快速脱除船舶发动机NO

快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置和脱硝方法
技术领域
1.本发明属于船舶低硫/零硫燃料发动机尾气处理技术领域，特别是涉及一种快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置和脱硝方法。


背景技术：

2.船舶发动机在工作过程中会产生大量no，船舶发动机的高温燃烧是导致船舶废气中no产生的主要原因。在高温条件下，船舶发动机进气中的n2被氧化成no，船舶尾气中nox是海洋大气以及沿海城市空气的主要污染物，在对环境造成破坏的同时也严重影响人体健康。国际海事组织(imo)一直以来对船舶尾气排放都有严格的限制标准，其中2016年1月1日起marpol公约tieriii排放标准正式实施，对船舶发动机no
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的排放控制提出了巨大的挑战，众多研究机构也在船舶no
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排放控制方面取得了诸多的成果。
3.选择性催化还原技术(scr)技术是当前最有效的脱硝技术。目前，船舶scr技术主要采用标准scr技术，用尿素水溶液产生的nh3作为还原剂，在催化剂的作用下将船舶尾气中的no
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(主要为no)还原为n2。目前，标准scr技术已经比较成熟，但存在scr反应速率较慢，反应器体积过大以及反应温度要求高等问题，严重影响了scr在船舶上的应用(尤其是涡轮后scr方式)。快速scr反应相比于标准scr反应提高了氮氧化物中no2的比例(50％左右)，no和no2同时和nh3反应。快速scr反应的反应速率是标准scr反应速率的10倍，同时快速scr反应具有更低的反应温度和更高的低温反应效率。


技术实现要素：

4.有鉴于此，针对上述背景技术中提到的现有的船舶尾气中no
x
处理方法所存在的问题，本发明提出一种快速脱除船舶发动机no
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的径向脱硝装置和脱硝方法，是一种反应温度要求低、具有更好低温活性、更快反应速率、更小体积、更长寿命的船用脱硝装置及方法。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种快速脱除船舶发动机no
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的径向脱硝装置，包括三通阀、so2吸收装置、no预氧化装置、尿素喷射系统、选择性催化还原装置和控制单元，所述三通阀、so2吸收装置、no预氧化装置、尿素喷射系统、选择性催化还原装置依次连接，船舶尾气从船舶发动机排出后经过三通阀，然后经过so2吸收装置，将船舶尾气中少量的so2吸收掉，随后到达no预氧化装置，船舶尾气中部分no被氧化成no2，从no预氧化装置中出来后尾气经过设有尿素喷射系统的管道，与尿素水溶液混合后进入选择性催化还原装置中，在选择性催化还原装置中进行快速scr反应，尾气中的no
x
被还原为n2，处理后的尾气经排气管道直接排放到大气中，发生故障时船舶尾气经三通阀旁通直接排向大气。
6.更进一步地，所述so2吸收装置采用碱性吸收剂脱除尾气中的so2。
7.更进一步地，所述尿素喷射系统包括尿素喷射装置、一号电子控制阀和尿素储存罐，所述尿素喷射装置、一号电子控制阀和尿素储存罐依次连接，一号电子控制阀受控制单元控制，船舶尾气与尿素喷射装置所喷射出的尿素溶液混合，在尾气余热作用下尿素溶液发生热解、水解反应产生nh3。
8.更进一步地，所述no预氧化装置包括管道、氧化催化剂、二号电子控制阀、no传感器和no2传感器，所述管道包括外层管道和内层管道，所述氧化催化剂置于外层管道中，二号电子控制阀置于内层管道中部，二号电子控制阀的开度由no传感器和no2传感器传递回控制单元的控制信号决定，通过调节内外管道气体量来是实现no/no2比值维持1：1的动态平衡。
9.更进一步地，先在no预氧化装置中将船舶尾气中部分no氧化为no2，然后经过氧化的船舶尾气与由尿素溶液热解、水解产生的nh3混合，一起进入选择性催化还原装置中发生快速scr反应。
10.更进一步地，所述选择性催化还原装置包括壳体、防返流板、进气道、一号密封挡板、排气道、还原催化剂、隔离网和二号密封挡板，所述选择性催化装置中横向前后分别设有防返流板和二号密封挡板，中间轴向设置有柱状隔离网，柱状隔离网内为进气道，柱状隔离网外周放置有还原催化剂。
