管式排列方式(已两列式为例)，提高了等离子体生成面积，增加了尾气与等离子体的作用时间，在提高处理效率的同时对尾气流速及温度也有一定的控制。
本发明利用低温等离子体技术对船舶柴油机尾气进行处理。船舶柴油机尾气经过等离子体发生器处理后，尾气中NO和SO2被氧化成高价态HNO3和H2SO4，随后与通入的氨气反应生成相应的可回收铵盐。达到对船舶柴油机尾气中的NO和SO2同时进行处理的目的。
等离子体发生器采用同轴圆柱体介质阻挡放电等离子体发生器。等离子体发生器为列管式排列，提高了等离子体生成面积及生成数量，增加了尾气与等离子体的作用时间，在提高处理效率的同时对尾气流速及温度也有一定的控制。同时，该方法适用于常压、潮湿等复杂工况。
本发明可以在同时脱除船舶尾气中的NOx和SOx的同时，对尾气中的固体颗粒(如PM)也有一定的处理效果。
氨气与经等离子体发生器氧化生成的HNO3和H2SO4反应，经过干式集尘器和造粒设备形成氨肥，可以回收利用，避免了二次污染。
本发明设备投资小、占地面积小、处理效果好、工艺流程简单等特点，节省了船舶空间。

Claims (3)

1.一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置，其特征是：包括等离子体发生器、供电装置、高压电生成器、干式集尘器、造粒设备、供氨设备，等离子体发生器上设置尾气入口、尾气出口以及氨气入口，船舶柴油机的排气管连接尾气入口，尾气出口连接干式集尘器，干式集尘器分别连接造粒设备和大气，供电装置连接高压电生成器，高压电生成器连接等离子体发生器。
2.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置，其特征是：所述等离子体发生器包括外接电极、介质层、内部高压电极，所述的介质层为中空的U型管状结构，内部高压电极安装在介质层内部，内部高压电极与介质层通过稳定圈固定，外接电极包裹于介质层外壁上，尾气入口设置在介质层的一个端部，尾气出口设置在介质层的另一个端部，氨气入口设置在介质层U型管状结构的转弯处，外接电极和内部高压电极分别连接高压电生成器。
3.根据权利要求2所述的一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置，其特征是：所述的等离子体发生器为同轴圆柱体列管式结构，即外接电极和内部高压电极均为与介质层形状一致的U型结构，并且二者与介质层同轴。
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