船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供的是一种船舶柴油机NOX和SOX联合减排装置。在非氮氧化物排放控制区，工作在非EGR模式，从排气歧管来的废气驱动涡轮做功，带动压气机压缩空气，通过扫气箱进入发动机参与燃烧；当船舶在氮氧化物排放控制区航行时，工作在EGR模式，部分废气从排气歧管中引出，通过冷却和洗涤，降低温度并除去其中的颗粒和SOX，再经EGR风机增压，与新鲜空气混合，降低发动机的NOX生成和排放量，满足IMO有关NOX排放的Tier III标准；在硫排放控制区或港口时，工作在洗涤模式，废气经洗涤脱硫装置脱硫后排入大气，满足IMO对船舶燃油硫含量的要求；在非硫排放控制区和非港口区域时，工作在非洗涤模式，排放的废气直接排入环境大气。
【专利说明】船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及的是一种船舶废气污染物排放控制装置，具体涉及到为满足国际海事组织(MO)有关船舶废气污染物排放法规的船舶柴油机NOx和SOx的联合控制装置。
【背景技术】
[0002]为减少船舶营运成本，海洋运输船舶使用高硫重油，发动机燃烧产生的NOx和SOx对海洋大气和港口环境产生了严重危害。
[0003]IMO和欧美等发达国家都对船舶发动机废气中的NOx和SOx排放进行了严格的限制。
[0004]目前，常用的NOx减排措施主要包括机内减排措施和机外减排措施。机内减排措施是通过一定的方法，例如缸内延迟喷油、改进喷油规律、降低进气温度、缸内喷水等，改变缸内燃烧，减少缸内NOx生成，最终减少发动机的NOx排放；机外减排NOx措施，主要是SCR后处理技术，利用还原剂还原柴油机排气管中的NOx，使之变为无害的N2，最终减少发动机的NOx排放。相对而言，上述机内减排措施比较容易实现，但减排效果有限；机外减排SCR技术，减排效果好，能满足頂O的NOx排放要求，但后处理装置体积庞大，减少了船舶的有效空间，同时SCR的运行和维护成本也较高。
[0005]作为一种有效的柴油机NOx减排措施，废气再循环(EGR)技术通过将一部分废气从排气歧管中引出，经过降温、去除颗粒等过程，进入发动机扫气箱，再分配给发动机各气缸参与燃烧，由于再循环的废气中含有一定量的0)2和H2O，降低了发动机缸内工质的比热，同时再循环废气降低了缸内氧气浓度，降低了发动机燃烧温度，从而降低了发动机的NOx生成和排放量；EGR技术由于能满足MO有关NOx的Tier III排放标准，且其体积和成本均远小于SCR系统，是一种有前途的船舶柴油机NOx排放控制技术。
[0006]船舶SOx减排技术，主要包括采用低硫燃油和废气洗涤技术两种。相对而言，采用低硫燃油比较方便，对船舶改动较小，可以满足頂O对船舶燃油硫含量的要求，但船用高低硫燃油之间差价巨大，使用低硫燃油成本太高，同时现有发动机使用低硫燃油存在粘度过低、润滑性差、容易磨损等问题，对发动机有一定的损害，且低硫燃油在炼制过程中会产生大量的CO2，加剧全球温室效应。
[0007]作为MO认可的一种除去船舶废气中SOx的有效方法，废气洗涤技术通过对燃用低质高硫重油产生的废气进行清洗，除去其中的SOx，满足IMO有关燃油硫含量的要求。废气洗涤运行成本低，但洗涤装置也存在体积较大，运行和维护需一定费用的问题。
[0008]目前，对船舶废气NOx、SOx的研宄和处理，都是分开单独进行，即使用两套不同设备，分别对NOx和SOx进行处理。这种废气串联处理方法，设备体积巨大，背压高，对发动机正常工作影响较大，设备投资和运行费用都很高。
[0009]迄今为止，国内外尚无一个能对船舶柴油机排放的NOx和SOx进行一体化处理的装置，使在满足頂O有关NOx和SOx排放要求的基础上，缩减排放控制设备体积和成本，并减少减排设备对船舶营运费用和有效空间的影响。
【发明内容】
[0010]本实用新型的目的在于提供一种能有效地改善发动机燃烧状况，降低缸内燃烧温度，减少柴油机的NOx生成和去除废气中的SOx，实现同时降低发动机废气中的NOx和SOx，满足MO法规对船舶柴油机NOx和SOx排放的限制的船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置。
