CN105289241A - 一种船舶柴油机联合脱硫脱硝装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶柴油机联合脱硫脱硝装置及方法。柴油机废气分为两路，一路进入脱硝通路A，经再循环至气缸参与燃烧，降低发动机NOx排放；另一路进入脱硫通路B，经脱硫处理后，排放至环境大气。在脱硝通路A中，废气流经单向截止阀、文丘里洗涤器、冷却器、清洗器和鼓风机等部件，经预洗涤、冷却、洗涤、增压等处理过程，去除其中的颗粒和SO₂，最后与柴油机进气通路来的新鲜空气混合，进入气缸，参与燃烧；在脱硫通路B中，废气经洗涤塔脱硫脱除颗粒后，排入环境大气。本发明能满足IMO对船舶燃油硫含量和废气中NOx排放的Tier？III要求，同时降低废气对发动机压气机和缸套等的腐蚀和磨损。

Description

一种船舶柴油机联合脱硫脱硝装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种船舶废气污染物排放控制装置，本发明也涉及的是一种船舶废气污染物排放控制方法。具体涉及到为满足国际海事组织(IMO)有关船舶废气污染物排放法规的船舶动力装置废气洗涤脱除SOx和NOx的技术。

背景技术

根据IMOMARPOL73/78公约附则VI要求，在全球区域内，自2020年1月1日起，船舶动力装置燃油含硫量从目前的3.5％低至0.5％；而在硫氧化物排放控制区(SECA)，自2015年1月1日起，船舶燃油硫含量上限值已下降至0.1％；2016年1月1日IMO将在氮氧化物排放控制区(NECA)实施有关NOx排放的TierIII标准。

传统的船舶废气污染物后处理方法技术较成熟，效率较高，但除去的污染物单一，且废气处理设备体积和运行费用均较大，对发动机工作影响大。

联合脱硫脱硝技术是一种协同降低SOx和NOx排放量的技术，即将低硫燃料技术、湿式废气洗涤技术、SCR技术和EGR技术等协同使用，如低硫燃油联合SCR技术、替代燃料联合SCR技术、废气洗涤联合SCR技术以及废气洗涤联合EGR技术等。

其中，SCR技术利用催化还原反应将船舶废气中的NOx转换为N₂和H₂O，该技术对反应温度要求严格，温度过低将影响反应进行；SCR反应装置体积庞大，占用较多的船舶有效空间，运行和维护成本也较高。EGR技术通过增大缸内工质比热和降低柴油机进气氧浓度，能有效降低NOx生成量，其体积、运行维护成本均远小于SCR技术。

为降低燃油成本，湿式废气洗涤脱硫技术在船舶废气排放控制领域获得了很高的认可。湿式废气洗涤技术是在洗涤装置中利用碱性洗涤液中和废气中的SO₂，将硫元素固定在液体中，从而降低废气的SO₂排放。

专利申请号201010540886.0的专利文件中公开了一种名称为“船舶废气的脱硫脱硝方法及处理装置”，采用臭氧、过氧化氢以及氯化钠(中和剂)处理船用柴油发动机产生的废气。虽然中和剂的价格低廉且无毒害，但在废气脱硫脱硝过程中，废气温度较高，中间产物硫酸、硝酸、盐酸等酸性液滴易随废气在管道内流动，腐蚀设备；且臭氧处理过程和中和处理过程生成的N₂O₅和氯气属于易燃易爆的有毒物质，存在较大的安全隐患。

专利申请号201180036380.9的专利文件中公开了一种名称为“发动机废气净化装置”，该装置运行时，先清洗处理发动机全部废气，清洗后的废气一部分导入循环管路经换热器进入压气机。由于洗涤后的废气通常为饱和或过饱和气体，在EGR管路中废气温度降低易产生腐蚀性液滴，进入压气机、气缸后，增加了发动机精密偶合部件表面的腐蚀和磨损。

