一种基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统与方法与流程

1.本发明涉及一种基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统与方法，属于船舶废气处理技术领域。


背景技术：

2.随着海运快速发展，全球温室气体排放量也逐渐上升，2018年国际海事组织提出了航运业温室气体减排策略，以2008年温室气体年度总排放量为基础，到2050年温室气体年度总排放量降低50%，并向绿色零碳排放的目标前进。为了实现这个目标，各国都采取了相应的减排措施，我国也制定了碳达峰、碳中和的“双碳”政策。为了实现“双碳”目标，能源是主体，因此，迫切需要我国尽早向低碳和零碳能源转型。氨是一种理想的无碳燃料，并且从单位质量储能来看，氨的能量密度甚至高于电池，接近化石燃料，因此，良好的储能能力以及运输安全特点是氨作为燃料的巨大优势。在“双碳”政策的推动下，氨发动机有望成为船舶的主要动力装置，纯氨发动机虽然避免了co2、so
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等污染物的排放，但是会产生no、no2以及氨逃逸的问题。
3.no
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的治理技术分为燃烧前控制、燃烧中控制和燃烧后控制。燃烧前控制技术主要是对燃料进行脱氮的预处理，其成本较高。燃烧过程中控制主要是通过控制no
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生成的氧气、温度等条件，例如低氧燃烧技术、低温燃烧技术和废气再循环技术等，此种技术最多仅能减少约50%的no
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排放，而目前的燃烧后控制技术，船舶上采用的scr技术脱除氮氧化物的单一污染物脱除技术较为成熟，具有效率高、可靠性好等优点。但是目前制约scr技术发展的最大问题是催化剂的使用，scr系统催化剂需要进行定期的更换和维护，这就增加了使用成本，降低了经济效益；并且纯氨发动机废气中的气体成分发生了变化，由于纯氨发动机会产生氨逃逸问题，废气中会存在一定量的氨气，需要对废气中的氨气进行吸收，防止出现中毒及污染问题。
4.现有船舶纯氨发动机废气处理技术的不足主要体现在三个方面：一是采用选择性非催化还原技术（sncr）来处理no
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时，氨气具有腐蚀性，大量喷入发动机中会产生应力腐蚀，对于发动机工作以及寿命会产生一定的影响；二是采用氨发动机作为动力源时，会产生氨逃逸问题，废气中会有一定量的氨气，需要及时对氨气进行处理；三是采用湿法氧化技术脱除no
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时，会产生大量的硝酸盐，若直接将废液排放入海会对海洋产生污染。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统及方法。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：本发明的目的之一在于提供一种基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统，包括纯氨发动机、微波催化反应装置、洗涤塔、溶液储罐和液氨罐，所述纯氨发动机的废气输出端与所述微波催化反应装置的废气输入端连接，所述微波催化反应装置的废气输出端
与所述洗涤塔的废气输入端连接，所述溶液储罐的溶液输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液输入端连接，所述液氨罐向所述纯氨发动机提供氨源。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下的改进：进一步，还包括换热器，所述微波催化反应装置的废气输出端与所述换热器的废气输入端连接，所述换热器的废气输出端与所述洗涤塔的废气输入端连接。
8.进一步，所述液氨罐的液氨输出端与所述换热器的液氨输入端连接，所述换热器的氨气输出端与所述纯氨发动机的氨气输入端连接。
9.进一步，所述溶液储罐的溶液输出端与所述换热器的液体输入端连接，所述换热器的液体输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液输入端连接。
