CN105980032A

CN105980032A - 船舶废气清洁系统

Info

Publication number: CN105980032A
Application number: CN201580004631.3A
Authority: CN
Inventors: 加思·E·詹金斯; 基利·G·桑普森; 大卫·S·杜蒙; 赛义德·米拉德·穆萨维
Original assignee: Ship Waste Gas Solutions Corp
Current assignee: Ship Waste Gas Solutions Corp
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-09-28
Also published as: JP2017504476A; WO2015106355A1; US20160332113A1; CA2936603A1; SG11201605068PA; EP3094400A4; HK1225340A1; EP3094400A1; KR20160128308A; US9914094B2

Abstract

一种船舶废气洗涤设备，包括：具有第一端和第二端的外壳，废气入口，至少一个骤冷器，至少一个预处理器，包括文氏管入口和文氏管出口的至少一个文氏管组件，冲击篮，至少一个除雾器，废气出口，以及接收器。一种用于洗涤船舶废气的过程，包括冷却废气、预处理废气、清洗废气、混合废气以及排除经洗涤的废气。

Description

船舶废气清洁系统

技术领域

本公开内容涉及一种用于从船舶发动机废气中去除诸如二氧化硫和颗粒物之类副产品的船舶废气洗涤设备，以及用于洗涤船舶废气以便去除所述副产品的过程。

背景技术

商业航运已成为欧洲空气污染的最大来源之一。其结果是，国际海事组织(IMO)已收紧其对于减少硫氧化物(SOx)和颗粒物(PM)的排放要求(例如，参见海洋环境保护委员会第59次会议，2009年7月16日)。减少硫氧化物的一个方法是使用低硫燃料。然而，这种燃料的成本比目前船舶燃料更高并且当以船只所需要的速率被消耗时，对船主引入了显著的成本。幸运的是，IMO规程允许使用替代技术来减少来自传统船舶燃料的SOx排放。

吸收涉及将受污染的流出气体与液体吸收剂接触，从而使得废气中的一种或多种组分被选择性地溶解到相对不挥发的液体中。

洗涤效果涉及亨利定律：在一定体积的液体中溶解的气体的质量与气体的压力成正比：

-P＝Hx

-x为气体在溶液相中的溶解度

-H是亨利常数

-P是在溶液上方的气体的分压。

-在液体中溶解气体通常是放热过程。因此，降低温度通常会增加气体在液体中的溶解度。

当含硫燃料燃烧时形成SO_x气体(尤其是SO₂)。SO₂溶解在水蒸气中形成酸并且与空气中的其它气体和颗粒相互作用以形成硫酸盐和对人和环境有害的其他产品(例如，亚硫酸烟雾和酸雨)。SO₂在水中的溶解度随着水-气混合物的温度降低而急剧上升。

吸收系统被设计成将SO₂从气相转化到液相，这通过在气体和液体之间提供密切接触来实现，这使得气体最佳地扩散到溶液中。在不受理论束缚的情况下，从气体流中去除污染物的机制按照三个步骤来发生：1)将污染气体扩散到液体的表面，2)转化穿过气-液界面，和3)溶解的气体从界面扩散到液体中。

物质从一个相(气体)转化到另一相(液体)需要时间。转化率与相之间的接触表面、转化的阻力、以及针对传质所呈现的驱动力成正比，并且可以由以下公式来表示：

转化率＝(驱动力)×(转化适用区域)/(转化的阻力)

转化率中的任何增加会导致通常更经济的更紧凑传质设备。

驱动力是要被转化的物质的化学势。每一种物质都有化学(或“质量”)势，它驱动物质从一个相到另一个相。值(Y1-Y2)是在气相中的浓度(或驱动力)中的差。值(X1-X2)是在液相中的浓度(或驱动力)中的差。

在系统中所需要的气体传质(即，Y1-Y2)可以通过所需数量的气体质量净转化单元(NTU)来表示。针对系统所需的NTU数量可以被确定如下：

-重油含有3.5％的硫浓度或35000ppm

-当燃料在发动机中燃烧时，35000中的大约1000ppm被转换成SO₂气体(其余的硫未被燃烧，并被附到颗粒上等)

–馈送到废气清洁系统中的硫气体浓度继而为1,000ppm

-因此，Y1＝1,000ppm

-满足MARPOL附则VI规程的所需Y2为大约<＝30ppm

-因此，Y2＝30ppm

–给出Y1-Y2＝1000-30＝970ppm

以对数的形式，我们得到：

Ln(Y1-Y2)＝Ln(Y1)/Ln(Y2)＝Ln(Y1/Y2)＝Ln(1000/30)＝3.50

-值3.50被定义为需要被去除的所需气体传质单元数量(即，从气体转化至液体状态的SO₂气体质量)

-NTU-R＝系统所需的净转化单元＝3.50

因此，NTU-R可以看作是该系统的所需气体传质效率。

当气体从时间“t0”到时间“tn”经过系统时，SO₂气体浓度必须从1000ppm降低至30ppm以下。换句话说，系统应具有3.50NTU的气体传质能力，即Ln(Y1-Y2)＝Ln(Y1)/Ln(Y2)＝Ln(Y1/Y2)＝Ln(1000/30)＝3.50。随着废气穿过清洁反应器系统，SO₂以不同的速率和以不同的效率被吸收；其原因在于要从气体转化至液体的SO₂物质的驱动力(化学势)下降。

在构建具有多个气体清洁区域的气体清洁系统时，可以串联布置这些区域。例如，废气从时间t0到tn经过清洁区域。每个区域都有其自身的清洁能力(即效率)，这由区域的NTU值来测量；区域效率取决于在区域内的SO₂浓度、温度、表面接触面积、接触时间等。所有区域的能力总和必须等于所需的气体传质能力，在这种情况下是针对所有区域的NTU总和＝3.50。