专利申请号201410059508.9的专利文件中公开了一种名称为“内燃机、废气再循环装置和用于废气再循环的方法”，该方法中，废气再循环从涡轮前开始，废气压力温度均比较高。而方法中所提到的水溶性脱硫反应温度较低，因此再循环的废气在添加脱硫剂前需进行降温处理。一方面，废气质量流量较大，含热量高，对冷却器的冷却效果要求较高；另一方面，此时的循环废气为高温高压气体，含有较多的可用能量，降温过程会增加能量损失，降低发动机的热效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使船舶柴油机废气排放同时满足IMO关于船舶燃油硫含量限制和氮氧化物排放要求，并能够减少再循环废气对压气机和缸套等部件的腐蚀和磨损，同时减少柴油机能量损失的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置。本发明的目的还在于提供一种船舶柴油机联合脱硫脱硝方法。

本发明的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置包括涡轮增压器、单向截止阀、文丘里洗涤器、冷却器、清洗器、鼓风机、三通阀、洗涤塔和洗涤液缓冲箱；船舶柴油机的排气管与涡轮增压器中涡轮相连，涡轮出口连通单向截止阀和三通阀的入口，文丘里洗涤器连通单向截止阀和冷却器，冷却器出口和清洗器入口通过管路相连，清洗器出口连通鼓风机，鼓风机出口直接连接涡轮增压器中的压气机入口，单向截止阀、文丘里洗涤器、冷却器、清洗器和鼓风机构成柴油机废气脱硝通路A；三通阀的两个出口连通洗涤塔入口和洗涤塔出口管路，构成柴油机废气脱硫通路B；文丘里洗涤器、清洗器、洗涤塔分别与洗涤液缓冲箱相连。

本发明的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置还可以包括：

1、在洗涤塔与洗涤液缓冲箱相连的管路上设置第一NaOH溶液补给点。

2、在文丘里洗涤器和洗涤液缓冲箱相连的管路上设置第二NaOH溶液补给点。

3、在清洗器与洗涤液缓冲箱相连的管路上设置第三NaOH溶液补给点。

4、所述的洗涤液缓冲箱与废水处理模块相连，当洗涤液洗涤能力不足时，洗涤液缓冲箱排出洗涤液至废水处理模块。

本发明的船舶柴油机联合脱硫脱硝方法包括如下步骤：

(1)船舶柴油机燃料燃烧后产生的部分废气经过单向截止阀所在的脱硝通路A，经处理后，导入气缸；剩余的废气经过脱硫通路B，经洗涤脱硫后，排入环境大气，流经脱硝通路A和脱硫通路B的废气流量比例由鼓风机控制；

(2)脱硝通路A中的废气，经过单向截止阀后，进入文丘里洗涤器；洗涤液从文丘里洗涤器中喷入，与废气混合，脱除废气中的颗粒；冷却器降低废气温度至氢氧化钠洗涤液脱除SO₂的适宜温度；循环废气在清洗器内除去SO₂和颗粒；清洗器带有除雾装置，除去废气中的雾滴，避免形成酸性液滴；鼓风机通过提高循环废气压力，将废气压入至涡轮增压器；

(3)脱硫通路B中的废气，经三通阀，进入洗涤塔，经塔内洗涤液清洗，脱除废气中的SO₂以及颗粒，然后排放至环境大气中；

(4)当柴油机燃用低硫燃油时，调节三通阀，将洗涤塔旁通；同时清洗器停止运行，启动文丘里洗涤器和冷却器，对脱硝通路A中的再循环废气脱除颗粒和降温，通过废气再循环使发动机的NOx排放满足法规要求；

(5)的洗涤液为氢氧化钠溶液，洗涤塔、文丘里洗涤器和清洗器的洗涤液均来源于洗涤液缓冲箱，并循环流动使用。

本发明提出船舶柴油机联合脱硫脱硝的方法及装置。是一种能够使船舶柴油机废气排放同时满足IMO关于船舶燃油硫含量限制和氮氧化物排放要求，并能够减少再循环废气对压气机和缸套等部件的腐蚀和磨损，同时减少柴油机能量损失的高效废气脱硫脱硝方法及设备。

