一种低温等离子体预氧化联合SCR脱硫脱硝降噪除尘复合装置的制作方法

本发明涉及一种柴油机尾气处理装置，具体涉及采用低温等离子体预氧化联合SCR进行脱硫脱硝降噪除尘的复合装置，属于船舶尾气排放控制技术领域。

背景技术：

NO_x和SO_x是船舶柴油机尾气排放的两大主要污染物，其排放对全球环境造成了严重的影响。随着排放法规的日益严格，降低船舶柴油机尾气排放污染物并使其满足排放法规的需求变得越来越重要。目前对NO_x和SO_x进行处理最为有效的方法为SCR(选择性催化还原)和SO_x洗涤塔。然而，随着船舶柴油机热效率的提高，其涡轮后的废气温度(100℃～240℃)已经很难满足SCR催化剂(V₂O₅-WO₃/TiO₂)正常工作的温度窗(260℃～500℃)。船舶柴油机尾气中含有较高浓度的SO_x，若不进行脱硫处理，SCR催化剂长期工作在低温且含有较高浓度SO_x的气体中，会发生硫中毒现象，降低SCR催化剂的工作寿命。若将SCR系统布置在SOx洗涤塔之后，由于脱硫之后尾气温度大大降低，也难以满足SCR系统正常工作的温度窗。总之，通过SCR和SO_x洗涤塔串联的方法，无论SCR在SO_x洗涤塔之前或者在SO_x洗涤塔之后，对船舶柴油机尾气污染物进行处理都存在着较大的问题。

通常，在商用SCR催化剂上发生的选择性催化还原反应有以下三个：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O (1)

2NO+2NO₂+4NH₃→4N₂+6H₂O (2)

6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O (3)

反应(1)为标准SCR反应，在260℃～500℃时具有较高的反应速率，能够使NOx的转化率达到90％以上。然而，当温度降低到200℃以下时甚至更低时，该反应的反应速率大幅度下降。反应(2)为快速SCR反应，原因是该反应在较低温度(100～200℃)仍然具有非常高的反应速率。当温度大于200℃时，反应(2)的化学反应速率可达反应(1)的10倍以上。由于柴油机尾气中NO占NO_x含量的大部分，若欲提高SCR系统在低温工况下的NO_x转化率，可对NO_x中的NO进行预氧化，调整NO在NO_x中所占的比例，使NO和NO₂的比例为1:1甚至NO₂的含量超过NO的含量(考虑到反应(3)在低温工况下也具有较高的反应速率)。

采用低温等离子体技术可对尾气中的NO和SO₂进行预氧化，形成硝酸和硫酸，通入由尿素水溶液蒸发分解生成的氨气后可生成铵盐，从而达到脱硫脱硝的目的。柴油机尾气中NO_x和SO_x的含量有较大区别，NO_x的浓度大致在1000ppm～1500ppm范围内，而SO_x浓度大致在20ppm～600ppm范围内，考虑到尾气中的SO₂也可直接与NH₃反应生成硫酸氢氨，当SO_x通过等离子体反应恰好全部脱除时，尾气中可能仍存在大量的NO_x；如果等离子体反应使尾气中全部的NO氧化并与氨气反应生成铵盐，则等离子体发生装置的体积和能耗较大，若减少等离子体发生装置的体积和能耗则导致NO_x处理不完全。当对柴油机尾气噪音有降噪需求时，在尾气管路单独安装一台消声器使得投资和占地空间增大，因此，最佳方案是将柴油机尾气的脱硫、脱硝、降噪和除尘这四个过程统筹考虑，开发具有多功能的复合装置。

专利“等离子体一体化脱硫脱硝除尘的方法及装置(申请号201310472661.X)”的等离子体发生装置采用网状交叉结构的电极对烟气进行电离，该结构等离子体产生空间小，密度相对较低，在气流流速较快的环境尾气在高压电场下的作用时间短，电离效果不佳。

专利“一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝一体化装置(申请号201610293190.X)”采用U型结构的等离子体发生装置，若使尾气中的全部NO氧化，等离子体发生装置的体积和能耗较大，若减少等离子体发生装置的体积和能耗则导致NO_x处理不完全。