吸附是涉及使气流通过所制备的多孔固体(吸附剂)的表面的传质过程。多孔固体物质的表面通过物理或化学吸附来吸引并保持该气体。换句话说，吸附是两个颗粒或分子的键合。吸附剂可以是提供键合位置的任何固体材料。在气体清洁系统的情况下，颗粒物颗粒提供键合位置。吸附物可以是悬浮中的任何溶解的分子物质或颗粒。在气体清洁系统的情况下，有三种吸附物(即，三种类型的东西被键合到吸附剂)：

1.在气体蒸汽中的SO₂分子被键合到颗粒物(PM)颗粒

2.VOC(挥发性有机化合物)被键合到PM颗粒

3.小的PM颗粒被键合到更大的PM颗粒，形成颗粒簇。

用于降低来自废气中的SOx排放的当前技术包括使用氢氧化钠溶液的湿式洗涤器。然而，采用这些技术的设备大而笨重，并且无法容易地安置在船上的有限范围中。限制湿式洗涤器在船上使用的其他因素包括重量和电力的限制。

美国专利7,018,451公开了一种使用溶剂或试剂并气体与溶剂或试剂的湍流混合通过吸附从气体混合物中除去酸性气体和酸性气体成分的方法。

美国专利7,273,513公开了一种同时从气流中吸收选定的酸性气体成分和闪蒸出在包括溶剂或试剂的液体流中夹带的烃的方法，其中所述试剂是胺。

美国专利8,524,180公开了一种从使用水或在废气压力中具有最小压降的碱或盐的水溶液从柴油机废气中除去颗粒物的方法。

美国申请公开2013/0213231公开了使用气旋作用和风扇来增加通过双管装置的废气速度来洗涤废气的方法和双管装置。使用包含碱性水溶液的液体来实现废气洗涤。

因此，对于高效、紧凑、简单设计的湿废气洗涤器——尤其是满足这些技术要求同时足够紧凑例如可以在船舶上使用的洗涤器——仍然存在长期需要。

发明内容

本公开内容的船舶废气洗涤设备是系统，优选的是被设计用于减少二氧化硫的闭环系统，优选地在燃烧的残余燃料油高达3.5％的硫含量时减少至少约98％的二氧化硫。

在一个方面中，提供一种船舶废气洗涤设备，包括：

a)具有第一端和第二端的外壳；

b)靠近所述第一端的废气入口，用于接受含有二氧化硫和颗粒物的高温废气；

c)靠近所述废气入口的至少一个骤冷器，用于用至少一种骤冷液体冷却所述高温废气以得到冷却的废气；

d)至少一个预处理器，用于用至少一种预处理液体预处理所述冷却的废气以得到经预处理的废气；

e)至少一个文氏管组件，在一个实施例中为同心文氏管组件，其包括文氏管入口和文氏管出口，所述文氏管入口用于接受所述经预处理的废气，所述文氏管出口用于用至少一种清洗液体清洗所述经预处理的废气以得到含有所述至少一种清洗液体的多个液滴的清洗过的废气并将所述清洗过的废气传送至所述文氏管出口；优选地，所述至少一种清洗液体经由至少一个清洗喷嘴而被引入。在另一个实施例中，所述设备包括至少两个或更多文氏管组件。在一个实施例中，所述至少两个或更多文氏管组件的每一个是相似的尺寸和配置。在另一个实施例中，所述至少两个或更多文氏管组件的每一个具有不同的尺寸。在另一个实施例中，所述至少两个或更多文氏管组件的每一个具有不同配置。在优选实施例中，所述至少两个或更多文氏管组件是并联的。优选地是半圈曲线以平衡所述至少两个或更多文氏管组件之间的流；

f)靠近所述文氏管出口的冲击篮，用于提供所述清洗后的废气与所述至少一种清洗液体的额外的混合；

g)至少一个除雾器，用于从所述清洗后的废气中除去所述多种清洗液体液滴以形成大体上已除雾的废气；

h)靠近所述第二端处的废气出口，用于排出所述大体上已除雾的废气；及

i)接收器，用于接收所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体。

在一个实施例中，所述至少一个骤冷器包括至少一个骤冷喷嘴，优选地是多个骤冷喷嘴，用于射出所述至少一种骤冷液体。在一个实施例中，所述至少一个骤冷器优选地包括从四到八个骤冷喷嘴，最优选地是六个骤冷喷嘴。

在另一个实施例中，所述至少一个预处理器包括至少一个预处理喷嘴，优选地多个预处理喷嘴，用于射出所述至少一种预处理液体。在一个实施例中，预处理器优选地包括从20到30个预处理喷嘴，最优选地是24个预处理喷嘴。在另一个实施例中，预处理器优选地包括至少一个低流速预处理喷嘴，优选地是双液体预处理喷嘴，更优选地是多个双液体预处理喷嘴，优选地在6至10之间数目的双液体预处理喷嘴，最优选地是8个双液体预处理喷嘴。优选地，所述双液体预处理喷嘴允许至少一种可压缩液体，优选地至少一种气体与所述至少一种预处理液体混合，优选地用于雾化所述至少一种预处理液体以产生细喷雾。优选地，所述低流速是小于每分钟1升，更优选地每分钟约1-10升，这取决于进入系统的废气流速。在另一个实施例中，所述至少一个预处理喷嘴成角度，使得预处理液体以旋转流向上排出，以产生向上的涡流。优选地，与设备的底部所成角度大于零小于90度，优选地为大约10度和大约80度之间，更优选地约45度。旋转流产生/增加吸入和紊流区，由于伯努利原理，将废气向上吸取到该设备，产生较高的周边压力和较低的芯压力，降低了废气背压。