10.进一步，所述洗涤塔的喷淋管路包括第一喷淋层和第二喷淋层，所述第一喷淋层和第二喷淋层上均设有多个雾化喷嘴，所述雾化喷嘴均成环形排列。
11.所述第一喷淋层和第二喷淋层的雾化喷嘴错开设置。
12.所述雾化喷嘴的倾斜角度为30
°
。
13.本发明的目的之二在于提供一种基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理方法，采用上述基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统处理纯氨发动机的废气。
14.进一步，其主要包括以下步骤：1）纯氨发动机排出的废气经过排气管路进入到微波催化反应装置中，在微波催化反应装置中，废气经过微波照射，温度升高，no被微波电磁场活化，微波催化反应装置负载的催化剂被微波场辐照，快速升温，激发出更多的活性位，加速活性炭还原no生成n2，主要的化学反应为：的化学反应为：的化学反应为：的化学反应为：的化学反应为：的化学反应为：；2）微波催化反应装置中的废气经过排气管路进入到换热器的烟道中，在换热器的烟道中，废气与溶液储罐输送的洗涤液进行换热，降低废气温度，对洗涤液进行活化；3）换热器中的废气经过排气管路进入到洗涤塔中，废气在洗涤塔上升，下层的第一喷淋层给废气降温并吸收氨气，上层的第二喷淋层与废气中未反应完全的no
x
发生氧化反应，生成硝酸盐以及硫酸盐，主要反应方程式为：反应，生成硝酸盐以及硫酸盐，主要反应方程式为：反应，生成硝酸盐以及硫酸盐，主要反应方程式为：反应，生成硝酸盐以及硫酸盐，主要反应方程式为：
净化后的废气经过气水分离后从洗涤塔的排气口排出，其余废液由洗涤塔下部出口排出；4）溶液储罐提供的洗涤液进入到换热器中与纯氨发动机的废气进行换热，实现洗涤液的活化强化，活化后的洗涤液进入洗涤塔的喷淋管路中，与废气进行接触混合；5）液氨罐提供的液氨进入到换热器中与纯氨发动机的废气进行换热，液氨汽化，经过换热汽化之后得到氨气进入纯氨发动机中作为纯氨发动机的燃料进行燃烧。
15.进一步，所述的洗涤液为过硫酸钠溶液。
16.本发明的有益效果在于：本发明能够同时实现脱硝与氨捕集，脱除效率高，大大减小了洗涤液的用量，并且占地面积小，适合在船舶上狭窄空间使用。
17.在微波催化反应装置处理中，利用微波加热，可以提高反应选择性、提高反应物脱除效率，选择性催化还原废气中的no
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为n2，脱硝效率高。
18.本发明利用氨气极易溶于水的特性，利用洗涤液与no
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反应的同时将纯氨发动机废气中逃逸的氨气进行吸收，防止氨气排出，可以实现脱硝与氨捕集一体化脱除。
19.本发明利用废气余热与洗涤液进行换热，可以实现洗涤液的加热活化，产生大量强氧化性自由基，增加了氧化能力，提高其反应活性，增强与no
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的反应过程。
20.本发明利用洗涤塔进一步脱除no
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，脱除no
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后的废液中硝酸盐含量较低，可以选择收集也可以选择直接排放。
附图说明
21.图1为本发明的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统的示意图。
22.附图标记记录如下：1、纯氨发动机；2、微波催化反应装置；3、换热器；4、洗涤塔；5、溶液储罐；6、液氨罐。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
24.参见图1，本实施一种基于微波催化还原的纯氨发动机1废气处理系统，包括纯氨发动机1、微波催化反应装置2、换热器3、洗涤塔4、溶液储罐5和液氨罐6。
25.所述纯氨发动机1的废气输出端与所述微波催化反应装置2的废气输入端连接，所述微波催化反应装置2的废气输出端与所述换热器3的废气输入端连接，所述换热器3的废气输出端与所述洗涤塔4的废气输入端连接。
26.所述液氨罐6的液氨输出端与所述换热器3的液氨输入端连接，所述换热器3的氨气输出端与所述纯氨发动机1的氨气输入端连接。
27.所述溶液储罐5的溶液输出端与所述换热器3的液体输入端连接，所述换热器3的液体输出端与所述洗涤塔4的喷淋管路洗涤液输入端连接。
28.所述洗涤塔4的喷淋管路包括第一喷淋层和第二喷淋层，所述第一喷淋层和第二喷淋层上均设有多个雾化喷嘴，所述雾化喷嘴均成环形排列。所述第一喷淋层和第二喷淋层的雾化喷嘴错开设置。所述雾化喷嘴的倾斜角度为30
