一种船舶尾气一体化处理装置的制作方法

本发明属于大气污染控制和海洋船舶尾气排放控制技术领域，具体是涉及一种基于电子束法的船舶尾气一体化处理装置。

背景技术：

随着海洋(内河)运输船舶数量的不断增加，船舶尾气的排放对大气及水体造成的污染和危害也日趋严重。船舶内燃机排放的尾气主要以二氧化硫SO₂和氮氧化物NO_X为主，据此国际海事组织(IMO)制定了一系列的船舶防污染公约，以限制船舶尾气的排放量及规范燃油的使用，加强对大气及海洋生态环境的保护。目前，针对船舶尾气处理技术的研究尚不成熟，存在诸多缺点，大多是基于工业烟气脱硫脱硝技术上开展研究的，对于其应用于船舶尾气的处理尚需巨大改进。因而针对船舶尾气处理的新技术迫切需要大规模开展。

目前单一处理船舶柴油机尾气的技术有很多，如：船舶尾气排放NO_X处理技术，采用催化还原技术(稀燃NO_X催化还原、选择性催化还原NO_X、NO_X吸附还原催化)等；船舶尾气排放SO₂处理技术，采用石灰石—石膏法等；船舶内燃机排放颗粒处理技术，采用捕捉器收集等方法。各种船舶尾气处理方法，都不能很好地将船舶尾气一体化处理。即使有目前市场上有能将船舶尾气一体化处理的技术，也存在设备庞大、初投资和运行费用高等缺点，及存在较多局限性，很难推广应用于船舶尾气处理上。

中国专利申请：201010110500.2，“一种新型船舶尾气处理装置”，它包含抽水泵、电催化处理单元、储槽、雾化装置、气液反应装置、固液分离装置、冷凝回流装置、废气入口和泵，其采用抽取海水清洗废气的方法，由于天然海水的盐度相对较低，电解海水法脱硫产生的碱液的浓度也相应较低，因此对于硫含量高的燃油燃烧产生的尾气来说，处理效果不好。

中国专利申请：201610297821.5，“一种船舶柴油机尾气脱硫脱硝联合处理装置”，包括柴油机、涡轮增压器、余热锅炉、尾气洗涤塔等，该套系统中包含的压气机、余热锅炉等设备，体积庞大，应用于船舶上的局限性较大，不适合推广，且该套系统是简单地将脱硫及脱硝两个过程串联，故其所需要的空间较大。

中国专利申请：201410743597.9，“一种烟气脱硫脱硝的方法、装置及其用途”，提供了一种采用紫外线照射配合电子束辐照的烟气脱硫脱硝装置，但是其针对的是固定污染源设计的，着重采用紫外线照射配合电子束辐照，以解决烟气中的二恶英成分。但是该套装置不适合用于船舶上有效空间。

为了解决以上技术难点，本发明提供了一种基于电子束法的船舶尾气一体化处理装置，该装置可实现同时脱硫脱硝脱碳除尘除碳氢化合物一体化，且具有体积小、成本低，应用前景广等优点。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于电子束法的船舶尾气一体化处理装置，该装置采用电子束对船舶尾气中SO₂、NOx进行辐射，使SO₂、NOx氧化，再与反应器中的氨气进行中和反应，得到的副产物(NH₄)₂SO₄、NH₄NO₃可用于农业肥料，实现了废物再利用。且该装置的冷却塔前端的管路采用由不锈钢316L材质掺杂一定量的铂(Pt)或钯(Pd)等贵金属材料，可提高HC、CO催化氧化为CO₂、H₂O的效率，从而实现船舶尾气脱硫脱硝脱碳除尘除碳氢化合物一体化处理。该装置具有结构简单、体积小、成本低、运行稳定可靠等特点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种船舶尾气一体化处理装置，包括尾气前处理系统、反应系统、反应物收集系统，船舶尾气经过尾气前处理系统、反应系统后进入反应物收集系统，所述的反应系统包括电子束发生器，所述的反应物收集系统包括集尘器。

上述的船舶尾气一体化处理装置中，所述的反应系统还包括反应器和喷氨器。

上述的船舶尾气一体化处理装置中，所述的喷氨器和电子束发生器分别连接至反应器，且喷氨器和电子束发生器设置在反应器的相对两侧。

上述的船舶尾气一体化处理装置中，所述的反应器入口还设置有流速仪。

上述的船舶尾气一体化处理装置中，所述的尾气前处理系统还包括依次连接的除尘器和冷却装置。

上述的船舶尾气一体化处理装置中，所述的除尘器和冷却装置之间设置有第二电动阀，除尘器和第二电动阀之间设置有排空管路，排空管路上设置有第一电动阀。

上述的船舶尾气一体化处理装置中，所述的冷却装置包括冷却塔、喷淋器、第三电动阀、液体流量计、泵、温度传感器和压力传感器。

上述的船舶尾气一体化处理装置中，所述的反应物收集系统还包括造粒机，集尘器的出料口连接至造粒机。

上述的船舶尾气一体化处理装置中，所述的反应物收集系统还包括引风机、烟气分析仪、第四电动阀和第五电动阀，集尘器的排气口连接至引风机，引风机出口通过第四电动阀连接至冷却装置、通过第五电动阀排空，烟气分析仪设置在引风机出口。