在另一个实施例中，所述至少一个文氏管组件还包括连接所述文氏管入口与所述文氏管出口的会聚-发散通路。

在又一个实施例中，所述至少一个文氏管组件还包括至少一个流动元件，其协助通过所述至少一个文氏管组件的所述废气的旋转流和/或造成一个提高所述至少一种清洗液体和所述废气之间的碰撞概率的湍流混合区。优选地，所述至少一个流动元件靠近所述文氏管入口，更优选地是远离所述文氏管出口。在优选实施例中，所述至少一个流动元件是在所述至少一个文氏管组件的会聚一侧上。优选地，所述至少一个流动元件是叶片。更优选地，所述至少一个流动元件是相对于所述文氏管的会聚侧成角度的叶片，以促进旋转流动和/或湍流混合所述废气和所述清洗液体到所述会聚/发散通路中并通过所述文氏管出口出去。在一个实施例中，所述至少一个流动元件是相对于所述文氏管的会聚侧成角度的多个叶片。优选地，是4至12个叶片，更优选地，是6至10个叶片之间，甚至更优选地，是8个叶片。在一个实施例中，所述叶片彼此均匀间隔开。在另一个实施例中，所述叶片是随机彼此间隔开。在另一个实施例中，所述叶片角度相同。在一个实施例中，所述至少一个流动元件被焊接到所述会聚部分的壁。

优选地，所述至少一个流动元件，更优选至少两个流动元件，以较低的文氏管组件的核心压力产生更均匀的旋转流动，降低了船只发动机上的背压。

优选地，由于在文氏管组件中产生的强制涡流(旋转流)的离心力，所以任何颗粒物可以在此阶段从废气中进行分离。

优选地，废气的旋转增加了在系统中的停留时间，从而提高了清洗液体与废气之间的接触时间。

在另一个实施例中，至少一个除雾器包括用来减少——优选地消除——所述废气中的雾和/或液滴的元件，优选地，包括人字型、网型，、线架、过滤器和/或本领域技术人员已知的任何除雾器中的至少一种。在另一个实施例中，所述设备还包括至少一个除雾器烟尘清洁冲洗喷嘴，用于减少优选地来自所述设备的清洁烟尘。优选地，多个除雾器烟尘清洁冲洗喷嘴用于射出所述至少一种烟尘清洁液体。在一个实施例中，所述至少一个除雾器烟尘清洁冲洗喷嘴优选地包括五到十个喷嘴，最优选地，八个喷嘴。

在另一个实施例中，所述至少一个骤冷喷嘴、所述至少一个预处理喷嘴、所述至少一个除雾器烟尘清洁冲洗喷嘴和所述至少一个清洗喷嘴可从本领域中公知的抗腐蚀和耐热的任何材料构成。优选地，材料是从由铜镍(70/30)，青铜，镍铝青铜，双相不锈钢，合金20，AL6XN，镍基合金(Hastelloy)和GRE等组成的组中选出。

在另一个实施例中，骤冷器和预处理器被组合来冷却和预处理废气以得到已冷却且预处理过的废气。

在另一个实施例中，船舶废气洗涤设备还包括在预处理器和文氏管组件之间的湍流混合区生成器。优选地，湍流混合区生成器包括阀。更优选地，所述阀是从蝶形阀和球阀中选出。最优选地，所述阀是蝶形阀。

在另一个实施例中，所述至少一种骤冷液体，所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体包括相同或不同种类的液体。在优选实施例中，所述至少一种骤冷液体，所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体包括相同种类的液体。优选地，所述至少一种骤冷液体，所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体是碱性的并且包括包含金属氢氧化物的水溶液。所述金属氢氧化物可以从碱金属氢氧化物，碱土金属氢氧化物以及它们的组合中选择，优选地以固体或浓缩水溶液的形式。更优选地，碱金属氢氧化物从包含氢氧化锂，氢氧化钠，氢氧化钾，以及它们的组合的组中选择，碱土金属氢氧化物从包含氢氧化钙，氢氧化镁，以及它们的组合的组中选择。最优选地，金属氢氧化物是氢氧化钠。所述至少一种骤冷液体，所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体可选地进一步包括海水，淡水和它们的组合。在优选实施例中，应在运行期间将需要更多的水，所以海水作为补给水。

在另一个实施例中，所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体、所述至少一种清洗液体具有为约8至约14之间的pH值，优选地介于约10至约14之间，最优选地，约为12。

在另一个实施例中，所述洗涤器设备的外壳和其中所含的元件可以由能够抵抗使用环境中的典型温度的材料构成。在一个实施例中达约800℃，在另一个实施例中，达约300℃，更优选地，达约275℃，最优选地，达约265℃，并且优选地，pH值达约14，最优选地，达约12。

在另一个实施例中，所述至少一个骤冷液体接收器包括多个排水管线，用于捕获射出的、在船舶废气洗涤器中要被重新使用(即，闭环)的骤冷、预处理和清洗液体。在一个实施例中，排水管线从本领域中已知是抗腐蚀和耐热的任何材料构成。优选地，材料是从由铜镍(70/30)，青铜，镍铝青铜，双相不锈钢，合金20，AL6XN，镍基合金和GRE等组成的组中选出。

在另一个方面，船舶废气洗涤设备还包括用于分别地产生、分发、收集、冷却和清洁所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体的生成器、分发器、收集接收器、冷却器和清洁器。

在优选实施例中，船舶废气洗涤设备是闭环系统，以避免任何不希望的液体被排出设备之外并进入环境中。

在一个实施例中，生成器包括金属氢氧化物计量设备，以将新鲜金属氢氧化物添加到所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体。优选地，金属氢氧化物是以水溶液的形式。

在另一个实施例中，分发器包括泵和管道来分发所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体。对于尺寸在3.25MW处的单元，泵可以以每分钟约1500至约2000加仑之间的流速泵出，更优选地，每分钟约1600至约1900加仑，最优选地，每分钟约1800加仑。优选地，泵可以约75至125磅每平方英寸(psi)的压力泵出，更优选地从约85至约100psi，最优选地，约94psi。流速和压力将取决于功率单元大小(MW)而变化。优选地，管道的尺寸可以制成为适应所期望的骤冷、预处理和清洗液体流速。管道可以是能够抵抗如下温度和pH值的材料，温度达约800℃，优选地达约300℃，更优选地达约275℃，最优选地达约265℃，pH值值优选地达约14，最优选地达约12。所述材料从本领域中已知的抗腐蚀和耐热的任何材料中选择。优选地，所述材料是从由铜镍(70/30)，青铜，镍铝青铜，双相不锈钢，合金20，AL6XN，镍基合金和GRE等组成的组中选出。