°
，保证液体覆盖率为200%，液气比保持在12l/m3。
29.所述洗涤塔4的塔体内交替布置了折流挡板，利用折流挡板形成的局部回流区。洗涤塔4的排气口前布置除雾器，除雾器为波形板式除雾器，采用耐高温、抗腐蚀材料制成。
30.本实施例一种基于微波催化还原的纯氨发动机1废气处理方法，采用如上所述的基于微波催化还原的纯氨发动机1废气处理系统处理纯氨发动机1的废气，主要包括以下步骤：1）纯氨发动机1排出的废气经过排气管路进入到微波催化反应装置2中，在微波催化反应装置2中，废气经过微波照射，温度升高，废气中的no首先吸附在活性炭上，然后经化学吸附在催化剂的活性位上，由于no能够被微波电磁场有效的活化，此外，再经微波催化反应装置2负载的催化剂被微波场辐照，快速升温，激发出更多的活性位，加速活性炭还原no生成n2，提高反应速率；然而，由于微波选择效应，废气中的o2不能再被微波电磁场活化。因此，废气中的no一般不会被氧化成no2；主要的化学反应为：；主要的化学反应为：；主要的化学反应为：；主要的化学反应为：；主要的化学反应为：；主要的化学反应为：；2）微波催化反应装置2中的废气经过排气管路进入到换热器3的烟道中，在换热器3的烟道中，废气与溶液储罐5输送的洗涤液进行换热，降低废气温度，对洗涤液进行活化；3）换热器3中的废气经过排气管路进入到洗涤塔4中，在洗涤塔4中布置两层喷淋层，废气在洗涤塔4上升，下层的第一喷淋层主要起到给废气降温并吸收氨气的作用，废气在洗涤塔4内经过折流挡板时，会在折流挡板的影响下会产生局部回流区，增大废气湍动能，延长与上部的第二喷淋层喷出的洗涤液的接触时间，使废气与洗涤液之间充分接触，上层的第二喷淋层与废气中未反应完全的no
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发生氧化反应，生成硝酸盐以及硫酸盐，主要反应方程式为：应方程式为：应方程式为：应方程式为：应方程式为：应方程式为：
净化后的废气通过洗涤塔4上部的除雾器进行气水分离后从洗涤塔4的排气口排出，其余废液由洗涤塔4下部出口排出；4）溶液储罐5提供的洗涤液为过硫酸钠溶液，过硫酸钠溶液进入到换热器3中与纯氨发动机1的废气进行换热，实现过硫酸钠溶液的活化强化，活化后的过硫酸钠溶液进入洗涤塔4的喷淋管路中，与废气进行接触混合；5）液氨罐6提供的液氨进入到换热器3中与纯氨发动机1的废气进行换热，液氨汽化，经过换热汽化之后得到氨气进入纯氨发动机1中作为纯氨发动机1的燃料进行燃烧。
31.所述微波催化反应装置2中的催化剂组分为吸波性能好且介电性能好的金属及其氧化物或过渡金属及其氧化物，例如fecu/zeolite催化剂、co/hzsm-5和ni/hzsm-5催化剂、mn2o3/ac催化剂。
32.本实施例的基于微波催化还原的纯氨发动机1废气处理系统由纯氨发动机1、微波催化反应装置2、洗涤塔4、换热器3等结构组成，能够脱除纯氨发动机1废气中绝大部分的no
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和nh3。
33.本实施例在微波催化反应装置2中采用微波加热，活性炭还原no，可以提高反应选择性、提高反应物脱除效率、减少反应时间、降低反应温度，并且减小催化剂体积，降低建设及投资成本，节约占地空间。微波催化反应装置2中的催化剂组分为吸波性能好且介电性能好的金属及其氧化物或过渡金属及其氧化物，能够快速升温，降低反应时间。
34.本实施例的洗涤塔4喷淋所用的过硫酸钠溶液从溶液储罐5中先通过换热器3，在换热器3中与纯氨发动机1排出的高温废气进行换热，不仅可以有效降低废气温度，而且可以对过硫酸钠溶液进行活化，降低能耗。
35.本实施例在洗涤塔4内交替布置了折流挡板，利用折流挡板形成的局部回流区，可以增加废气流的湍动能，并且能够延长废气与洗涤液的接触时间，强化二者的酸碱反应过程。
36.本实施例在洗涤塔4内部布置了两层喷淋层，两层喷淋层中交错布置，其中的雾化喷嘴成环形排列，能够提高喷淋覆盖率，扩大与洗涤液的接触面积。