专利“低温等离子体预氧化辅助NH₃-SCR净化柴油机NOx的系统(申请号200810041928.9)”采用低温等离子体预氧化柴油机尾气，促使SCR装置内发生快速SCR反应，其等离子体发生装置为同轴式介质阻挡放电反应器，不具备降噪功能。

上述文献中，未见采用等离子体预氧化联合SCR具有脱硫、脱硝、降噪、除尘多功能的复合装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种低温等离子体预氧化联合SCR脱硫脱硝降噪除尘复合装置，节省设备的占地空间和投资，解决低温工况下单独应用SCR脱硝存在的NO_x转化效率低和SCR催化剂硫中毒的问题，降低柴油机尾气排放，同时具备降噪和除尘功能。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种低温等离子体预氧化联合SCR脱硫脱硝降噪除尘复合装置，包括：低温等离子体预氧化装置、尿素供给蒸发装置和SCR装置；

所述的低温等离子体预氧化装置为筒状，筒内由多个电极板分隔成多个扩张室，在电极板上施加有高压交流电，且每块电极板上均插有一根内接管，在最后一个扩张室后连接有集尘器，该集尘器下方设有灰斗和废料槽；

所述的尿素供给蒸发装置包括尿素液罐、尿素泵、蒸发器和喷氨喷嘴，尿素溶液经管道从所述的尿素液罐依次流经所述的尿素泵和蒸发器，待尿素溶液在蒸发器内分解生成氨气后，通过布置在扩张室内的喷氨喷嘴向低温等离子体预氧化装置供给氨气。

进一步地，所述的低温等离子体预氧化装置内安装二至三个电极板，使相邻电极板之间形成一至二个扩张室，电极板的一侧或双侧包裹介质层，电极板上插有一根内接管，相临电极板上的内接管呈180°交错排列，相临电极板之间的距离为L，内接管一端伸出的长度为L/2，另一端伸出的长度为L/4。

进一步地，所述的低温等离子体预氧化装置筒内壁包裹耐高温、阻燃的吸声材料。

进一步地，所述的尿素供给蒸发装置的氨气接入点位于最后一个电极板之前。

本发明原理如下：

采用低温等离子体预氧化联合SCR对柴油机尾气进行脱硫脱硝降噪除尘。该复合装置包括低温等离子体预氧化装置，尿素供给蒸发装置，集尘器和灰斗，SCR装置；在低温等离子体预氧化装置的电极板上施加高压电源，柴油机尾气通过电极板上的内接管进入扩张室并在其内部发生电离，产生大量的强氧化自由基O，OH等离子，将尾气中的NO和SO₂部分氧化为NO₂和SO₃，提高NO₂在NO_x中所占的比例，在SCR装置内实现快速SCR反应，提高低温工况的SCR脱硝率；在有水蒸气存在的情况下NO₂和SO₃会进一步形成硝酸和硫酸，并与尿素水溶液蒸发分解生成的氨气反应生成铵盐气溶胶，烟尘颗粒与铵盐气溶胶在电场的作用下荷电，通过串联在低温等离子体预氧化装置之后的集尘器脱除。

在低温等离子体预氧化装置的电极板上施加高压电源，柴油机尾气通过电极板上的内接管进入扩张室并在其内部发生电离，产生大量的强氧化自由基O，OH等离子，将尾气中的NO和SO₂部分氧化为NO₂和SO₃，提高NO₂在NO_x中所占的比例，在SCR装置内实现快速SCR反应，提高低温工况的SCR脱硝率；在有水蒸气存在的情况下NO₂和SO₃会进一步形成硝酸和硫酸，并与尿素水溶液蒸发分解生成的氨气反应生成铵盐气溶胶，烟尘颗粒与铵盐气溶胶在电场的作用下荷电，通过集尘器脱除。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、集脱硫、脱硝、降噪、除尘多功能于一体，可节省设备的占地空间和投资，解决低温工况下单独应用SCR脱硝存在的NO_x转化效率低和SCR催化剂硫中毒的问题；