11.更进一步地，所述还原催化剂和壳体之间存在腔体，形成排气道，所述排气道的前端安装有一号密封挡板，船舶尾气径向流经还原催化剂，然后进入排气道，在选择性催化还原装置出口端锥型管处进行汇合，最后从尾气出口排向大气。
12.更进一步地，选择性催化还原装置出口端设有no
x
传感器和nh3传感器，no
x
传感器和nh3传感器将检测信号传递给控制单元，通过控制单元调节一号电子控制阀的开度，调节尿素的喷入量。
13.一种所述的快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置进行脱硝的方法，具体包括以下步骤：
14.步骤1：船舶尾气进入so2吸收装置中，在so2吸收剂的作用下将船舶尾气中少量的so2脱除；
15.步骤2：船舶尾气进入no预氧化装置中，通过预氧化催化剂将船舶尾气中部分no氧化为no2，在no预氧化装置出口端设有no传感器和no2传感器，两个传感器将浓度信号送入控制单元，计算出no/no2的值，通过对比设定值，输出电信号调节no预氧化装置中二号电子控制阀的开度，通过调节气体旁通量以实现对no和no2比值的调控，使no/no2比值控制在1:1；
16.步骤3：预氧化之后的船舶尾气经过排气管通向选择性催化还原装置，在排气管中，尾气与尿素喷射装置所喷入的尿素喷雾混合，尿素水溶液在高温作用下分解产生nh3；
17.步骤4：混合后的船舶尾气进入选择性催化还原装置中，混合尾气由选择性催化还原装置径向方向进入选择性还原催化剂进行快速scr反应，船舶尾气中的no
x
被催化还原为n2；
18.步骤5：选择性催化还原装置出口端的no
x
传感器和nh3传感器对处理之后的船舶尾气进行检测，将测量值送入控制单元中，然后通过控制单元对一号电子控制阀8进行调节，控制尿素的喷入量，使得no
x
最终排放满足法规要求。
19.与现有技术相比，本发明所述的一种快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置和脱硝方法的有益效果是：
20.(1)针对船舶现有scr技术存在脱硝速率慢，反应器体积过大等问题，本发明提供了一种快速脱除船舶发动机nox的径向脱硝装置，改变了传统船舶尾气处理方式。本发明基于快速scr反应，对船舶no
x
进行处理，在提高脱硝速率和脱硝效率的同时，降低了对scr反
应温度的要求，减小了scr反应器的体积；反应器采用径向进气的方式增大了船舶尾气与催化剂的接触面积，缩短了反应时间，降低了背压，基于快速scr反应的船用径向脱硝装置，可以显著提高scr反应速率和低温脱除效率。
21.(2)快速脱除船舶发动机nox的径向脱硝装置相比于现有的船用scr装置，so2吸收装置可以保护快速scr反应催化剂免于硫中毒，提高scr催化剂的转化效率和使用寿命；no预氧化装置在no传感器、no2传感器、电子控制阀和控制单元的协同作用实现no2浓度的动态调节，确保快速scr反应处于最佳状态，促进快速scr反应的发生。
22.(3)本发明相比现有的船用脱硝装置，采用尾气径向流经催化剂的方式，实现更大的尾气和催化剂之间的接触面积，避免了船舶尾气在脱硝反应器进口端，由于速度、压力的不均匀对催化剂造成的损害，可有效地提高了催化剂的寿命。
附图说明
23.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
24.图1是本发明实施一种快速脱除船舶发动机nox的径向脱硝装置的结构示意图；
25.图2是本发明所述脱硝装置的so2吸收装置剖面结构示意图；
26.图3是本发明所述脱硝装置的no预氧化装置剖面结构示意图；
27.图4是本发明所述脱硝装置的选择性催化还原装置剖面结构示意图；
28.图5是本发明所述脱硝装置的选择性催化还原装置横截面结构示意图；
29.上述附图中，附图标记含义如下：1-三通阀；2-so2吸收装置；3-no预氧化装置；4-no传感器；5-no2传感器；6-尿素喷射系统；7-尿素喷射装置；8-一号电子控制阀；9-尿素储存罐；10-选择性催化还原装置；11-no
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浓度传感器；12-nh3传感器；13-控制单元；14-so2吸收剂；15-氧化催化剂；16-二号电子控制阀；17-壳体；18-防返流板；19-进气道；20-一号密封挡板；21-排气道；22-还原催化剂；23-金属隔离网；24-二号密封挡板。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