[0011]本实用新型的船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置包括在与柴油机的排气管相连的排气歧管和与油机的进气管相连的扫气箱之间连接的进气系统，所述进气系统包括连通到排气歧管的涡轮、由涡轮驱动的压气机、连接于压气机出口与扫气箱之间的空气中间冷却器，在与柴油机的排气管相连的排气歧管和柴油机的进气管相连的扫气箱之间还连接EGR系统，所述EGR系统包括通过第二单向截止阀与排气歧管连接的预洗涤器、连接在预洗涤器后的EGR冷却器、连接在EGR冷却器后的EGR洗涤器、连接在EGR洗涤器后的EGR水滴捕集器，EGR水滴捕集器的出口连接风机，风机的出口通过第三单向截止阀与扫气箱相连，所述进气系统还包括连接于压气机出口和排气歧管之间的包含第一单向截止阀的压缩空气旁通通路，在涡轮进出口之间设置废气旁通管路，废气旁通管路上设置第四单向截止阀，废气旁通管路连接余热锅炉，余热锅炉后通过三通阀连接废气洗涤装置或直接连通大气。
[0012]本实用新型的船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置还可以包括:
[0013]1、在空气中间冷却器与扫气箱之间设置空气水滴捕集器。
[0014]2、所述预洗涤器和EGR洗涤器采用一级或多级喷淋塔结构，或采用填料塔结构。
[0015]针对现有船舶柴油机排放控制技术的不足，本实用新型提出一种用于船舶柴油机NOx和SOx联合脱除的方法和装置，它能有效地改善发动机燃烧状况，降低缸内燃烧温度，减少柴油机的NOx生成和去除废气中的S0X，实现同时降低发动机废气中的NOx和SOxj^足MO法规对船舶柴油机NOx和SOx排放的限制。本实用新型的技术方案的主要特点体现在:
[0016]本实用新型的船舶柴油机NOx和SOx排放控制装置包含柴油机系统和附属于与柴油机系统的EGR装置及废气洗涤装置。所述EGR装置连接到排气歧管和扫气箱，其中设有单向截止阀、废气预洗装置、EGR冷却器、EGR洗涤器和EGR风机。所述的废气洗涤装置通过三通阀与余热锅炉排气出口相连。
[0017]在所述柴油机系统中，在空气中间冷却器后增设水滴捕集器。
[0018]在所述柴油机系统中，增设涡轮废气旁通通路，连通涡轮进出口。
[0019]在所述柴油机系统中，增设压缩空气旁通通路，连通压气机出口和涡轮入口。
[0020]在所述柴油机系统中，非再循环的废气，经余热锅炉后，通过三通阀，或去废气洗涤装置洗涤或直接排入大气。
[0021]在所述联合减排装置中，所述废气预洗装置、EGR洗涤器和废气洗涤装置采用一级或多级喷淋塔结构，或采用填料塔结构。
[0022]本实用新型的船舶柴油机NOx和SOx联合减排控制方法的主要特点为:
[0023]将具有EGR装置的船舶柴油机分为两种工作模式，非EGR模式和EGR模式。
[0024]非EGR模式:船舶在非氮氧化物排放控制区航行时，发动机运行在非EGR模式，即关闭EGR通路中单向截止阀，EGR装置不投入运行；此时柴油机的废气通过排气歧管全部通入涡轮，做功驱动压气机工作，压缩新鲜空气，压缩空气经过空气中间冷却器降温，进入水滴捕集器，去除其中所含水滴，进入扫气箱，再由进气管，进入柴油机参与燃烧；非EGR模式下，压缩空气旁通通路中单向截止阀关闭，当发动机高负荷工作时，开启涡轮废气旁通通路中单向截止阀，旁通多余废气。
[0025]EGR模式:船舶在氮氧化物排放控制区航行时，发动机运行在EGR模式，即开启EGR通路中单向截止阀，EGR装置投入运行；此时柴油机大部分废气仍通入涡轮；其余废气通过单向截止阀流入EGR通路，经废气预洗装置降低废气温度并除去部分颗粒，再经EGR冷却器降低废气温度，进入EGR洗涤器除去废气中颗粒和SOx，再由水滴捕集器消除废气携带的水滴，废气通过EGR风机加压，经单向截止阀，进入扫气箱，和由进气通路过来的加压新鲜空气混合，混合气通过进气管，进入发动机参与燃烧，降低发动机NOx的生成和排放量；EGR模式下，涡轮废气旁通通路中单向截止阀关闭，开启压缩空气旁通通路中单向截止阀，由压气机向涡轮补充部分压缩空气。
[0026]EGR模式下，通过EGR风机调整再循环的废气流量(即EGR率)，实现在不同发动机工况下，发动机NOx排放都能满足MO Tier III的要求。
[0027]涡轮废气旁通通路中单向截止阀在非EGR模式下开启，用于旁通柴油机多余废气，提高发动机效率。
