一种基于蒸汽相变团聚技术的尾气颗粒物脱除系统及方法
技术领域
本发明涉及船舶柴油机尾气处理技术领域，具体的说，它涉及一种基于蒸汽相变团聚技术的尾气颗粒物脱除系统及方法。
背景技术
在现代经济中，船舶是世界贸易运输的主要工具。随着人们需求的增大及贸易量的增加，船舶的数量、吨位在近年来大幅增加。在船舶运输中，作为绝对的动力来源，船舶柴油机能源消耗量十分巨大。目前燃料费用约占船舶运输成本的40％～50％，为节省船舶燃料费用，船东通常使用含硫量较高的低质重油作为燃料，其燃烧产物中含有大量的颗粒物、SOx和NOx等污染物，船舶颗粒物污染已经对海洋大气和港口环境造成了严重危害。为了保护环境，必须减少船舶发动机颗粒物的排放，主要方法有改善机内燃烧和加装机外颗粒物脱除装置。相对而言，机外处理是现在较为可行的方法。目前部分科研工作者已经开始船舶尾气颗粒物脱除的相关研究。
目前，传统机外颗粒物脱除方法能将尾气中粒径较大的颗粒物脱除，但仍有大量的超细颗粒物未被处理。如果采用新的颗粒物脱除技术，如静电除尘器、电袋复合除尘器、静电增强雾等，虽然可以有效地将尾气的大部分超细颗粒物脱除，但存在设备占用空间大、能耗高等问题，不适合船舶运用。湿法技术是船舶尾气颗粒物脱除的有效方法，但现有尾气超细颗粒物湿法脱除方案存在一定的不足。
在申请号为201910541626.6的专利《一种螺旋管内喷水式吸附柴油机尾气的颗粒分离器》中采用带孔内部螺旋管作为洗涤单元，喷水孔喷出水雾脱除颗粒物。该发明中，为了喷出水雾而设计的小孔易被重油燃烧排放的大量颗粒物堵塞，且该发明未对尾气超细颗粒物进行处理，不能有效脱除尾气中的超细颗粒物。
在申请号为201821611077.2的专利《一种柴油机尾气颗粒物处理系统》中，采用湿式静电除尘脱除颗粒物，在面对大型船舶柴油机时，存在设备占用空间大、能耗高等问题，不适合船舶运用。
综上所述，开发一种可以有效脱除船舶柴油机尾气中颗粒物(尤其是超细颗粒物)的系统是十分必要的。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于蒸汽相变团聚技术的尾气颗粒物脱除系统及方法，有效脱除尾气中超细颗粒，同时降低能耗、占用空间小。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于蒸汽相变团聚技术的尾气颗粒物脱除系统，包括余热回收单元、颗粒生长单元及除尘设备，所述余热回收单元通过管道与待处理尾气管道连通，所述余热回收单元通过管道与颗粒生长单元连通，所述颗粒生长单元与除尘设备连通；所述余热回收单元包括换热器，所述换热器包括换热器外壳、换热管及蒸汽生成管，所述换热器外壳上开设有换热器第一尾气进口及第一尾气出口，所述换热管一端插设在换热器外壳中，且所述换热管设置在第一尾气进口及第一尾气出口之间，即所述换热管设置在尾气流通路径中，所述换热管另一端卷绕设置在蒸汽生成管上，形成蒸汽生成区域；所述蒸汽生成管一端与供水管连通，所述供水管上设置有进水阀，作用是控制供水，所述进水阀上设置有流量控制器，作用是采集进水阀中水流量进而控制进水流量，所述蒸汽生成管的另一端形成水蒸气出口；所述颗粒生长单元包括颗粒生长器，所述颗粒生长器圆柱形桶状结构，所述颗粒生长器为中空结构，所述颗粒生长器竖直设置，所述颗粒生长器下端开设有第二尾气进口，所述颗粒生长器上端开设有第二尾气出口，所述除尘设备通过管道与第二尾气出口连通