31.一、具体实施方式，参见图1-5说明本实施方式，一种快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置，包括三通阀1、so2吸收装置2、no预氧化装置3、尿素喷射系统6、选择性催化还原装置10和控制单元13，所述三通阀1、so2吸收装置2、no预氧化装置3、尿素喷射系统6、选择性催化还原装置10依次连接，船舶尾气从船舶发动机排出后经过三通阀1，然后经过so2吸收装置2，将船舶尾气中少量的so2吸收掉，随后到达no预氧化装置3，船舶尾气中部分no被氧化成no2，从no预氧化装置3中出来后尾气经过设有尿素喷射系统6的管道，与尿素水溶液混合后进入选择性催化还原装置10中，在选择性催化还原装置10中进行快速scr反应，尾气中的no
x
被还原为n2，处理后的尾气经排气管道直接排放到大气中，发生故障时船舶尾气经三通阀1旁通直接排向大气。
32.所述so2吸收装置2采用碱性吸收剂脱除尾气中的so2。
33.所述尿素喷射系统6包括尿素喷射装置7、一号电子控制阀8和尿素储存罐9，所述尿素喷射装置7、一号电子控制阀8和尿素储存罐9依次连接，一号电子控制阀8受控制单元13控制，船舶尾气与尿素喷射装置7所喷射出的尿素溶液混合，在尾气余热作用下尿素溶液发生热解、水解反应产生nh3。
34.所述no预氧化装置3包括管道、氧化催化剂15、二号电子控制阀16、no传感器4和no2传感器5，所述管道包括外层管道和内层管道，所述氧化催化剂15置于外层管道中，二号电子控制阀16置于内层管道中部，二号电子控制阀16的开度由no传感器4和no2传感器5传递回控制单元13的控制信号决定，通过调节内外管道气体量来是实现no/no2比值维持1：1的动态平衡。
35.先在no预氧化装置3中将船舶尾气中部分no(约50％)氧化为no2，然后经过氧化的船舶尾气与由尿素溶液热解、水解产生的nh3混合，一起进入选择性催化还原装置10中发生快速scr反应。该反应速率是标准scr反应速率处理船舶尾气的10倍，本发明在降低scr反应温度要求的同时具有更高的低温反应效率。
36.所述选择性催化还原装置10包括壳体17、防返流板18、进气道19、一号密封挡板20、排气道21、还原催化剂22、隔离网23和二号密封挡板24，所述选择性催化装置10中横向前后分别设有防返流板18和二号密封挡板24，中间轴向设置有柱状隔离网23，柱状隔离网23内为进气道19，柱状隔离网23外周放置有还原催化剂22。
37.所述还原催化剂22和壳体17之间存在腔体，形成排气道21，所述排气道21的前端安装有一号密封挡板20，船舶尾气径向流经还原催化剂22，然后进入排气道21，在选择性催化还原装置10出口端锥型管处进行汇合，最后从尾气出口排向大气。
38.选择性催化还原装置10出口端设有no
x
传感器11和nh3传感器12，no
x
传感器11和nh3传感器12将检测信号传递给控制单元13，通过控制单元13调节一号电子控制阀8的开度，调节尿素的喷入量。
39.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明做详细地描述：
40.如图1所示，船舶尾气自船舶发动机出来后依次通过三通阀1、so2吸收装置2、no预氧化装置3和选择性催化还原装置10，最后经船舶尾气出口排入大气。本发明相较传统的脱硝装置在低温条件下具有更快的scr反应速率和更高的脱硝效率，so2吸收装置2可以脱除船舶尾气中少量的so2，防止no预氧化装置3中的催化剂中毒失活，no预氧化装置3可以通过控制单元13调节二号电子控制阀16的开度动态调节no/no2的值，使no和no2的比值处于设定比例，选择性催化还原装置10采用径向进气方式可以有效降低排气背压。
41.船舶尾气进入，如图2所示的so2吸收装置2中，所述so2吸收装置2主要包括了so2吸收剂14，船舶尾气中少量的so2会和so2吸收剂发生反应，so2被脱除。
42.船舶尾气进入，如图3所示的no预氧化装置3中，船舶尾气一部分直接从内层管道流出no预氧化装置3，另一部分则进入外层管道的氧化催化剂15中，在其中废气中的no被氧化形成no2，总包反应方程式如下所示：
[0043][0044]
具体地，如图3所示，在no预氧化装置3中，若二号电子控制阀16开度减小，将会有
更多尾气流入外层管道，其中的no被氧化成no2，通过控制单元13调节二号电子控制阀16的开度便可控制气体旁通量，实现调节no与no2比值的目的。
[0045]
具体地，如图3所示，经过氧化反应之后的船舶尾气到达no预氧化装置3出口端，no传感器4和no2传感器5测量出no和no2的浓度，将信号传递给控制单元13，控制单元13对二号电子控制阀16的开度进行调控。当no/no2的值小于1:1时，调大开度，增大气体旁通量(进入内层管道)，反之则减小开度，使实现no/no2的比值处于1：1的动态平衡。
[0046]
船舶尾气与尿素喷射装置7所喷射出的尿素溶液混合，在尾气余热作用下尿素溶液发生热解、水解反应产生nh3，反应式如下式：
[0047][0048]