上述的船舶尾气一体化处理装置中，所述的冷却装置前的管路中设置有铂或钯贵金属催化剂。

有益效果

(1)本装置是一套适用于船舶系统的船舶尾气一体化处理装置，采用电子束对船舶尾气进行处理的同时，还设置有反应物收集系统，对反应产品进行回收。

(2)本专利在集尘器前端管路及集尘器与冷却塔之间的管路，材质为不锈钢316L材质掺杂一定量的铂(Pt)或钯(Pd)等贵金属材料，其作用为作为催化剂提高HC、CO催化氧化为CO₂、H₂O的效率。

(3)本装置的冷却塔系统，可智能根据操作人员设定的温度来调节流量计流量，从而控制喷淋器中的冷却水的流量，保证冷却塔中温度传感器与设定范围内变化，且冷却塔中的压力监控与报警，可通过紧急排空，防止系统故障时，出现意外状况。

(4)本装置将船舶尾气中SO₂、NOx、CO₂在反应器中分别与NH3及自由基等反应，生成副产物NH₄HCO₃、(NH₄)₂SO₄、NH₄NO₃，副产物不造成二次污染，可作为农业肥料，实现了废物再利用；

(5)本装置通过流速仪测量船舶尾气在反应器中的流速V₁，控制系统控制喷氨器出口的氨气流速为V₂≥V₁，在反应器将船舶尾气及氨气形成紊动射流，保证SO₂、NOx的充分氧化反应，提高SO₂、NOx转化率。

(6)本装置可实时监测船舶尾气处理后SO₂、NOx的指标，智能控制未达标尾气再循环处理，确保船舶排放的尾气不造成大气污染。

(7)本装置同时实现了船舶尾气脱硝脱硫脱碳除尘除碳氢化合物一体化处理，集多种组分的船舶尾气处理一体化，且该装置体积小、结构简单、成本低，便于推广。

附图说明

图1为船舶尾气一体化处理装置系统结构示意图。

图2为船舶尾气一体化处理装置控制系统流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的结构示意图如图1所示，一种船舶尾气一体化处理装置，包括尾气前处理系统、反应系统、反应物收集系统，船舶尾气依次经过尾气前处理系统、反应系统后进入反应物收集系统，其中，反应系统包括电子束发生器10，反应物收集系统包括集尘器14，在反应物收集系统对反应产物进行收集，并对反应后达标的气体排放。

以下分别结合附图对每个部分进行说明。

尾气前处理系统由除尘器1、第一电动阀2、第二电动阀3、冷却装置组成。正常工况下，需要对船舶尾气进行处理时，第一电动阀2为常闭状态，第二电动阀3为常开状态。船舶尾气通过管道首先进入除尘器1，过滤去除烟气中的粉尘、颗粒物，除尘器1通过第二电动阀3连接至冷却装置，除尘器1另通过第一电动阀2连接排空管路。

作为优选的技术方案，除尘器1与船舶尾气出口连接的管道、除尘器1与冷却装置之间连接的管路可采用不锈钢316L材质，并掺杂一定量的铂(Pt)或钯(Pd)等贵金属材料，由于此时烟气温度较高，因此可以提高HC、CO催化氧化为CO₂、H₂O的效率。冷却装置由冷却塔4、喷淋器、第三电动阀7、液体流量计6、泵5、温度传感器8、压力传感器9组成，第三电动阀7为常开状态，喷淋器设置在冷却塔4的内部，温度传感器8、压力传感器9可实时测量冷却塔4内部温度和压力，喷淋器、第三电动阀7、液体流量计6、泵5串联连接。

其工作流程为：若异常状态时，如冷却装置等后端系统出现故障，需要紧急排空时，第二电动阀3关闭，第一电动阀2开启，船舶尾气经过除尘器1后直接排空。当船舶尾气需要脱硫脱硝脱碳处理时，第一电动阀2关闭，第二电动阀3开启，船舶尾气出口的温度一般260～280℃，甚至更高，管道中的铂(Pt)或钯(Pd)等贵金属材料作为催化剂，将尾气中的HC、CO部分进行氧化还原，生成CO₂、H₂O，且尾气经过除尘器1后，尾气中的尘粒被脱除，尾气进入冷却塔4。此时，冷却装置中的泵5、液体流量计6、第三电动阀7开启，冷却水通过喷淋器与船舶尾气进行充分接触，对其进行降温处理；根据温度传感器8反馈的温度值，可以动态调整经过液体流量计6的冷却水流量大小，使得冷却后的烟气温度维持在预设值。