；所述颗粒生长器内部设置有冷却水管，所述冷却水管设置在靠近第二尾气出口一侧，所述冷却水管设置在第二尾气进口与第二尾气出口之间的尾气流通路径上，所述冷却水管呈层叠弯折，且所述冷却水管沿竖直方向层叠弯折设置在颗粒生长器内，所述冷却水管上开设有冷却水进口，所述冷却水进口设置在靠近第二尾气进口一侧，所述冷却水管上还开设有冷却水出口，所述冷却水出口设置在靠近第二尾气出口一侧；所述颗粒生长器侧壁上开设有蒸汽进口，所述蒸汽进口开设在冷却水管的下方，且所述蒸汽进口与冷却水管之间设置有混合区，所述蒸汽进口开设在颗粒生长器的下端边缘位置，所述蒸汽进口与蒸汽生成管的水蒸气出口连通，所述蒸汽进口与蒸汽生成管的蒸汽出口之间设置有用于提供蒸汽压力的泵。
本发明进一步设置为：所述冷却水管的出水口与蒸汽生成管的供水管连通，使所述冷却水管中吸收热量的冷却水进入蒸汽生成管中。
本发明进一步设置为：所述蒸汽出口与颗粒生长器的蒸汽进口之间的导管上设置有蒸汽旁通控制阀，所述蒸汽旁通控制阀与船舶供暖管网连通。
本发明进一步设置为：所述换热管采用丝网型换热管，且所述换热管至少设置有两组。
本发明进一步设置为：所述换热管采用不锈钢材质。
本发明进一步设置为：所述换热器中设置有膨胀空间，所述换热管设置在膨胀空间中。
本发明进一步设置为：所述颗粒生长器中设置有尾气扩张口，所述尾气扩张口呈喇叭形，所述尾气扩张口与第二尾气进口连通，所述第二尾气进口与尾气扩张口的窄口端连通。
一种基于蒸汽相变团聚技术的尾气颗粒物脱除方法，包括以下步骤：
S1、利用换热器的换热管将船舶柴油机产生的尾气热量传导至蒸汽生成管上，将蒸汽生成管中的水转换成水蒸气，同时尾气温度降低，尾气中的水蒸气由于温度降低变为过饱和水蒸气，开始以尾气中的超细颗粒为核心进行凝结和团聚；
S2、水蒸气通过泵进入颗粒生长器中，且经过初步凝结、团聚的尾气进入颗粒生长器中，水蒸气进入颗粒生长器中提高其内部的空气湿润度，从而使颗粒生长器中的水蒸气达到过饱和状态，尾气中的超细颗粒与水蒸气凝结、团聚进一步增大尾气中超细颗粒大小；
S3、尾气与水蒸气混合后，混合气体经过冷却水管，尾气及水蒸气的温度下降，促进尾气中的超细颗粒与水蒸汽进一步凝结、团聚，使尾气中的超细颗粒进一步增大，达到脱除要求；
S4、步骤S3中的尾气通过管道进入除尘设备中，实现尾气中的超细颗粒脱除。
本发明进一步设置为：步骤S1中产生的蒸汽不足时，打开蒸汽旁通控制阀将船舶供暖管网连通，从船舶供暖管网中补足蒸汽。
本发明进一步设置为：步骤S1中产生的蒸汽过量时，开蒸汽旁通控制阀将船舶供暖管网连通，将过量的蒸汽导入船舶供暖管网中。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的船舶尾气颗粒物脱除系统可以有效脱除船舶尾气中的颗粒物，尤其是超细颗粒物，彻底脱除船舶发动机尾气中的颗粒物；
2、本发明的船舶尾气颗粒物脱除系统较其他可以脱除超细颗粒物的系统，例如静电洗涤、电袋复合除尘等方法能耗更低、占用空间更少、背压更小，更适用船舶应用；
3、本发明的船舶尾气颗粒物脱除系统安装有换热器，以船舶尾气为热源，生成的蒸汽还可以服务船员，更好地利用船舶尾气热量；
4、本发明的船舶尾气颗粒物脱除系统在有余热回收装置的船上，换热器可以用余热回收系统中的余热锅炉替代，使得装置的占用空间更小；
5、本发明的船舶尾气颗粒物脱除系统能够使尾气的颗粒物排放满足相应要求。
附图说明