在一个实施例中，该设备的尺寸是基于通过系统的气体的最大背压和速度。

在另一个实施例中，收集接收机包括保存要被分发到船舶废气洗涤设备的骤冷液体、预处理液体和清洗液体的罐，器皿，容器等。优选地，所述收集装置由与分发器相同的材料构成。

在另一个实施例中，所述冷却器包括用于冷却在与高温废气接触后的骤冷液体、预处理液体和清洗液体的一个或多个热交换器。优选地，冷却器将骤冷液体、预处理液体和清洗液体冷却至约25℃至约45℃的温度，更优选地约30℃至约40℃，最优选地约35℃。在优选实施例中，冷却器使用淡水、海水和它们的混合物中的至少一种来冷却骤冷液体、预处理液体和清洗液体。

在优选实施例中，船舶废气洗涤设备可以代替现有废气消声器同轴地被安装在船舶废气漏斗中。

在另一个方面中，提供了一种用于洗涤船舶废气的过程，包括以下步骤：

a)提供含有二氧化硫和颗粒物的高温废气；

b)使用骤冷液体来冷却所述高温废气以得到冷却的废气；

c)使用预处理液体来预处理所述冷却的废气以得到经预处理的废气；

d)使用至少一个文氏管组件来清洗所述经预处理的废气，优选地为多个文氏管组件，所述至少一个文氏管组件包括文氏管入口和文氏管出口，所述文氏管入口用于接受所述经预处理的废气，所述文氏管出口用于用清洗液体清洗所述经预处理的废气以得到含有多个清洗液体液滴的废气并将所述清洗过的废气传送至所述文氏管出口；优选地，所述至少一个文氏管组件包括会聚发散通路。

e)使用冲击篮来将所述清洗后的废气与所述清洗液体混合；

f)从所述清洗后的废气中除去所述多个清洗液体液滴以形成已除雾废气；

g)排出所述已除雾废气；及

h)捕获所述骤冷液体、所述预处理液体和所述清洗液体。

在另一个实施例中，所述骤冷液体，所述预处理液体和所述清洗液体包括相同或不同种类的液体。在优选实施例中，所述骤冷液体，所述预处理液体和所述清洗液体包括相同种类的液体。优选地，所述骤冷液体，所述预处理液体和所述清洗液体是碱性的并且包括包含金属氢氧化物的水溶液。在一个实施例中，所述金属氢氧化物可以从碱金属氢氧化物，碱土金属氢氧化物以及它们的组合中选择，并且可以是以固体或浓缩水溶液的形式。更优选地，碱金属氢氧化物从包含氢氧化锂，氢氧化钠，氢氧化钾，以及它们的组合的组中选择，碱土金属氢氧化物从包含氢氧化钙，氢氧化镁，以及它们的组合的组中选择。最优选地，碱金属氢氧化物是氢氧化钠。所述骤冷液体，所述预处理液体和所述清洗液体可选地进一步包括海水，淡水和它们的组合中的至少一种。

在一个实施例中，所述骤冷器经由多个骤冷喷嘴射出骤冷液体。所述骤冷器优选地包括四到八个骤冷喷嘴，最优选地是六个骤冷喷嘴。优选地，对于3.25MW功率单元，所述骤冷液体可以以每分钟约15加仑(gpm)至约25gpm的流速被射出，更优选地为约17gpm至约20gpm，最优选地为约18gpm。骤冷液体可以在约40磅每平方英寸(psi)至约80psi的压力下被射出，更优选地约50psi至约70psi，最优选地约60psi。然而，流速和压力将取决于单元的功率输出(MW)而变化。

在另一个实施例中，预处理经由多个预处理喷嘴射出预处理液体。预处理器优选地包括20到30个预处理喷嘴，最优选地，24个预处理喷嘴。对于3.25MW功率单元，优选地，预处理液体可以以约200gpm至约300gpm的流速被射出，更优选地为约225gpm至约275gpm，最优选地约242gpm。预处理液体可以在约40psi到约80psi的压力下被射出，更优选地约50psi至约70psi，最优选地约60psi。

在另一个实施例中，清洗液体可以以约25gpm(在干运行时为0gpm)至约2000gpm的流速被射出，更优选地约1200gpm至约1400gpm和最优选地约1300gpm。清洗液体可以在约40psi至约80psi的压力下被射出，更优选地约50psi至约70psi，最优选地约60psi。再一次，对于不同功率输出的单元，流速和压力将相应地变化。

在另一个实施例中，所述废气入口模块化为所述废气为进入到所述第一端部的入口，优选地，所述模块化废气入口进一步包括在入口点、出口点和至少一个预骤冷区。更优选地，所述模块化废气入口还包括至少一个消音区。优选地所述至少一个预骤冷区靠近所述入口点。优选地所述至少一个预骤冷区类似于所述至少一个骤冷区，优选地流速比所述至少一个骤冷区更低。优选地，所述至少一个消音区消散所述废气能量，减少由所述废气引起的噪声。优选地，所述至少一个消音区包括阻挡声音的至少一个声挡板。所述废气入口的模块化性质可以制备尺寸以适应不同尺寸和配置的船只。

在又一个实施例中，所述洗涤设备还包括靠近所述废气入口的废气入口旋转流动元件，用于靠近所述骤冷区产生所述废气的旋转流，增加了所述流的湍流，提高了对流传热系数和质量扩散，从而提高了骤冷效率。在优选实施例中，所述废气入口旋转流动元件包括分叉的入口，在所述废气进入所述骤冷区之前将所述废气划分成至少两个流。