本发明提出的船舶柴油机联合脱硫脱硝的方法与现有技术相比优势在于：

(1)本联合脱硫脱硝***以氢氧化钠作为洗涤剂，能高效脱除循环废气的SO₂。

(2)废气在涡轮后开始循环，废气本身的能量已被最大程度的利用，保证了柴油机的有效功率；柴油机涡轮后的废气压力及温度均较小，降低了再循环管路的设计难度。

(3)柴油机废气经过文丘里洗涤器和清洗器处理，彻底清除了废气中的颗粒，减少了废气对压气机和缸套的腐蚀和磨损，延长了压气机和缸套的使用寿命。

(4)循环的废气经洗涤后，增加了废气中水蒸气含量，有效提高了发动机进口混合空气的比热，有利于降低缸内NOx的生成和排放。

(5)本联合脱硫脱硝装置在清洗器内设置除雾器，除去废气中夹杂的水滴，有效避免了水滴对油膜的破坏。

(6)为了保证船舶柴油机的安全，管路中设置单向截止阀和三通阀，确保联合脱硫脱硝***出现故障/或维护时，不影响船舶柴油机正常工作。

附图说明

图1为本发明的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置的结构示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的船舶柴油机联合脱硫脱硝的装置包括涡轮增压器2、单向截止阀3、文丘里洗涤器4、冷却器5、清洗器6、鼓风机7、三通阀8、洗涤塔9和洗涤液缓冲箱10；柴油机1排气管与涡轮增压器中涡轮相连，涡轮出口连通单向截止阀和三通阀，文丘里洗涤器连通单向截止阀和冷却器，冷却器出口和清洗器入口通过管路相连，清洗器出口连通鼓风机，鼓风机出口直接连接涡轮增压器中的压气机入口，单向截止阀、文丘里洗涤器、冷却器、清洗器和鼓风机构成柴油机废气脱硝通路A；三通阀连通洗涤塔入口和洗涤塔出口管路，构成柴油机废气脱硫通路B。

所述的脱硝通路A中的文丘里洗涤器和洗涤液缓冲箱相连，洗涤液从洗涤液缓冲箱流向文丘里洗涤器，在途中补给新鲜NaOH溶液，在文丘里洗涤器中洗涤废气后的洗涤液，通过管路重新回到洗涤液缓冲箱。

所述的脱硝通路A中的清洗器和洗涤液缓冲箱相连，洗涤液从洗涤液缓冲箱流向清洗器，在途中补给新鲜NaOH溶液，在清洗器中洗涤废气后的洗涤液，通过管路重新回到洗涤液缓冲箱。

所述的脱硫通路B中的洗涤塔和洗涤液缓冲箱相连，洗涤液从洗涤液缓冲箱流向洗涤塔，在途中补给新鲜NaOH溶液，在洗涤塔中洗涤废气后的洗涤液，通过管路重新回到洗涤液缓冲箱。

所述的洗涤液缓冲箱与废水处理模块相连，当洗涤液洗涤能力不足时，洗涤液缓冲箱排出洗涤液至废水处理模块。

为达到联合脱硫脱硝的目的，船舶柴油机排出的废气经以下过程处理：

(1)船舶柴油机燃料燃烧后产生的部分废气经过单向截止阀所在的脱硝通路A，经处理后，导入气缸；剩余的大部分废气经过脱硫通路B，经洗涤脱硫后，排入环境大气，流经脱硝通路A和脱硫通路B的废气流量比例由鼓风机控制。

(2)脱硝通路A中的废气，经过单向截止阀后，进入文丘里洗涤器；洗涤液从文丘里洗涤器中喷入，与废气混合，脱除废气中的颗粒；冷却器降低废气温度至氢氧化钠洗涤液脱除SO₂的适宜温度；循环废气在清洗器内彻底除去SO₂和颗粒；清洗器带有除雾装置，以除去废气中的雾滴，避免形成酸性液滴；鼓风机通过提高循环废气压力，最终将废气压入至压气机(涡轮增压器)。