图1是本发明船舶尾气颗粒物脱除系统的流程图示意图；
图2是本发明换热器的示意图；
图3是本发明换热管芯截面的示意图；
图4是本发明颗粒生长器的示意图；
图5是本发明船舶尾气颗粒物脱除方法流程图。
附图标记：1、船舶柴油机；2、换热器；201、膨胀空间；3、蒸汽旁通控制阀；4、颗粒生长器；41、混合区；5、除尘设备；6、流量控制器；7、进水阀；8、泵；9、换热管；10、换热器外壳；11、第一尾气进口；12、第一尾气出口；13、蒸汽生成管；14、管芯截面丝网；15、第二尾气进口；16、第二尾气出口；17、颗粒生长器外壳；18、蒸汽进口；19、冷却水管；20、冷却水进口；21、冷却水出口；22、船舶供暖管网；23、扩张口。
具体实施方式
本发明提供一种基于蒸汽相变团聚技术的尾气颗粒物脱除系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。
参见附图1，一种基于蒸汽相变团聚技术的尾气颗粒物脱除系统，包括余热回收单元、颗粒生长单元及除尘设备5。余热回收单元通过管道与待处理尾气管道连通，余热回收单元通过管道与颗粒生长单元连通，颗粒生长单元与除尘设备5连通。除尘设备5为船舶上常用除尘设备5。
结合附图2-3，余热回收单元包括换热器2，换热器2包括换热器2外壳、换热管9及蒸汽生成管13。换热器2外壳上开设有换热器2第一尾气进口11及第一尾气出口12，第一尾气进口11与船舶柴油机1尾气排放口连通。换热器2外壳内形成有膨胀空间201，膨胀空间201设置在第一尾气进口11与第一尾气出口12之间。
换热管9一端插设在换热器2外壳中，换热管9设置在膨胀空间201中且换热管9设置在第一尾气进口11及第一尾气出口12之间，即换热管9设置在尾气流通路径中。船舶尾气进入膨胀空间201后，速度减缓，充分与换热管9接触，从而有效吸收尾气中的热量。换热管9至少设置有两组，本实施例中换热管9设置有两组，利用设置的多组换热管9可加快换热管9的化热效率，有助于提供换热效果。换热管9采用丝网型换热管9，丝网型换热管9可增加其与尾气的接触面积，从而有助于进一步提高换热管9的换热效果。换热管9采用不锈钢材质，有助于保证换热管9在使用过程中不被船舶尾气侵蚀，延长其使用寿命。换热器2可以用余热回收系统中的余热锅炉替代，使得装置的占用空间更小。
蒸汽生成管13一端与供水管连通，供水管上设置有进水阀7，通过进水阀7进水阀7作用是控制供水，进水阀7上设置有流量控制器6，作用是采集进水阀7中水流量进而控制进水流量，以匹配柴油机的工况变化，保证蒸汽的生产。蒸汽生成管13的另一端形成水蒸气出口，蒸汽生成管13的蒸汽出口与颗粒生长单元连通。在使用过程中，换热管9将尾气中的热量传递至蒸汽生成管13上，通过蒸汽生成管13将水加热成水蒸气；在此过程中，尾气温度降低，尾气中水蒸汽过饱和，过饱和水蒸气开始以尾气中超细颗粒为核心在其表面凝结，并发生聚集，增大超细颗粒直径。
结合附图4，颗粒生长单元包括颗粒生长器4，颗粒生长器4包括颗粒生长器外壳17，其外壳呈圆柱形桶状结构，颗粒生长器4为中空结构，颗粒生长器4竖直设置。生长器下端开设有第二尾气进口15，生长器上端开设有第二尾气出口16，除尘设备5通过管道与第二尾气出口16连通。颗粒生长器4中设置有尾气扩张口23，尾气扩张口23呈喇叭形，尾气扩张口23与第二尾气进口15连通，第二尾气进口15与尾气扩张口23的窄口端连通。通过设置的尾气扩张口23，进入生长器中的尾气可快速扩散至颗粒生长器4的内腔中。
