一种船舶尾气脱硫脱硝的装置
技术领域
本发明涉及船舶柴尾气治理的方法，尤其涉及一种船舶尾气脱硫脱硝的装置。
背景技术
柴油机具有动力强、可靠性高等优点，在未来很长时间内仍将是船舶的主要动力源。柴油机所引起的大气污染问题日益受到关注，对船舶柴油机的尾气进行处理以满足达标排放要求迫在眉睫。在船舶柴油机排放的尾气中，主要污染物是硫化物(主要是SO2)和氮氧化物(包括NO与NO2等，统称为NOX)。因此，对船舶柴油机尾气同时进行脱硫和脱硝处理是柴油机尾气后处理技术的必然发展方向。
船舶尾气脱硫技术主要包括循环流化床干法脱硫、石灰石-石膏法脱硫、镁法脱硫、海水洗涤脱硫；根据船舶企业反馈，海水洗涤法由于其成本低、脱硫效率高，普遍适用于沿海地区；主要原理是利用碱性的海水与尾气中的硫化物中和，使硫化物的含量达到排放标准。
目前，SCR已成为应用最广泛的脱硝技术，但是尾气中硫化物含量较高会导致SCR系统的催化剂中毒，失去脱硝功能；因此，对于船舶尾气治理而言，为了保证脱硝系统良好运行，必须按照先脱硫、再脱硝的顺序进行。
而船舶尾气通过海水洗涤法脱硫后，虽然硫含量大幅度降低，但是尾气温度也会随之降低；众所周知，温度直接影响后续脱硝系统的整体效率，不同温度下SCR催化剂反应效率不同，此外，SCR的效率还与尾气中NO与NO2的比例密切相关，SCR在不同温度下达到最高效率的氮氧化物比例也不同。
为了解决脱硫后尾气温度降低影响脱硝系统效率的问题，许多企业采用脱硫后尾气再燃烧加热的方式；但是，该方法需要大幅改造管道结构，而由于船舶空间有限性导致空间管理困难，使得改造成本过高。此外，依靠燃烧加热方式提高脱硫后尾气温度的效率较低，同时还产生额外的燃料消耗。而且，在脱硝工序前对尾气进行升温的同时，还需要根据尾气温度情况，调节尾气中NO与NO2的比例，以获得满足排放法规要求的SCR脱硝效率。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是：提供一种结构简单、设计合理且能有效降低成本及降低设备能耗的适用于船舶尾气脱硫脱硝的装置，以解决现有脱硫脱硝装置存在设备复杂、成本高、效率较低以及设备能耗大的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种船舶尾气脱硫脱硝的装置；所述的装置能够实现对船舶尾气同时进行脱硫脱硝。
具体而言，所述船舶尾气脱硫脱硝的装置包括：
沿尾气流动方向依次连接设置的脱硫模块、NO/NO2比例调节模块和SCR脱硝模块；
所述脱硫模块通过管道I与船舶柴油发动机的尾气出口连接，所述NO/NO2比例调节模块通过管道II与所述脱硫模块连接；
在所述管道I与所述管道II之间设置换热模块，所述换热模块用于在所述管道I与所述管道II之间进行热量交换。
本发明通过设置换热模块可有效避免脱硫模块对SCR脱硝模块的影响，并通过NO/NO2比例调节模块调节尾气中NO和NO2的比例，进而降低SCR脱硝模块的反应温度，实现船舶尾气脱硫脱硝。
本发明所述的换热模块，设置在船舶柴油发动机的排气管道和脱硫模块的出气管道之间，能够将刚从发动机中排出的尾气与脱硫后的尾气进行热交换；高温尾气经过换热模块释放热量，温度降低后的尾气进入脱硫模块，从脱硫模块排出的尾气经换热模块升温后再进入NO/NO2比例调节模块；即将脱硫前的高温尾气的热量传递给脱硫后低温尾气；所述换热模块包括但不限于管翅式换热器。
本发明所述的脱硫模块主要是通过引入碱性海水中和尾气中的硫化物，从而降低尾气中的硫化物含量，进而达到排放标准。
另外，本发明所述SCR脱硝模块的主体部分为SCR催化箱，使用具有一定抗硫性的钒基催化剂，促进氨气与尾气中氮氧化物的反应，实现尾气脱硝。
根据上述技术方案的优选，进一步地，还包括控制单元，所述NO/NO2比例调节模块与所述控制单元连接。
本发明所述NO/NO2比例调节模块的目的在于通过调节NO/NO2比例以降低SCR催化箱的起燃温度。
根据上述技术方案的优选，还包括尿素计量喷射模块；
所述尿素计量喷射模块设置在所述SCR脱硝模块的进口处，所述尿素计量喷射模块与所述控制单元连接。
根据上述技术方案的优选，还包括温度传感器I、压力传感器I和NOX传感器I；