反应系统包括反应器11、流速仪13、喷氨器12、电子束发生器10。流速仪13安装于反应器11的入口处，用于测量船舶尾气在反应器11中的流速V₁，喷氨器12的出口与反应器11相连，电子束发生器10的出口与反应器11相连，且喷氨器12和电子束发生器10设置在反应器11的相对两侧，喷氨器12出口的氨气流速为V₂；为达到更好的处理效果，使得反应器11中的船舶尾气及氨气形成紊动射流，保证SO₂、NOx的充分氧化，使V₂≥V₁。其工作原理为：船舶尾气在冷却塔4中降温后，进入反应器11，流速仪13测量船舶尾气在反应器中的流速V₁，电子束发生器对反应器11中船舶尾气中的SO₂、NOx、O₂、H₂O进行辐射，形成自由基：·OH、·O、HO₂·，和形成反应物：HNO₃、H₂SO₄，其化学反应过程如下：

NH₃+H₂O+CO₂＝NH₄HCO₃ (2)

H₂SO₄+2NH₃→(NH₄)₂SO₄ (5)

HNO₃+NH₃→NH₄NO₃ (6)

在反应器11中，CO₂、SO₂、NOx都将进行充分的反应，有效地对船舶尾气进行脱硫脱硝脱碳处理，最后形成的产物为NH₄HCO₃、(NH₄)₂SO₄、NH₄NO₃皆可作为农用肥料，不会造成二次污染，形成了废物利用。

本发明的反应物收集系统由集尘器14、造粒机15、引风机16、第四电动阀19、第五电动阀18、烟气分析仪17组成。其中：集尘器14的入气口与反应器11的出口相连接，集尘器14的出料口与造粒机15的入口相连接，集尘器14的出气口与引风机16入口相连接，引风机16的出口分别与烟气分析仪17相连、经过第五电动阀18排空以及通过第四电动阀19与冷却塔4的相连。集尘器14的作用为将反应器11中反应生成的产物NH₄HCO₃、(NH₄)₂SO₄、NH₄NO₃进行收集，并经造粒机15进行整合成块，便于收集、运输，从而达到废物再利用的作用。烟气分析仪17的作用为：在线监测经过处理后的船舶尾气中的SO₂、NOx的量。船舶尾气中的CO₂、SO₂、NOx在反应器11反应后形成产物NH₄HCO₃、(NH₄)₂SO₄、NH₄NO₃，经过集尘器14处理收集后，由造粒机15进行整合成块，船舶尾气经过引风机16抽出，烟气分析仪17在线实时监测船舶尾气中的SO₂、NOx，当SO₂、NOx中任一项值超过设定值时，第四电动阀19由常闭变为常开，第五电动阀18由常开变为常闭，船舶尾气再次回到冷却塔4循环处理，直至尾气中的SO₂、NOx达到标准设定值以下，第四电动阀19关闭，第五电动阀18开启，达标后的船舶尾气排空。

本发明的控制系统流程图如图2所示，控制系统20由工控机、PLC、继电器组组成。控制系统20分别控制尾气前处理系统、反应系统、反应物收集系统的工作，实现操作人员远程实时监控系统的工作情况，并且可以远程控制系统的工作状态，保证系统安全可靠的运行。

若异常状态时，如冷却装置等后端系统出现故障，需要紧急排空时，第二电动阀3关闭，第一电动阀2开启，船舶尾气经过除尘器1后直接排空。当船舶尾气需要脱硫脱硝脱碳处理时，第一电动阀2关闭，第二电动阀3开启，船舶尾气出口的温度一般260～280℃，甚至更高，管道中的铂(Pt)或钯(Pd)等贵金属材料作为催化剂，将尾气中的HC、CO部分进行氧化还原，生成CO₂、H₂O，且尾气经过除尘器1后，尾气中的尘粒被脱除，尾气进入冷却塔4。此时，冷却装置中的泵5、液体流量计6、第三电动阀7开启，冷却水通过喷淋器与船舶尾气进行充分接触，对其进行降温处理；根据温度传感器8反馈的温度值，可以动态调整经过液体流量计6的冷却水流量大小，使得冷却后的烟气温度维持在预设值。

本实施例的装置，若异常状态时，如冷却装置等后端系统出现故障，需要紧急排空时，第二电动阀3关闭，第一电动阀2开启，船舶尾气经过除尘器1后直接排空。常规状态下，默认船舶尾气为不洁净，即第一电动阀2为常闭，第二电动阀3为常开，船舶尾气需要处理时，冷却装置开启，此时喷淋器喷洒冷却水将船舶尾气进行降温，且控制系统实时监控冷却塔内的温度与压力，当压力信号超过设定值时，按照异常状态处理，第二电动阀3关闭，第一电动阀2开启，船舶尾气经过除尘器1后直接排空；压力值正常时，尾气正常进入反应系统，CO₂、SO₂、NOx在反应器中分别与NH₃及自由基等反应，生成副产物NH₄HCO₃、(NH₄)₂SO₄、NH₄NO₃，副产物再由反应物收集系统进行收集。尾气在排空前，由烟气分析仪17进行在线实时监测SO₂、NOx的指标，当任一项值超过设定值时，第四电动阀19开启，第五电动阀18关闭，船舶尾气再循环处理，当SO₂、NOx的指标在设定值以下时，船舶尾气直接排空。