(3)脱硫通路B中的废气，经三通阀，进入洗涤塔，经塔内洗涤液清洗，脱除废气中的SO₂以及颗粒，然后排放至环境大气中。

(4)当柴油机燃用低硫燃油时，只需考虑NOx排放是否满足IMO排放要求。此时可调节三通阀，将洗涤塔旁通；同时清洗器停止运行，启动文丘里洗涤器和冷却器，对脱硝通路A中的再循环废气脱除颗粒和降温，通过废气再循环使发动机的NOx排放满足法规要求，并降低装置能耗。

(5)为减少设备体积、提高洗涤液脱硫效率和利用率，装置中的洗涤液均为氢氧化钠溶液，洗涤塔、文丘里洗涤器和清洗器的洗涤液均来源于洗涤液缓冲箱，并循环流动使用。

柴油机1的排气管连接到涡轮增压器2的涡轮，涡轮出口管路为二路，一路为脱硝通路A，另一路为脱硫通路B。

所述的脱硝通路A，单向截止阀3连通涡轮出口和文丘里洗涤器4，文丘里洗涤器4连通冷却器5，进而连通清洗器6，清洗器6连接鼓风机7，鼓风机7出口管路与柴油机1新鲜空气入口管路汇合后与涡轮增压器2的压气机相连；脱硝管路A中的文丘里洗涤器4和清洗器6分别与洗涤液缓冲箱10相连，形成洗涤液循环回路，并在各自连通管路上分别设有碱液补给处Ⅱ和Ⅲ。

所述的脱硝通路A，正常情况下，从涡轮出来的废气，经单向截止阀3，进入文丘里洗涤器4，在其中彻底除去大部分颗粒和部分SOx后，进入冷却器5降低温度，然后进入清洗器6，在其中除去废气中的SOx和颗粒，并经除雾除去废气中的水滴后，经鼓风机增压，与柴油机1进气管路中新鲜空气混合后，进入涡轮增压器2中的压气机，经压缩进入气缸，参与燃烧；当脱硝通路A出现故障/或维护时，关闭单向截止阀3，切出脱硝通路A，使废气经脱硫通路B排出，保证柴油机1正常工作。

所述的脱硫通路B，由三通阀8和洗涤塔9构成，三通阀8的三个接口分别与涡轮出口、洗涤塔9入口和洗涤塔9出口管路相连；洗涤塔9与洗涤液缓冲箱10通过管路相连，构成洗涤液循环回路，并在其上布置有碱液补给处Ⅰ。

所述的脱硫通路B，正常情况下，废气经三通阀8进入洗涤塔9入口，在其中经洗涤脱硫脱除颗粒后，从洗涤塔9出口排入环境大气；当洗涤塔出现故障/或维护时，切换三通阀8，从涡轮出来的废气，经三通阀8后，直接旁通到环境大气，保证柴油机1能正常运行。

所述的脱硝通路A的废气量由鼓风机7控制。

所述的船舶柴油机废气联合脱硫脱硝装置，当柴油机燃用低硫燃油时，洗涤塔9停止运行，通过切换三通阀8，将洗涤塔9旁通；同时清洗器6停止运行。

所述的船舶柴油机废气联合脱硫脱硝装置，洗涤塔9、文丘里洗涤器4和清洗器6中的洗涤液均来源于洗涤液缓冲箱10，并循环流动(如虚线所示)；NaOH碱液补给分别在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处进行；洗涤液丧失吸收能力后排至废水处理模块进行处理。

所述的船舶柴油机废气联合脱硫脱硝装置，为保证废气联合处理***不影响船舶柴油机的安全运行，管路中设置了单向截止阀3和三通阀8，当脱硝通路A出现故障/或维护时，关闭单向截止阀3，发动机废气经三通阀8流出；当洗涤塔9出现故障/或维护时，切换三通阀8，使废气旁通排入环境大气。