2、不仅能够对NO_x和SO_x进行有效的处理，而且能够去除柴油机尾气中的碳烟，且该技术工作温度适中(100～200℃)，远低于柴油机的尾气温度，不需要调整柴油机工作参数，对柴油机工作性能影响较小；

3、采用低温等离子体预氧化装置使尾气电离产生高活性自由基对NO和SO₂进行氧化，由于NO和SO₂的氧化率和所投入的电功率有直接的关系，便于精确控制NO和SO₂氧化率；

4、低温等离子体预氧化装置对NO仅进行预氧化，因此低温等离子体预氧化装置的体积较传统等离子体联合脱硫脱硝技术的体积小、能耗更低；

5、本发明的低温等离子体预氧化装置设计为一个阻抗复合型消声器，可对柴油机尾气在全频率范围降噪。

附图说明

图1是本发明低温等离子体预氧化联合SCR脱硫脱硝降噪除尘复合装置的结构示意图。

图2是本发明的低温等离子体预氧化装置和尿素供给蒸发装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和举例对本发明做更详细地描述：

结合图1和图2，低温等离子体预氧化装置采用介质阻挡放电使柴油机1的尾气发生电离。低温等离子体预氧化装置内安装三个电极板7，使相邻电极板7之间形成二个扩张室8。由于柴油机尾气降噪应主要针对高频噪声，因此扩张室8不易设置的过多，避免高频噪声幅值降低的效果不佳，实际应用中扩张室8可设置一至二个。电极板7的双侧包裹介质层9，在电极板7上施加高压交流电2，电极板7间的尾气被击穿发生电离，介质阻挡放电可在0.1bar～10bar的气压下工作，适用于柴油机尾气。电极板7上插有一根内接管12，相临电极板7上的内接管11呈180°交错排列，以增加尾气在低温等离子体预氧化装置内的停留时间，使尾气在高压电场下充分电离。低温等离子体预氧化装置设计为一个阻抗复合型消声器，其筒内壁包裹耐高温、阻燃的吸声材料10，相临电极板7之间的距离为L，内接管12一端伸出的长度为L/2，另一端伸出的长度为L/4，可对柴油机1的尾气在全频率范围降噪。

尾气在高压电场的作用下发生电离，产生大量的强氧化自由基O，OH等离子，将尾气中的NO和SO₂部分氧化为NO₂和SO₃，在有水蒸气存在的情况下NO₂和SO₃会进一步形成硝酸和硫酸。尿素水溶液蒸发供给装置包括尿素液罐6、尿素泵5、蒸发器4和喷氨喷嘴3，尿素水溶液在蒸发器4中受热蒸发分解生成氨气，在第二个扩张室8中与硝酸和硫酸反应生成铵盐气溶胶。烟尘颗粒与铵盐气溶胶在电场的作用下荷电，由串联在低温等离子体预氧化装置之后的集尘器11捕集并在自重和振动的作用下跌落在下方的灰斗13中，定期对灰斗13进行清理，将收集的烟尘颗粒和铵盐泄放至废料槽14。

流经集尘器之后的尾气仍含有大量的NO_x，经过上游的等离子体预氧化装置对尾气进行脱硫，降低了尾气中SO_x对SCR催化剂的毒害作用，并且增加了NO₂在NO_x中所占的比例，使SCR装置15内发生快速SCR反应，提高了低温工况的SCR脱硝率，最终在SCR装置15的下游得到净化的尾气。

经试验表明，柴油机尾气在扩张室内发生电离产生大量的强氧化自由基，将尾气中的NO和SO₂部分氧化，在有水蒸气存在的情况下形成硝酸和硫酸，并与尿素水溶液蒸发分解生成的氨气反应生成铵盐气溶胶。烟尘颗粒与铵盐气溶胶在电场的作用下荷电，通过串联在低温等离子体预氧化装置之后的集尘器脱除。经过上游的等离子体预氧化装置对尾气进行脱硫，降低了尾气中SO_x对SCR催化剂的毒害作用，并且增加了NO₂在NO_x中所占的比例，使SCR装置内发生快速SCR反应，提高了低温工况的SCR脱硝率，最终在SCR装置下游得到净化的尾气。