颗粒生长器4内部设置有冷却水管19，冷却水管19设置在靠近第二尾气出口16一侧，冷却水管19设置在第二尾气进口15与第二尾气出口16之间的尾气流通路径上，冷却水管19呈层叠弯折，且冷却水管19沿竖直方向层叠弯折设置在颗粒生长器4内。冷却水管19上开设有冷却水进口20，冷却水进口20设置在靠近第二尾气进口15一侧，冷却水管19上还开设有冷却水出口21，冷却水出口21设置在靠近第二尾气出口16一侧。
颗粒生长器4侧壁上开设有蒸汽进口18，蒸汽进口18开设在冷却水管19的下方，蒸汽进口18通过管道与蒸汽生成管13的蒸汽出口连通。蒸汽进口18与冷却水管19之间设置有混合区41，蒸汽进口18开设在颗粒生长器4的下端边缘位置，蒸汽进口18与蒸汽生成管13的水蒸气出口连通，蒸汽进口18与蒸汽生成管13的蒸汽出口之间设置有用于提供蒸汽压力的泵8。在使用过程中，水蒸气与尾气进入颗粒生长器4中，在其混合区41中水蒸气与尾气相互混合，在此过程中，水蒸气提高颗粒生长器4中的空气湿润度，从而使颗粒生长器4中的水蒸气达到过饱和状态，使气中的超细颗粒与水蒸气凝结、团聚进一步增大尾气中超细颗粒大小。尾气与水蒸气在混合区41混合后，混合气体经过冷却水管19，尾气及水蒸气的温度下降，促进尾气中的超细颗粒与水蒸汽进一步凝结、团聚，使尾气中的超细颗粒进一步增大，达到脱除要求。
为进一步减小船舶能耗，将冷却水管19的出水口与蒸汽生成管13的供水管连通。在使用过程中，冷却水管19中的水吸收尾气中的温度后，其水温上升，温度上升后的冷却水进入蒸汽生成管13中，减少水蒸气生成所需的能耗。
蒸汽出口与颗粒生长器4的蒸汽进口18之间的导管上设置有蒸汽旁通控制阀3，蒸汽旁通控制阀3与船舶供暖管网22连通。当尾气中的热量不足以生产足量水蒸气时，通过打开蒸汽旁通控制阀3将船舶供暖管网22中的水蒸气导入颗粒生长器4中。当尾气中的热量生产过量的水蒸气后，通过打开蒸汽旁通控制阀3将过量的水蒸气导入船舶供暖管网22中，为船舶供暖。通过这种方式有效减低船舶能源消耗。
结合附图5，一种基于蒸汽相变团聚技术的尾气颗粒物脱除系统的脱除方法，包括以下步骤：
S1、利用换热器2的换热管9将船舶柴油机1产生的尾气热量传导至蒸汽生成管13上，将蒸汽生成管13中的水转换成水蒸气，同时尾气温度降低，尾气中的水蒸气由于温度降低变为过饱和水蒸气，开始以尾气中的超细颗粒为核心进行凝结和团聚。
S2、水蒸气通过泵8进入颗粒生长器4中，且经过初步凝结、团聚的尾气进入颗粒生长器4中，水蒸气进入颗粒生长器4中提高其内部的空气湿润度，从而使颗粒生长器4中的水蒸气达到过饱和状态，尾气中的超细颗粒与水蒸气凝结、团聚进一步增大尾气中超细颗粒大小。
S3、尾气与水蒸气混合后，混合气体经过冷却水管19，尾气及水蒸气的温度下降，促进尾气中的超细颗粒与水蒸汽进一步凝结、团聚，使尾气中的超细颗粒进一步增大，达到脱除要求。
S4、步骤S3中的尾气通过管道进入除尘设备5中，实现尾气中的超细颗粒脱除。
步骤S1中产生的蒸汽不足时，打开蒸汽旁通控制阀3将船舶供暖管网22连通，从船舶供暖管网22中补足蒸汽。步骤S1中产生的蒸汽过量时，开蒸汽旁通控制阀3将船舶供暖管网22连通，将过量的蒸汽导入船舶供暖管网22中。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