所述温度传感器I、所述压力传感器I、和所述NOX传感器I依次设置在所述NO/NO2比例调节模块的进口处，所述温度传感器I、所述压力传感器I和所述NOX传感器I分别与所述控制单元连接。
根据上述技术方案的优选，还包括流量传感器；
所述流量传感器设置在所述船舶柴油发动机的尾气出口处，所述流量传感器与所述控制单元连接。
根据上述技术方案的优选，还包括温度传感器II；
所述温度传感器II设置在所述NO/NO2比例调节模块的出口处，所述温度传感器II与所述控制单元连接。
根据上述技术方案的优选，还包括压力传感器II、温度传感器III和NOX传感器II；
所述压力传感器II、所述温度传感器III和所述NOX传感器II依次设置在所述SCR脱硝模块的出口处，所述压力传感器II、所述温度传感器III和所述NOX传感器II分别与所述控制单元连接。
所述NOX传感器II将经过SCR脱硝模块的尾气中的氮氧化物浓度信号传至所述控制单元，进而辅助控制单元控制尿素计量喷射模块。
本发明的压力传感器I和压力传感器II通过采集尾气在SCR脱硝模块前后的压力变化，计算尾气空速。
本发明所述的控制单元主要作用在于收集温度、压力、氮氧化物浓度等信息，并以此为依据控制NO/NO2比例调节模块和尿素计量喷射模块，进而控制SCR催化箱的转化效率。
根据上述技术方案的优选，进一步地，所述温度传感器I将尾气温度信号传至所述控制单元；
所述控制单元根据所述尾气温度信号和NOx达标排放的转化效率计算NO与NO2的比例，并生成比例调节信号，将所述比例调节信号传至所述NO/NO2比例调节模块。
根据上述技术方案的优选，进一步地，所述流量传感器将尾气流量信号传至所述控制单元；所述NOX传感器I将尾气的NOX浓度信号传至所述控制单元；
所述控制单元根据所述尾气流量信号和所述尾气的NOX浓度信号计算尿素喷射量，并生成尿素喷射信号，将所述尿素喷射信号传至所述尿素计量喷射模块。
本发明发现，NOX转化效率与NO/NO2比值、SCR催化箱内温度相关；不同NO/NO2比值的尾气进入SCR催化箱，在不同温度下经催化反应后，会形成不同的NOX转化效率-温度曲线(如图4所示)。
由图4可知，在一定的NO/NO2比例下，当SCR催化箱温度低于催化剂的起燃温度时，NOX转化效率较低，而且随温度升高上升幅度较小；一旦超过起燃温度，转化效率将迅速上升，到85％以上时，上升幅度变小。在一定温度下，NO/NO2比值越大，催化剂的起燃温度越高；当NO/NO2比值接近于1时，催化剂获得较低的起燃温度。当进入SCR催化箱尾气的NO/NO2比值为1，温度在300℃左右时，可获得90％以上的转化效率。在400℃继续升高温度，转化效率仍可小幅提高，但此时已达排放标准，再升高温度的成本较高，实际意义不大。到达一定温度时(400℃左右)，继续提高温度，因为烧结、副反应等原因，会导致转化效率不升反降。
如此，可根据尾气温度和NOX转化效率指标要求调节NO/NO2比例，控制系统运行，使NOX转化效率—温度曲线保持在最优范围内，进而使尾气在低温情况下就能够达到排放标准。
所述控制系统通过控制单元实现，根据NOX浓度与发动机的功率，计算脱硫后的NOX比排放浓度；将该浓度与排放限值相比，如果小于限值，则NO/NO2比例调节模块和SCR脱硝模块不工作；如果高于限值，则以限值和排放浓度两个指标，计算需要达到的转化效率，根据转化效率和SCR催化箱温度计算NO/NO2比值(根据NOX转化效率-温度曲线，以温度、NOX转化效率作直线，两线相交点处即为NO/NO2比值)，由控制单元根据该NO/NO2比值控制NO/NO2比例调节模块，同时以转化效率为目标，控制尿素计量喷射模块。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明遵循船舶尾气先脱硫后脱硝的原则，通过改变船舶尾气管道的结构设计，在同时涉及原始尾气和脱硫后尾气的关键部位，增加能够快速存储和释放热量的换热模块(高效换热)，进而实现船舶排放尾气的热量管理；从而保证尾气在脱硫和脱硝两个不同过程中均能保持合适温度；进一步地，本发明根据温度调整尾气中NO/NO2的比例，保持SCR脱硝模块处于较高的效率区间。