前述的实施例的描述已被提供用于说明和描述的目的。其不在于要是穷尽的或是来限制本公开。特定实施例的独立的元件或特征通常不被限制于特定的实施例，但是其在可使用处，为可互换的且能够被使用在选定的实施例中，即使其并未详细地显示或描述。其同样也可以多种方式被改变。此类的变化并不被视作脱离本公开，且所有此类的改变将被包括在本公开的范围之内。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种船舶柴油机联合脱硫脱硝装置，包括涡轮增压器、单向截止阀、文丘里洗涤器、冷却器、清洗器、鼓风机、三通阀、洗涤塔和洗涤液缓冲箱；其特征是：船舶柴油机的排气管与涡轮增压器中涡轮相连，涡轮出口连通单向截止阀和三通阀的入口，文丘里洗涤器连通单向截止阀和冷却器，冷却器出口和清洗器入口通过管路相连，清洗器出口连通鼓风机，鼓风机出口直接连接涡轮增压器中的压气机入口，单向截止阀、文丘里洗涤器、冷却器、清洗器和鼓风机构成柴油机废气脱硝通路A；三通阀的两个出口连通洗涤塔入口和洗涤塔出口管路，构成柴油机废气脱硫通路B；文丘里洗涤器、清洗器、洗涤塔分别与洗涤液缓冲箱相连。

2.根据权利要求1所述的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置，其特征是：在洗涤塔与洗涤液缓冲箱相连的管路上设置第一NaOH溶液补给点。

3.根据权利要求1或2所述的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置，其特征是：在文丘里洗涤器和洗涤液缓冲箱相连的管路上设置第二NaOH溶液补给点。

4.根据权利要求1或2所述的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置，其特征是：在清洗器与洗涤液缓冲箱相连的管路上设置第三NaOH溶液补给点。

5.根据权利要求3所述的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置，其特征是：在清洗器与洗涤液缓冲箱相连的管路上设置第三NaOH溶液补给点。

6.根据权利要求1或2所述的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置，其特征是：所述的洗涤液缓冲箱与废水处理模块相连，当洗涤液洗涤能力不足时，洗涤液缓冲箱排出洗涤液至废水处理模块。

7.根据权利要求3所述的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置，其特征是：所述的洗涤液缓冲箱与废水处理模块相连，当洗涤液洗涤能力不足时，洗涤液缓冲箱排出洗涤液至废水处理模块。

8.根据权利要求4所述的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置，其特征是：所述的洗涤液缓冲箱与废水处理模块相连，当洗涤液洗涤能力不足时，洗涤液缓冲箱排出洗涤液至废水处理模块。

9.根据权利要求5所述的船舶柴油机联合脱硫脱硝装置，其特征是：所述的洗涤液缓冲箱与废水处理模块相连，当洗涤液洗涤能力不足时，洗涤液缓冲箱排出洗涤液至废水处理模块。

10.一种船舶柴油机联合脱硫脱硝方法，其特征是包括如下步骤：

(1)船舶柴油机燃料燃烧后产生的部分废气经过单向截止阀所在的脱硝通路A，经处理后，导入气缸；剩余的废气经过脱硫通路B，经洗涤脱硫后，排入环境大气，流经脱硝通路A和脱硫通路B的废气流量比例由鼓风机控制；

(2)脱硝通路A中的废气，经过单向截止阀后，进入文丘里洗涤器；洗涤液从文丘里洗涤器中喷入，与废气混合，脱除废气中的颗粒；冷却器降低废气温度至氢氧化钠洗涤液脱除SO₂的适宜温度；循环废气在清洗器内除去SO₂和颗粒；清洗器带有除雾装置，除去废气中的雾滴，避免形成酸性液滴；鼓风机通过提高循环废气压力，将废气压入至涡轮增压器；

(3)脱硫通路B中的废气，经三通阀，进入洗涤塔，经塔内洗涤液清洗，脱除废气中的SO₂以及颗粒，然后排放至环境大气中；

(4)当柴油机燃用低硫燃油时，调节三通阀，将洗涤塔旁通；同时清洗器停止运行，启动文丘里洗涤器和冷却器，对脱硝通路A中的再循环废气脱除颗粒和降温，通过废气再循环使发动机的NOx排放满足法规要求；

(5)的洗涤液为氢氧化钠溶液，洗涤塔、文丘里洗涤器和清洗器的洗涤液均来源于洗涤液缓冲箱，并循环流动使用。