在优选实施例中，上述洗涤设备的任何一个是闭环，以便在所述设备的任何一个在运行中时减少——优选地防止——所述骤冷、预处理和清洗液体泄漏到环境中并且将之回收。

进一步和其它方面将对本领域技术人员变得显而易见。

附图说明

图1示出了本系统的一个实施例的示意图。

图2示出了本系统的另一个实施例的示意图。

图3，图3A-A和图3B-B示出了具有两个文氏管组件的本系统的一个实施例的示意图。

图4示出了具有旋转液体叶片的文氏管组件的本系统的实施例的示意图。

图5示出了具有分叉的废气入口系统的本系统的实施例的顶视剖面图。

具体实施方式

在一个实施例中，船舶废气洗涤设备代替现有废气消音器被同轴(in-line)安装在船舶废气系统的漏斗中。该系统是由抗氢氧化钠和海水的316L不锈钢制造，并且骤冷、预处理和清洗液体具有12(10毫摩尔/升)或更低的pH值。此pH值水平通常被认为是等同于“肥皂水”并被归类为无害的和非腐蚀性的。该设备优选地被设计使得没有固定持续的海水/骤冷/预处理/清洗液体以便减少和/或防止不锈钢的腐蚀。

参考图1，船舶废气洗涤设备100包含废气入口110，废气出口120，冷却进入的热废气111的骤冷器500，预先处理骤冷的废气112的预处理器600，会聚-发散文氏管300，所述文氏管300具有会聚区301，发散区302，和会聚-发散通路303。会聚区301包含进一步混合经预处理的废气113的清洗器320以及从文氏管中除掉烟尘和固体物质的文氏冲洗310，允许船舶废气洗涤设备100的操作期间形成的气泡的分离和破裂的、用于进一步混合的冲击篮700，从处理过的废气中去除液体液滴的除雾器420和出口空间冲洗410。过量的骤冷、预处理和清洗液体通过排水管200收集。单元还包括除雾器烟尘清洁冲洗喷嘴400。

参考图2，船舶废气洗涤设备100的替代实施例包含废气入口110和废气出口120，骤冷器/预处理器550，蝶形阀130，具有锥形减速器330和含有垫圈320的文氏管300、以及除雾器400。过量的骤冷、预处理和清洗液体和经清洗的固体通过注入到污水池250中的排水管200来收集。

参照图3，图3A-A和图3B-B，船舶废气洗涤设备100被示出具有并列的两个文氏管组件300。图3A-A提供了废气的流路：从废气入口110、上行至设备100的入口侧121进入到两个文氏管组件300至文氏管出口304出来，上行至出口侧122并且至经处理的废气出口120出来。

参考图4，会聚区301被示出具有沿着会聚区301的上部的内壁的旋转流叶片800。流叶片800是成角度的(配置中为螺旋的)以促进废气旋转流入会聚发散通路303中。虽然本文中示出为螺旋叶片，但是旋转流可以是将促进旋转流的沿着会聚区301的内部的任何表面结构。示例包括但不限于：表面珠，表面压模，表面蚀刻，肋及其组合。

参考图5，提供了修改的废气入口110的顶剖视图，以使得废气111在进入洗涤器设备100的入口侧121之前被分成两股，这导致了废气的旋转流以及洗涤器中的湍流区。

排水管

来自本公开内容的船舶废气洗涤设备100的排水管200被设计用于最大泵流量的125％的重力流通过该设备的喷嘴进入收集器中。在最优选的实施例中，该设备具有用于预处理和主处理的两个单独的隔室。每个隔室具有它自己的排水管并且针对喷嘴的最大流量而被设计。

本公开内容的船舶废气洗涤设备还可以操作在“干燥模式”中，其中没有使用骤冷，预处理，清洗，混合或除雾步骤。该设备由在一个实施例中可以抵抗265℃的废气温度的材料制成。当该设备处于完全操作时，该设备还具有低于约150mm(干)和低于约60mm(湿)的一个背压。包括废气管和其他设备的整个单元针对船舶发动机为低于约350mm水柱背压的限制总数。

用于检查和维护的可选接入

可选地包含在本公开内容的船舶废气洗涤设备中的是在该设备一侧中的三个外部检修板以及在废气入口110和废气出口120之间的分隔板中的一个内部检修板。外部检修板中的两个位于除雾器400之上以用于除雾器安装以及接入设备的废气出口端的上部。第三个外部检修板位于该设备的废气出口的下部，以用于接入设备的内部、冲击篮700以及主排水管。

船舶废气洗涤设备的废气入口侧121从废气出口侧122通过在该设备的废气入口侧和废气出口侧之间的垂直分隔板123中的检修板而被接入，以用于接入废气入口弯头，入口排水管和喷嘴头。喷雾喷嘴喷枪也可通过从设备的废气入口侧上的法兰贯穿件移除所述头而接入。在检修板或设备主体中还提供检验点以用于废气流的目视检查以及临时测试或取样。

烟尘清洁

可选地，为了确保设备中的最小烟尘积聚，设备的内壁的润湿部分通过预处理600和主500喷嘴系统连续地清洗。特别而言，还有喷嘴405用作烟尘清洁喷嘴。在文氏管组件300的顶部中、除雾器420的下面(参见400)、以及在除雾器上方的废气出口120(参见410)中还提供了额外的冲洗喷嘴310。这些喷嘴可以根据需要来操作以便清洗来自设备的这些部分的烟尘。

除雾器和废气出口

靠近本公开内容的船舶废气洗涤设备100的废气出口120的是三个通人字型(pass chevron)除雾器420被设计来消除优选直径约为25微米的雾沫。除雾器优选地由316L不锈钢制成，并且在该设备中被安装在废气出口侧122大约中间往上的Z形分隔板420上。除雾器通过该设备的侧部中的检修板而被安装。除雾器被设计为每秒约5米的最大速度和大约65毫米水柱的最大压降。除雾器区域还装有可选的冲洗喷雾系统400，以便清洗来自除雾器叶片的任何烟尘或干燥的氢氧化钠或盐。

当水滴大部分被除雾器420消除时，船舶废气洗涤设备排出的废气通常在从约35℃至约50℃的温度范围处饱和。一些水蒸汽被预期凝结在废气出口室和弯头的内壁上。废气出口和弯头由316L不锈钢制造，以防止在这些区域中的任何腐蚀问题，并且任何凝结水被预期通过除雾器420和除雾器支撑板向下漏入主设备排水管200中。饱和的废气在废气流接触外部空气时形成白烟。