随后船舶尾气进入如图4所示的选择性还原装置10，在装置内部nh3与氧化后的船舶尾气进一步混合并在还原催化剂22的作用下发生快速scr反应，反应方程式如下：
[0049][0050]
具体地，如图4所示，气体在装置的中空部分进行混合并沿着选择性催化还原装置10径向方向进入还原催化剂22；no、no2与nh3在催化剂内部的孔道内发生快速scr反应，有效地脱除船舶尾气中的no
x
。
[0051]
在选择性催化还原装置10出口端设有no
x
浓度传感器11、nh3传感器12，对出来气体中no
x
和nh3进行检测，将信号传递到控制单元13，控制单元13对一号电子控制阀8进行调控，改变尿素的喷入量，使得船舶尾气既能满足tieriii的排放要求，又避免尿素的过量使用，产生氨逃逸。
[0052]
本发明还提供了一种快速脱除船舶发动机nox的径向脱硝装置进行脱硝的方法，包括以下步骤：
[0053]
步骤1：船舶尾气进入so2吸收装置2中，在so2吸收剂(碱性物质)的作用下将船舶尾气中少量的so2脱除；
[0054]
步骤2：船舶尾气进入no预氧化装置3中，通过预氧化催化剂15将船舶尾气中部分no氧化为no2，在no预氧化装置3出口端设有no传感器4和no2传感器5，两个传感器将浓度信号送入控制单元13，计算出no/no2的值，通过对比设定值，输出电信号调节no预氧化装置3中二号电子控制阀16的开度，通过调节气体旁通量以实现对no和no2比值的调控，使no/no2比值控制在1:1附近；
[0055]
步骤3：预氧化之后的船舶尾气经过排气管通向选择性催化还原装置10，在排气管中，尾气与尿素喷射装置7所喷入的尿素喷雾混合，尿素水溶液在高温作用下分解产生nh3，总包反应如下：
[0056]
(nh2)2co+h2o
→
2nh3+co2(4)
[0057]
步骤4：混合后的船舶尾气进入选择性催化还原装置10中，混合尾气由选择性催化还原装置10径向方向进入选择性还原催化剂进行快速scr反应，船舶尾气中的no
x
被催化还原为n2。主要反应式如下：
[0058][0059]
步骤5：选择性催化还原装置10出口端的no
x
传感器11和nh3传感器12对处理之后的
船舶尾气进行检测，将测量值送入控制单元13中，然后通过控制单元13对一号电子控制阀8进行调节，控制尿素的喷入量，使得no
x
最终排放满足法规要求。
[0060]
所述一种快速脱除船舶发动机nox的径向脱硝装置进行脱硝的方法，适用发动机类型的描述，适用于低硫/零硫燃料，包括但不限于低硫燃油、lng、lpg、甲醇、乙醇、氨、氢等燃料发动机。
[0061]
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

技术特征：
1.一种快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置，其特征在于：包括三通阀(1)、so2吸收装置(2)、no预氧化装置(3)、尿素喷射系统(6)、选择性催化还原装置(10)和控制单元(13)，所述三通阀(1)、so2吸收装置(2)、no预氧化装置(3)、尿素喷射系统(6)、选择性催化还原装置(10)依次连接，船舶尾气从船舶发动机排出后经过三通阀(1)，然后经过so2吸收装置(2)，将船舶尾气中少量的so2吸收掉，随后到达no预氧化装置(3)，船舶尾气中部分no被氧化成no2，从no预氧化装置(3)中出来后尾气经过设有尿素喷射系统(6)的管道，与尿素水溶液混合后进入选择性催化还原装置(10)中，在选择性催化还原装置(10)中进行快速scr反应，尾气中的no
x
被还原为n2，处理后的尾气经排气管道直接排放到大气中，发生故障时船舶尾气经三通阀(1)旁通直接排向大气。2.根据权利要求1所述的快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置，其特征在于：所述so2吸收装置(2)采用碱性吸收剂脱除尾气中的so2。3.根据权利要求1所述的快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置，其特征在于：所述尿素喷射系统(6)包括尿素喷射装置(7)、一号电子控制阀(8)和尿素储存罐(9)，所述尿素喷射装置(7)、一号电子控制阀(8)和尿素储存罐(9)依次连接，一号电子控制阀(8)受控制单元(13)控制，船舶尾气与尿素喷射装置(7)所喷射出的尿素溶液混合，在尾气余热作用下尿素溶液发生热解、水解反应产生nh3。4.根据权利要求1所述的快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置，其特征在于：所述no预氧化装置(3)包括管道、氧化催化剂(15)、二号电子控制阀(16)、no传感器(4)和no2传感器(5)，所述管道包括外层管道和内层管道，所述氧化催化剂(15)置于外层管道中，二号电子控制阀(16)置于内层管道中部，二号电子控制阀(16)的开度由no传感器(4)和no2传感器(5)传递回控制单元(13)的控制信号决定，通过调节内外管道气体量来是实现no/no2比值维持1：1的动态平衡。5.根据权利要求1所述的快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置，其特征在于：气体在装置的中空部分进行混合并沿着选择性催化还原装置(10)径向方向进入还原催化剂(22)；no、no2与nh3在还原催化剂(22)内部的孔道内发生快速scr反应，有效地脱除船舶尾气中的no