[0028]压缩空气旁通通路中单向截止阀在EGR模式下开启，用于向涡轮补充部分压缩空气，提高涡轮的输出功率。
[0029]按废气洗涤装置是否工作，将船舶柴油机系统分为两种运行模式，非洗涤模式和洗涤模式。
[0030]非洗涤模式:当船舶在非硫排放控制区和非港口区域航行时，非再循环的废气，经过余热锅炉回收能量后，经三通阀，由废气旁通通路直接排入环境大气。
[0031]洗涤模式:当船舶在硫排放控制区或港口区域航行时，非再循环的废气，经过余热锅炉回收能量后，经三通阀，由废气洗涤脱硫通路流入废气洗涤装置，洗涤脱去其中SOx和颗粒，经洗涤装置顶部除雾器去除水滴后，排入环境大气。
[0032]当船舶废气洗涤装置维修或出现故障时，废气经三通阀，由废气旁通通路直接排入大气环境。
[0033]与现有技术相比，本实用新型的优势在于:
[0034]1.本实用新型采用的一种船舶柴油机NOx和SOx联合减排系统满足即将开始实施的IMO有关船舶废气排放标准，即在排放控制区和非排放控制区均能满足IMO有关NOx和燃油硫含量的要求。
[0035]2.与SCR联合废气洗涤技术方案相比，本实用新型采用的船舶柴油机NOx和SOx联合减排系统体积小，节省船舶有效空间，投资成本和运行费用低，对发动机影响小。
[0036]3.再循环废气进入发动机燃烧室之前，经洗涤器、除雾器，除去废气中的SOx和大部分颗粒，使废气得到净化，减少了进入柴油机气缸的颗粒含量，避免了发动机的磨损，同时显著改善了燃烧条件，通过调整发动机参数，可使柴油机动力、经济性能和排放性能都得到提尚。
[0037]4.再循环废气经洗涤后，温度得以降低，增加了发动机的进气量，可以保证发动机功率。
[0038]5.再循环低温废气中含有0)2和水蒸气，进入发动机后，增加了缸内工质中的CO2及水蒸气含量，减少了缸内氧浓度，提高了缸内工质的比热，降低了燃烧温度，进而降低了NOx的生成量。
[0039]6.由于使用一套装置同时脱除发动机废气中的NOx和SOx，本实用新型装置的体积和重量要明显小于分别进行脱硫和脱硝的装置的体积和重量之和，运行和维护费用要小得多。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为本实用新型的船舶柴油机NOx和SOx联合减排系统示意图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合图1对本实用新型进行详细地描述。
[0042]本实用新型的船舶废气NOx和SOx联合减排系统适合于船舶动力装置，该动力装置具有:柴油机1，通过排气管2连接到柴油机I上的排气歧管3，设置在进气通路上的空气中间冷却器15和水滴捕集器16，连通到排气歧管3的涡轮12，以及设置在进气通路上的压气机13 ；进气通路连通压气机13出口和扫气箱17，包含空气中间冷却器15和水滴捕集器16 ;含有单向截止阀11的涡轮废气旁通通路直接连接涡轮12入口和余热锅炉19入口 ；包含单向截止阀14的压缩空气旁通通路直接连接压气机13出口和涡轮12入口 ；由三通阀20控制的废气洗涤脱硫通路和废气旁通通路。
[0043]EGR装置包括:连通排气歧管3和扫气箱17的EGR通路，设置在EGR通路上的用于控制EGR开启和废气流向的单向截止阀4 ;设置在EGR通路上，用于初步冷却废气并预洗颗粒的废气预洗装置5 ;设置在EGR通路上，在废气预洗装置5后，用于冷却EGR废气的EGR冷却器6 ;在EGR冷却器6后，用于洗涤EGR废气中颗粒和SOx的洗涤器7 ;在洗涤器7后，用于捕集洗涤后EGR废气中水滴的水滴捕集器8 ;设置在EGR通路中，用于对EGR废气增压的EGR风机9 ;设置在EGR通路中，用于控制EGR通路开闭和废气流向的单向截止阀10。
[0044]本实用新型的EGR系统分两种工作模式，非EGR模式和EGR模式。
[0045]非EGR模式:船舶在非氮氧化物排放控制区运行时，发动机运行在非EGR模式，即EGR通路中单向截止阀4和10关闭，EGR装置不投入运行；此时柴油机I的废气通过排气歧管3全部通入涡轮12，在涡轮12中膨胀做功，驱动压气机13工作，压气机13压缩新鲜空气，压缩空气经过空气中间冷却器15降温，进入水滴捕集器16，去除其中所含水滴，进入扫气箱17，再通过进气管18，进入柴油机1，参与燃烧；非EGR模式下，压缩空气旁通通路中单向截止阀14关闭，当发动机高负荷工作时，柴油机废气量过剩，开启涡轮废气旁通通路中单向截止阀11，旁通多余废气，提高发动机效率。