骤冷，预处理和清洗液

在一个实施例中，骤冷，预处理和清洗液体是海水和氢氧化钠水溶液的混合物。氢氧化钠被添加以保持大约pH 8(0.1毫摩尔/升)和大约pH 12(10毫摩尔/升)之间的最大碱度并且具有按重量计约0.04％的最大氢氧化钠浓度。在最大pH值的液体溶液相当于“肥皂水”，将不被认为对人员或设备有害。预期化学反应的副产品不被认为是有害的或腐蚀性的。从船舶废气中清洁的微粒可能含有重金属和油，其应当被认为需要如针对用过的发动机油所进行的标准处理或类似的处理，但是对人员不是极其有害或者对设备组件不是极具腐蚀性。

骤冷，预处理和清洗液体通过海水热交换器来冷却，从而针对喷雾系统的目标约35℃。液体的最大工作温度被限制到约65℃，以便限制蒸发并确保它保持在分发装置管道的复合材料的工作温度范围内。该液体收集来自船舶废气流的二氧化硫、其他气体和颗粒物。二氧化硫由氢氧化钠中和，并且所得的颗粒物和其他固体和盐的沉淀物一起被清洁装置清洁，以确保该液体保持在5％的固体或更低。

该液体被包含在该单元内，因此该单元为闭环。

液体管道，阀门和泵材料

被选择用于船舶废气洗涤设备100的材料通常是基于对浓缩海水抵抗性，以及对于可与氢氧化钠反应的任何材料的额外考虑。用于液体溶液的合适的材料包括铜镍(70/30)，青铜，镍铝青铜，双相不锈钢，合金20，镍合金和玻璃纤维增强环氧树脂(GRE)。针对稀氢氧化钠溶液的合适的材料基于腐蚀数据的手册而被选择，并且包括铜镍(70/30)，青铜，316不锈钢，双相不锈钢，合金20，AL6XN，镍基合金和GRE。针对海水和氢氧化钠溶液的推荐材料主要基于抗海水性并且包括铜镍(70/30)，青铜，镍铝青铜，双相不锈钢，合金20，AL6XN，镍基合金和GRE。由于增加的材料厚度以及因为阀门能够在有必要时为了检查和更换而被移除，所以316不锈钢适用于阀门。

在船舶废气洗涤设备中的骤冷500，预处理600，清洗320和冲洗400喷嘴由于需要能够承受约265℃的干燥模式工作温度所以是金属管道。该金属管道最优选的是超级双相不锈钢(Sandvik^TMSAF2507or Zenon 100^TM)，或者适用于高温海水系统的类似材料。

液体的循环使用本领域中已知的用于泵送腐蚀性和高温液体的泵和泵送系统来实现。

所述液体系统包括以下液体和冲洗喷嘴、喷枪和头：

1)骤冷器：6个喷嘴，以共计18gpm，在60psi，

2)上部预处理：12个喷嘴，以共计242gpm，在60psi

3)下部预处理：12个喷嘴，以共计242gpm，在60psi

4)清洗：单个喷嘴，以1300gpm，在60psi

5)上冲洗：4个喷嘴，以共计13gpm，在25psi

6)除雾器烟尘清洁冲洗：8个喷嘴，以共计25gpm，在25psi

7)可选除雾器冲洗：1个喷嘴，以共计60psi，在5gpm；和

8)废气出口冲洗：4个喷嘴，以共计13gpm，在25psi。

喷嘴是316不锈钢并被旋入喷枪上已焊接的超级双相不锈钢套筒。喷嘴是可移除的和可替换的。

收集罐

骤冷，预处理和清洗液体从本公开内容的船舶废气洗涤设备漏入到液体循环罐(未示出)。罐被用来排出来自该设备的所有液体，以便在设备或局部金属供给管道中没有固定持续的液体。该罐还收集液体并保持足够的液体用于泵吸并提供用于处理液体注入的连接。虽然液体循环罐的容量可能会有所不同，但是本文所描绘的罐具有约3000升(791加仑)的总容量和大约2000升(530加仑)的最大工作容量，足以收集可能从液体循环管道和船舶废气洗涤设备流回罐中的任何水而没有溢出的可能性。

罐的底部向处理系统排水管倾斜。收集罐装有高液位开关，以保证罐没有装得过满以及用于控制补给和液体水以及视线指示的磁式视镜。在一种选择中，罐还具有到船只船底废物罐的集成溢流，以防止万一罐溢流事件时脏液体涌出至甲板上。

该罐由钢制成并且所有法兰直径小于10英寸且由超级双相不锈钢制成。罐的内部涂覆有耐海水和氢氧化钠的环氧涂料。

液体从船舶废气洗涤设备通过重力流到位于低于罐的最小工作水平至少150毫米的排水管头中，以防止废气进入循环罐或者防止从预处理横跨至该设备的主处理室。

液体由循环泵抽吸头(通过热交换器)从罐中抽出。在循环罐中的液体的最大工作温度被限制在65℃，以确保它保持在循环系统管道的复合材料的工作温度范围内。在一个实施例中，罐被排放到大气中。

骤冷，预处理和清洗液性质

通过从液体发生器注入更浓缩的氢氧化钠而将用于洗涤船舶废气的液体保持在所期望的pH值。这包括液体混合和存储罐，管道和液体泵。

在另一个实施例中，骤冷、预处理和清洗液体是被添加到液体混合和存储罐中的新鲜水和干浓缩氢氧化钠丸粒或将液体浓缩氢氧化钠的混合物。氢氧化钠被添加以保持pH值约为12(1000毫摩尔/升)的碱度，并且具有按重量计约10％的最大氢氧化钠浓度。在最大pH值的液体溶液将相当于家庭排水清洁剂，且被认为对人员和设备有害且具腐蚀性。