x
。6.根据权利要求1或5所述的快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置，其特征在于：所述选择性催化还原装置(10)包括壳体(17)、防返流板(18)、进气道(19)、一号密封挡板(20)、排气道(21)、还原催化剂(22)、隔离网(23)和二号密封挡板(24)，所述选择性催化还原装置(10)中横向前后分别设有防返流板(18)和二号密封挡板(24)，中间轴向设置有柱状隔离网(23)，柱状隔离网(23)内为进气道(19)，柱状隔离网(23)外周放置有还原催化剂(22)。7.根据权利要求6所述的快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置，其特征在于：所述还原催化剂(22)和壳体(17)之间存在腔体，形成排气道(21)，所述排气道(21)的前端安装有一号密封挡板(20)，船舶尾气径向流经还原催化剂(22)，然后进入排气道(21)，在选择性催化还原装置(10)出口端锥型管处进行汇合，最后从尾气出口排向大气。8.根据权利要求7所述的快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置，其特征在于：选择性催化还原装置(10)出口端设有no
x
传感器(11)和nh3传感器(12)，no
x
传感器(11)和nh3传感器(12)将检测信号传递给控制单元(13)，通过控制单元(13)调节一号电子控制阀(8)的开
度，调节尿素的喷入量。9.一种如权利要求1-8任一项所述的快速脱除船舶发动机no
x
的径向脱硝装置进行脱硝的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤1：船舶尾气进入so2吸收装置(2)中，在so2吸收剂的作用下将船舶尾气中少量的so2脱除；步骤2：船舶尾气进入no预氧化装置(3)中，通过预氧化催化剂(15)将船舶尾气中部分no氧化为no2，在no预氧化装置(3)出口端设有no传感器(4)和no2传感器(5)，两个传感器将浓度信号送入控制单元(13)，计算出no/no2的值，通过对比设定值，输出电信号调节no预氧化装置(3)中二号电子控制阀(16)的开度，通过调节气体旁通量以实现对no和no2比值的调控，使no/no2比值控制在1:1；步骤3：预氧化之后的船舶尾气经过排气管通向选择性催化还原装置(10)，在排气管中，尾气与尿素喷射装置(7)所喷入的尿素喷雾混合，尿素水溶液在高温作用下分解产生nh3；步骤4：混合后的船舶尾气进入选择性催化还原装置(10)中，混合尾气由选择性催化还原装置(10)径向方向进入选择性还原催化剂进行快速scr反应，船舶尾气中的no
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被催化还原为n2；步骤5：选择性催化还原装置(10)出口端的no
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传感器(11)和nh3传感器(12)对处理之后的船舶尾气进行检测，将测量值送入控制单元(13)中，然后通过控制单元(13)对一号电子控制阀(8)进行调节，控制尿素的喷入量，使得no
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最终排放满足法规要求。

技术总结
本发明提出了一种快速脱除船舶发动机NOx的径向脱硝装置和脱硝方法，本发明中SO2吸收装置于NO预氧化装置前端，NO预氧化装置分为内外两层管道，在内层管道中设置电子控制阀，通过调节内层管道上的电子控制阀的开度控制旁通气量，以达到调节NO与NO2比例的目的；船舶尾气首先经SO2吸收装置，脱除废气中少量的SO2，再经NO预氧化装置，部分NO被氧化为NO2，经氧化后的船舶尾气与尿素溶液热解、水解形成的NH3一同进入选择性催还原装置，发生快速SCR反应。快速脱除船舶发动机NO


技术研发人员：周松 席鸿远 莫杰 张天鹏 任建军 周洪杰 朱云龙
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/12