[0046]EGR模式:船舶在氮氧化物排放控制区运行时，发动机运行在EGR模式，即EGR通路中单向截止阀4和10开启，EGR装置投入运行；此时柴油机I大部分废气仍通入涡轮12 ;其余废气通过单向截止阀4流入EGR通路，经废气预洗装置5，降低废气温度并除去部分颗粒，经EGR冷却器6，降低废气温度，进入EGR洗涤器7，除去废气中颗粒和SOx，再由水滴捕集器8，消除废气携带的水滴，通过EGR风机9加压，经单向截止阀10，进入扫气箱17，和由进气通路B过来的加压新鲜空气混合，混合气通过进气管18，进入船舶二冲程柴油机I参与燃烧，降低发动机NOx的生成和排放量；EGR模式下，由于EGR通路开启，分流部分废气，使流经涡轮12的废气流量不足，此时关闭涡轮废气旁通通路中单向截止阀11，同时开启压缩空气旁通通路中单向截止阀14，由压气机13向涡轮12补充部分压缩空气，提高涡轮12的输出功率。EGR模式下，通过EGR通路中的EGR风机9调整再循环的废气流量(即EGR率)，实现在不同发动机工况下，发动机NOx排放都能满足MO Tier III的要求。
[0047]涡轮废气旁通通路中单向截止阀11在非EGR模式下开启，在非EGR模式下关闭，气流方向从排气歧管3到余热锅炉19。
[0048]压缩空气旁通通路中单向截止阀14在非EGR模式下关闭，在EGR模式下开启，气流方向从压气机13出口到涡轮12入口。
[0049]EGR通路中单向截止阀4和10在非EGR模式下关闭，在EGR模式下开启，气流方向分别为从排气歧管3流向废气预洗装置5和从EGR风机9流向扫气箱17。
[0050]按废气洗涤装置21是否投入运行，船舶柴油机系统分为两种运行模式，非洗涤模式和洗涤模式。
[0051]非洗涤模式:当船舶在非硫排放控制区和非港口区域航行时，非再循环的废气，经过余热锅炉19回收能量后，经三通阀20，由废气旁通通路直接排入环境大气。
[0052]洗涤模式:当船舶在硫排放控制区或港口区域航行时，非再循环的废气，经过余热锅炉19回收能量后，经三通阀20，由废气洗涤脱硫通路流入废气洗涤装置21，洗涤脱去其中SOx和颗粒，经洗涤装置顶部除雾器去除水滴后，排入环境大气。
[0053]当船舶废气洗涤装置维修或出现故障时，废气经三通阀20，由废气旁通通路直接排入大气环境。
【权利要求】
1.一种船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置，包括在与柴油机的排气管相连的排气歧管和与油机的进气管相连的扫气箱之间连接的进气系统，所述进气系统包括连通到排气歧管的涡轮、由涡轮驱动的压气机、连接于压气机出口与扫气箱之间的空气中间冷却器，其特征是:在与柴油机的排气管相连的排气歧管和柴油机的进气管相连的扫气箱之间还连接EGR系统，所述EGR系统包括通过第二单向截止阀与排气歧管连接的预洗涤器、连接在预洗涤器后的EGR冷却器、连接在EGR冷却器后的EGR洗涤器、连接在EGR洗涤器后的EGR水滴捕集器，EGR水滴捕集器的出口连接风机，风机的出口通过第三单向截止阀与扫气箱相连，所述进气系统还包括连接于压气机出口和排气歧管之间的包含第一单向截止阀的压缩空气旁通通路，在涡轮进出口之间设置废气旁通管路，废气旁通管路上设置第四单向截止阀，废气旁通管路连接余热锅炉，余热锅炉后通过三通阀连接废气洗涤装置或直接连通大气。
2.根据权利要求1所述的船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置，其特征是:在空气中间冷却器与扫气箱之间设置空气水滴捕集器。
3.根据权利要求1或2所述的船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置，其特征是:所述预洗涤器和EGR洗涤器采用一级或多级喷淋塔结构，或采用填料塔结构。
【文档编号】F02B75/10GK204253221SQ201420652247
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】周松, 刘佃涛, 杨军, 张贺付, 朱元清 申请人:哈尔滨工程大学