海水冷却系统

海水冷却系统需要消散从热废气转移到骤冷、预处理和清洗液体的热。优选地，冷却后的液体温度约为35℃。对于3.25MW输出单元，基于废气流速和当前系统的温度以及计算通过液体汽化的热损失，该系统所需的热容量被计算为3,479兆焦/小时。这也已经通过CFD分析而被证实。对于其他尺寸的单位及其他类型的发动机，热率将有所不同。

液体系统的全部流通过位于所述液体循环泵的吸入侧的热交换器——通常是片式热交换器(在其它情况下是管和壳热交换器)而被泵送。并排布置若干热交换器以便满足用标准尺寸的热交换器所要求的流速，并且在保持最大容量的66％的同时一个热交换器被脱机用于清洗。

骤冷、预处理和清洗液处理系统

骤冷、预处理和清洗液处理系统处理收集在液体循环罐中的载有颗粒的溶液(pH 12，10毫摩尔/升或更小)，以便允许废气清洁中的水的再循环。液体处理系统通过在循环罐中的液体达到5％或更大的固体含量时被触发。含5％固体的液体从循环罐中被泵送到澄清器，其中，颗粒物被沉淀，清洁的水被溢回到罐中用于再循环。

控制和监控

船舶废气洗涤设备由主控制系统控制。该控制系统用冗余故障安全和直观人机界面来编程。例如，在船舶废气洗涤设备和液体处理系统中使用的ABB PLC^TM被认为是主要的控制系统组件，并且由DNV对此使用进行认证。在一个实施例中，用于控制、监控和记录系统的仪器和传感器包括：

–废气分析仪(SO_x和CO₂)

-液体循环罐压力

-液体头流

-液体头温度

-液体回流温度

-液体头压力

-液体泵压力

-海水泵压力

-船舶废气洗涤器废气入口压力(出口是在大气压力下)

-船舶废气洗涤器废气入口温度

-船舶废气洗涤器废气出口温度

-循环罐pH值

-处理液体pH值

-液位(低，高&高-高)

-处理液混合及存储罐液位(低&高)

-处理液溢出盘泄漏检测-液体

-循环罐溢出检测-船舶废气

-洗涤器污水池溢出检测

-液体循环罐液位视镜(磁性)

-处理液罐液位视镜(磁性)

在操作中，来自船舶发动机的废气通过废气入口110进入船舶废气洗涤设备100。骤冷器500射出骤冷液体来冷却废气。将冷却的废气行进通过预处理器600，预处理器600射出预处理液体以进一步冷却废气并与废气发生反应。经预处理的废气行进到会聚-发散文氏管300中并通过文氏清洗器320以继续将清洗液体与废气混合。文氏管冲洗310润湿文氏管300的表面以去除形成的烟尘或固体材料。清洗后的废气行进通过冲击篮700进一步去除并收集所形成的固体。废气穿过除雾器420以从废气流中除去清洗/预处理/骤冷液体的液滴。在最终穿过废气冲洗410后，处理过的且已除雾的废气通过废气出口120离开船舶废气洗涤设备。

在替代实施例的操作中，来自船舶发动机的废气通过废气入口110进入船舶废气洗涤设备100。骤冷器/预处理器550冷却并预处理废气，然后蝶形阀130引起废气与骤冷/预处理液体的进一步混合。经预处理的废气行进到会聚发散文氏管300中并通过文氏清洗器320继续将废气与清洗液体混合。清洗后的废气行进通过污水池250进一步去除和收集所形成的固体，并收集多余的骤冷、预处理和清洗液体。废气穿过除雾器420以从废气流中除去清洗/预处理/骤冷液体的液滴。处理过的且已除雾的废气通过废气出口120离开船舶废气洗涤设备。

示例

示例1

使用固定到600千瓦柴油发动机的本公开内容的船舶废气洗涤设备进行三个洗涤性能测试。在试验1中，洗涤设备已经以100％发动机负荷运行了108分钟，发动机速度为1750-1800RPM。在此期间，骤冷器和文氏管处于运行中，并且骤冷器和文氏管之间的蝶形阀(以创建一个湍流混合区)处于完全打开(0°)或者部分闭合(22°或45°)的位置。在试验2中，洗涤设备已经以100％发动机负荷运行了在35分钟，发动机速度为1800RPM。在14分钟后，将蝶形阀关闭到22度，在20分钟后，骤冷器被激活。在试验3中，洗涤设备已经以100％发动机负荷运行了108分钟，发动机速度为1800RPM。在13分钟后，文氏管被激活；在18分钟后骤冷器被激活；在49分钟后，文氏管被去激活；在58分钟后，蝶形阀被关闭到22°；在62分钟后，蝶形阀被关闭到45°；在101分钟后，氢氧化钠溶液被提供给骤冷器。在船舶发动机废气的洗涤之前和之后进行SO_x，CO₂和颗粒物测量。

该设备表明对发动机废气流的平均99％SO₂的洗涤：废气流中的SO₂含量从1000ppm的SO₂气体减少到0-10ppm，这相当于将燃烧1.5％至3.5％的负载硫燃料所产生的SO₂洗涤至0.1％IMO硫规程限制。此外，系统一贯地捕获质量80-90％的PM(颗粒物)。

下表包含来自洗涤性能测试的数据：

示例2

在另一系列试验中，SO₂降低的效果作为文氏管流的函数而被评估。在使用以1600RPM的发动机速度满负荷运行的柴油发动机的第一个测试(试验B)中，废气流的SO₂浓度在废气歧管和文氏管出口处被测量。经过一段17分钟的时段，文氏管流率从每分钟180加仑(gpm)降至0gpm。在使用以满负荷运行的柴油发动机的第二测试(试验F)时，废气流的SO₂浓度在废气歧管和文氏管出口处被测量。经过一段9分钟的时段，文氏管流率从180gpm降至0gpm。下面的图演示了下面所绘制的试验B和试验F的结果显示了SO2的移除的系统能力以及它与文氏管流率(gpm)的相关性：