37.本实施例的液氨从液氨罐6中先通过换热器3，在换热器3中与纯氨发动机1排出的废气进行换热，实现液氨汽化，提高废气余热利用率。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统，包括纯氨发动机，其特征在于，还包括微波催化反应装置、洗涤塔、溶液储罐和液氨罐，所述纯氨发动机的废气输出端与所述微波催化反应装置的废气输入端连接，所述微波催化反应装置的废气输出端与所述洗涤塔的废气输入端连接，所述溶液储罐的溶液输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液输入端连接，所述液氨罐向所述纯氨发动机提供氨源。2.根据权利要求1所述的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，还包括换热器，所述微波催化反应装置的废气输出端与所述换热器的废气输入端连接，所述换热器的废气输出端与所述洗涤塔的废气输入端连接。3.根据权利要求2所述的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述液氨罐的液氨输出端与所述换热器的液氨输入端连接，所述换热器的氨气输出端与所述纯氨发动机的氨气输入端连接。4.根据权利要求3所述的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述溶液储罐的溶液输出端与所述换热器的液体输入端连接，所述换热器的液体输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液输入端连接。5.根据权利要求4所述的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述洗涤塔的喷淋管路包括第一喷淋层和第二喷淋层，所述第一喷淋层和第二喷淋层上均设有多个雾化喷嘴，所述雾化喷嘴均成环形排列。6.根据权利要求5所述的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述第一喷淋层和第二喷淋层的雾化喷嘴错开设置。7.根据权利要求6所述的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统，其特征在于，所述雾化喷嘴的倾斜角度为30
°
。8.一种基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理方法，其特征在于，采用如权利要求7所述的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统处理纯氨发动机的废气。9.根据权利要求8所述的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理方法，其特征在于，主要包括以下步骤：1）纯氨发动机排出的废气经过排气管路进入到微波催化反应装置中，在微波催化反应装置中，废气经过微波照射，温度升高，no被微波电磁场活化，微波催化反应装置负载的催化剂被微波场辐照，快速升温，激发出更多的活性位，加速活性炭还原no生成n2；2）微波催化反应装置中的废气经过排气管路进入到换热器的烟道中，在换热器的烟道中，废气与溶液储罐输送的洗涤液进行换热，降低废气温度，对洗涤液进行活化；3）换热器中的废气经过排气管路进入到洗涤塔中，废气在洗涤塔上升，下层的第一喷淋层给废气降温并吸收氨气，上层的第二喷淋层与废气中未反应完全的no
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发生氧化反应，生成硝酸盐以及硫酸盐，净化后的废气经过气水分离后从洗涤塔的排气口排出，其余废液由洗涤塔下部出口排出；4）溶液储罐提供的洗涤液进入到换热器中与纯氨发动机的废气进行换热，实现洗涤液的活化强化，活化后的洗涤液进入洗涤塔的喷淋管路中，与废气进行接触混合；5）液氨罐提供的液氨进入到换热器中与纯氨发动机的废气进行换热，液氨汽化，经过换热汽化之后得到氨气进入纯氨发动机中作为纯氨发动机的燃料进行燃烧。10.根据权利要求9所述的基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理方法，其特征在
于，所述的洗涤液为过硫酸钠溶液。

技术总结
本发明属于船舶废气处理技术领域，主要涉及一种基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统及方法，基于微波催化还原的纯氨发动机废气处理系统包括纯氨发动机、微波催化反应装置、洗涤塔、溶液储罐和液氨罐，所述纯氨发动机的废气输出端与所述微波催化反应装置的废气输入端连接，所述微波催化反应装置的废气输出端与所述洗涤塔的废气输入端连接，所述溶液储罐的溶液输出端与所述洗涤塔的喷淋管路洗涤液输入端连接，所述液氨罐向所述纯氨发动机提供氨源。本发明能够同时实现脱硝与氨捕集，脱除效率高，大大减小了洗涤液的用量，并且占地面积小，适合在船舶上狭窄空间使用。适合在船舶上狭窄空间使用。适合在船舶上狭窄空间使用。


技术研发人员：邹鹏 郑艳丽 龚泽儒 魏凯 牛涛 王晓娜 蒋玉琳 冯志进 李彩华 任国艳 王妍
受保护的技术使用者：烟台龙源电力技术股份有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/6/14