(2)本发明提供的船舶尾气脱硫脱硝的装置，通过改造船舶尾气排放管道，增加换热模块，实现对脱硫前后尾气的热量管理，实现对尾气温度的控制，能够解决当前海水洗涤法脱硫对脱硝系统带来的问题，有效提高SCR脱硝模块的效率，大幅降低船舶尾气治理的难度和成本，保证排放达标。
附图说明
图1为本发明船舶尾气脱硫脱硝的装置的工艺流程示意图。
图2为本发明船舶尾气脱硫脱硝的装置示意图；图中：1、船舶柴油发动机；2、换热模块；3、脱硫模块；4、NO/NO2比例调节模块；5、SCR脱硝模块；6、尿素计量喷射模块；7、控制单元；8、流量传感器；9、温度传感器I；10、压力传感器I；11、NOX传感器I；12、温度传感器II；13、压力传感器II；14、温度传感器III；15、NOX传感器II。
图3为本发明换热模块示意图。
图4为本发明不同NO/NO2比例情况下，NOX转化效率-温度曲线。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种船舶尾气脱硫脱硝的装置，如图2和图3所示，包括：沿尾气流动方向依次连接设置的脱硫模块3、NO/NO2比例调节模块4和SCR脱硝模块5；
所述脱硫模块3通过管道I与船舶柴油发动机1的尾气出口连接，所述NO/NO2比例调节模块4通过管道II与所述脱硫模块3连接；
在所述管道I与所述管道II之间设置换热模块2，所述换热模块2用于在所述管道I与所述管道II之间进行热量交换；
还包括控制单元7，所述NO/NO2比例调节模块4与所述控制单元7连接；
还包括尿素计量喷射模块6；
所述尿素计量喷射模块6设置在所述SCR脱硝模块5的进口处，所述尿素计量喷射模块6与所述控制单元7连接；
还包括温度传感器I9、压力传感器I10和NOX传感器I11；
所述温度传感器I9、所述压力传感器I10和所述NOX传感器I11依次设置在所述NO/NO2比例调节模块4的进口处，所述温度传感器I9、所述压力传感器I10和所述NOX传感器I11分别与所述控制单元7连接；
还包括流量传感器8；
所述流量传感器8设置在所述船舶柴油发动机1的尾气出口处，所述流量传感器8与所述控制单元7连接；
还包括温度传感器II12；
所述温度传感器II12设置在所述NO/NO2比例调节模块4的出口处，所述温度传感器II12与所述控制单元7连接；
还包括压力传感器II13、温度传感器III14和NOX传感器II15；
所述压力传感器II13、所述温度传感器III14和所述NOX传感器II15依次设置在所述SCR脱硝模块5的出口处，所述压力传感器II13、所述温度传感器III14和所述NOX传感器II15分别与所述控制单元7连接。
实施例2
本实施例提供一种利用实施例1所述装置进行船舶尾气脱硫脱硝的方法(如图1所示)，具体如下：
在实际运行过程中，船舶柴油机排放的尾气约为400℃，硫含量5％，NO和NO2的比例为9:1；换热模块将原始尾气中的热量吸收，暂时储存在模块中，尾气的总体温度会降低200～300℃(实际过程中温度降低300℃，尾气温度为100℃)。
经过换热模块后的尾气温度降低进入脱硫模块，在脱硫模块中经过海水洗涤塔使尾气中的硫化物与碱性海水中和，硫化物含量大幅度降低(硫化物含量不高于1％)。
从脱硫模块中排出的尾气经换热模块，换热模块将存储的热量释放进而对尾气进行加热处理，使尾气温度升高150～250℃(实际过程中尾气温度升高到300℃)。
温度传感器I将升温后的尾气温度信号传至控制单元，控制单元根据尾气温度信号和NOx达标排放的转化效率计算NO与NO2的比例，并生成比例调节信号，将比例调节信号传至NO/NO2比例调节模块；
另外，流量传感器将尾气流量信号传至控制单元；NOX传感器I将尾气的NOX浓度信号传至控制单元；控制单元根据尾气流量信号和尾气的NOX浓度信号计算尿素喷射量，并生成尿素喷射信号，将尿素喷射信号传至尿素计量喷射模块，尿素计量喷射模块向SCR脱硝模块喷射尿素，尾气经SCR脱硝模块处理实现氮氧化物达标。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