本公开内容的一个实施例导致系统的洗涤效率提高。这是通过将化学洗涤能力加入骤冷器来实现，最后三个骤冷器喷嘴同时直接喷射NaOH至可调节蝶形阀中。这就在同心文氏管组件之前产生了湍流混合区，从而经由同心文氏管组件从气流中进一步去除未被去除的SO₂。

示例3

在本公开内容的船舶废气洗涤设备的实施例的另一试验中，该设备以1750rpm发动机速度在75％发动机负荷情况下运行。骤冷液体从骤冷器中以1.5gmp、在60psi的压力下射出。在设备入口处的SO₂水平被测量处于1000ppm，而在设备出口处被测量处于0ppm，CO水平为301ppm，NO水平为633ppm，以及NO₂水平为2443ppm。

示例4

船舶废气洗涤设备的四个额外的试验被执行。在试验1中，1000rpm的发动机速度，在15％的发动机负荷下并且文氏管处于运转中，入口SO₂水平为1000ppm并且出口SO₂水平为0ppm，CO水平为258ppm，NO水平为366ppm以及NO₂水平为439.2ppm，在试验2中，1200rpm的发动机速度，12％的发动机负荷下并且文氏管处于运转中，入口SO₂水平为1000ppm并且出口SO₂水平为0ppm，CO水平为619ppm，NO水平为273ppm并且NO₂水平为327.6ppm，在试验3中，1400rpm的发动机速度，13％的发动机负荷下并且文氏管处于运转中，入口SO₂水平为1000ppm并且出口SO₂水平为0ppm，CO水平为158ppm，NO水平为228ppm并且NO₂水平为273.6ppm，在试验4中，1599rpm的发动机速度，17％的发动机负荷下并且文氏管处于运转中，入口SO₂水平为1000ppm并且出口SO₂水平为0ppm，CO水平为148ppm，NO水平为211ppm并且NO₂水平为253.2ppm。

由于不脱离本发明范围的情况下可以对优选实施例作出许多改变，因此本文中所包含的所有内容都意欲被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims

1.一种船舶废气洗涤设备，包括：

a)具有第一端和第二端的外壳；

e)至少一个文氏管组件，包括文氏管入口和文氏管出口，所述文氏管入口用于接受所述经预处理的废气，所述文氏管出口用于用至少一种清洗液体清洗所述经预处理的废气以得到含有多个清洗液体液滴的清洗过的废气并将所述清洗过的废气传送至所述文氏管出口；

f)靠近文氏管出口的冲击篮，用于提供所述清洗后的废气与所述清洗液体的额外的混合；

g)至少一个除雾器，用于从所述清洗后的废气中除去所述多个清洗液体液滴以形成已除雾废气；

h)在所述第二端处的废气出口，用于排出所述已除雾废气；及

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体是碱性的。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体包括：从包含氢氧化锂，氢氧化钠，氢氧化钾的组中选择的水性碱金属氢氧化物溶液，从包含氢氧化钙，氢氧化镁的组中选择的水性碱土金属氢氧化物溶液，以及它们的组合。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个文氏管组件是同心文氏管，还包括连接所述文氏管入口与所述文氏管出口的会聚-发散通路。

5.如权利要求3所述的设备，其中，所述碱金属氢氧化物是氢氧化钠。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体、所述至少一种清洗液体的pH值为约8至约12。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述外壳，所述至少一个骤冷器，所述至少一个预处理器，所述至少一个文氏管，所述冲击篮和所述至少一个除雾器由耐热温度至约300℃的材料构造。

8.如权利要求1所述的设备，还包括生成器，用于产生所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体。

9.如权利要求1所述的设备，还包括分发器，用于分发所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体。

10.如权利要求1所述的设备，还包括收集接收机，用于接收所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体。

11.如权利要求1所述的设备，还包括冷却器，用于冷却所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体。

12.如权利要求1所述的设备，还包括清洁器，用于清洁所述至少一种骤冷液体、所述至少一种预处理液体和所述至少一种清洗液体。

13.一种用于洗涤船舶废气的过程，包括：

a)提供含有二氧化硫和颗粒物的高温废气；

b)使用骤冷液体来冷却所述高温废气以得到冷却的废气；

d)使用至少一个文氏管组件来清洗所述经预处理的废气，所述文氏管组件包括文氏管入口和文氏管出口，所述文氏管入口用于接受所述经预处理的废气，所述文氏管出口用于用清洗液体清洗所述经预处理的废气以得到含有多个清洗液体液滴的清洗过的废气并将所述清洗过的废气传送至所述文氏管出口；

e)使用冲击篮来将所述清洗后的废气与所述清洗液体混合；

g)排出所述已除雾废气；及

h)捕获所述骤冷液体、所述预处理液体和所述清洗液体。

14.如权利要求13所述的过程，其中，所述骤冷液体、所述预处理液体和所述清洗液体是碱性的。

15.如权利要求14所述的过程，其中，所述骤冷液体、所述预处理液体和所述清洗液体包括：从包含氢氧化锂，氢氧化钠，氢氧化钾的组中选择的水性碱金属氢氧化物溶液，从氢氧化钙，氢氧化镁的组中选择的水性碱土金属氢氧化物溶液，以及它们的组合。

16.如权利要求15所述的过程，其中，所述碱金属氢氧化物是氢氧化钠。

17.如权利要求13所述的过程，其中，所述骤冷液体、所述预处理液体、所述清洗液体的pH值为约8至约12。

18.如权利要求13所述的过程，还包括用于产生所述骤冷液体、所述预处理液体和所述清洗液体的过程。

19.如权利要求13所述的过程，还包括用于分发所述骤冷液体、所述预处理液体和所述清洗液体的过程。

20.如权利要求13所述的过程，还包括用于接收所述骤冷液体、所述预处理液体和所述清洗液体的过程。

21.如权利要求13所述的过程，还包括用于冷却所述骤冷液体、所述预处理液体和所述清洗液体的过程。

22.如权利要求13所述的过程，还包括用于清洁所述骤冷液体、所述预处理液体和所述清洗液体的过程。

23.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备是闭环。

24.如权利要求13所述的过程，其中所述过程是闭环。