本发明涉及一种尾气脱硫脱硝一体化装置及方法，尤其涉及一种船舶尾气脱硫脱硝一体化装置及方法，属于船舶柴油尾气处理技术领域。
背景技术：
船舶柴油机燃用重油，在工作过程中会产生大量的no和so2，这些气体会对自然环境和人体健康构成极大威胁。国际海事组织(imo)对于船舶排放一直以来都有严格的控制标准，众多科研机构对于船舶尾气控制技术进行了大量研究，取得了很多科研成果。
目前船舶柴油机脱硝主要是采用催化还原(scr)技术，脱硫主要是采用湿法洗涤脱除技术。scr技术和湿法洗涤脱除技术存在占地面积大、初投资成本高、耗能大、运行维护成本高等问题。船舶尾气脱硫脱硝一体化技术具有占地面积小、耗能低、运行维护方便等优点。因此，众多科研机构致力于脱硫脱硝一体化技术的研发，提出了多种一体化脱除技术，但是在技术上存在诸多问题。
在申请号为201010299518.1的专利《一种用于海洋船舶尾气一体化脱硫脱硝的方法》中采用等离子体的方法将废气中的no和so2经过除雾加湿和等离子氧化最终转化为硝酸和硫酸，最终在洗涤塔中转变为硝酸盐和硫酸盐，从而实现尾气净化。相比于臭氧氧化，等离子体法耗能较低，但等离子体技术相比其他技术耗能依然较高。其次，烟气中的灰分会污染放电电极，容易造成等离子体发生器失效。该技术的最终产物为硝酸盐和硫酸盐，imo对于硝酸盐排海有严格的控制标准，因此该发明在应用中存在较大问题。
在申请号为201210532709.7的专利《一种船用燃机烟气脱硫脱硝一体化方法及设备》中采用二氧化氯的方法脱除so2和no，该技术中二氧化氯由二氧化氯发生器产生，二氧化氯发生器系统组成较为复杂，用于制备二氧化氯的原材料具有很强的氧化性，属于高度危险的化学品，该原材料在船舶上的储存有很大困难。二氧化氯溶液的氧化性较强，容易使洗涤塔出现腐蚀，造成系统寿命下降。此外，二氧化氯溶液具有很强的刺激性气味，长期使用会严重污染船员的生活环境。
在申请号为201611256827.4的专利《一种低温等离子体预氧化联合scr脱硫脱硝除尘降噪复合装置》中利用低温等离子体技术联合scr系统实现尾气净化，该发明中低温等离子体技术耗能较高，放电电极会由于烟气中的灰分而失效。由于该发明有两台反应器，因此系统需占据较大的船舶有效空间。
技术实现要素：
本发明的目的是为了开发高效、经济、能够满足imo排放标准的一体化技术而提供的一种钠碱法船舶尾气脱硫脱硝一体化装置及方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种钠碱法船舶尾气脱硫脱硝一体化装置，包括no氧化器3、洗涤塔4、废水处理主反应器14、中和反应器21，
船舶柴油机1连通烟气三通阀2，烟气三通阀2的一路连通到大气，另一路通过no氧化器3连接洗涤塔4的底部；洗涤塔4通过废水驳运泵13与废水处理主反应器14顶部相连，铝合金粉末储存罐23和碱液缓冲罐25分别通过铝合金粉末加装电磁阀24和碱性溶液加装电磁阀26与废水处理主反应器14连接，废水处理主反应器14内设置有空气分布器15，空气分布器15与储气罐16相连，废水处理主反应器14内设导流挡板18，所述导流挡板18包括上部导流挡板和下部导流挡板，上部导流挡板和下部导流挡板交替放置，废水处理主反应器14的底部与渣滓收集柜17连接；
废水处理主反应器14的气体出口与中和反应器21相连，酸性溶液储存柜28通过电磁流量控制阀29与中和反应器21的相连，废水处理主反应器14的液体出口与中和反应器21相连，中和反应器21通过废水碱度传感器31与废水监测装置32相连，废水监测装置32与三通阀33相连，三通阀33的一路通过废水驳运泵13连接废水处理主反应器14，另一路连接舷外。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述洗涤塔4分为上下两层，上层通过洗涤液冷却器12和高位碱液循环泵11与洗涤塔4的底部连接，下层喷淋系统通过低位碱液循环泵9与洗涤塔4的底部连接；碱液罐7与碱液供给泵8连接，供给泵8一方面与碱液缓冲罐25相连，另一方面与碱液循环管路相连，碱液循环管路上设置有ph传感器9；
2.废水ph传感器20连接废水监测单元22并将信息反馈给废水监测单元22，铝合金粉末加装电磁阀24、碱性溶液加装电磁阀26均连接废水监测单元22并在废水监测单元22的作用下调节开度；废水碱度传感器31连接ph控制单元30并将信息反馈给ph控制单元30，电磁流量控制阀29连接ph控制单元30并在ph控制单元30的作用下调节开度；
3.所述上部导流挡板上设置有开孔；
4.还包括安全阀27，所述安全阀27设置在废水处理主反应器14上；还包括滤网19，所述滤网19设置在废水处理主反应器14的液体出口上。
一种钠碱法船舶尾气脱硫脱硝一体化方法，包括以下步骤：
a、船舶柴油机1排出的废气经过烟气三通阀2和no氧化器3，在no氧化器3中no被氧化为no2；经过氧化的废气从洗涤塔4的底部进入，no2和so2与洗涤液反应转变为硝酸钠、亚硝酸钠、亚硫酸钠，之后废气通过除雾装置5和排气引风机6排入大气；所述洗涤液的ph为10～11，当洗涤液的ph不满足洗涤条件时，碱液罐7中的naoh溶液加到洗涤液中，洗涤液通过碱液供给泵8分别从洗涤塔4的中部和上部进入并对废气进行洗涤，洗涤塔4中的洗涤液处于循环洗涤状态；
b、洗涤废水从废水处理主反应器14的上部进入，同时由铝合金粉末储存罐23和碱液缓冲罐25分别补充铝合金粉末和naoh溶液，在碱性环境中铝合金粉末将洗涤废水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原为nh3和n2，空气分布器15从废水处理主反应器14的底部充入空气，使废水中的亚硫酸盐氧化为硫酸盐，废水处理主反应器14产生的nh3和n2通过设置在导流挡板18顶部的气孔收集，之后和洗涤废水一同进入中和反应器21，废水ph控制单元22调节中和反应器21的溶液呈中性，nh3在中和反应器21中被水吸收转化为铵盐；
c、废水经过处理后进入废水监测单元32，若水质合格，则废水直接排海；若水质不合格，则废水会再次循环到废水处理主反应器14进行二次处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的一体化脱除技术只有一座洗涤塔，很大程度上减小了系统的占地面积，由于只有一座洗涤塔，减少了辅助机械，能耗明显降低，经济性显著提高；
(2)本发明采用naoh溶液作为吸收液，烟气中的no和so2是通过洗涤塔内部发生酸碱中和反应脱除的，酸碱中和反应反应速率快、反应彻底、脱除效率很高，能够有效脱除烟气中的no和so2，使船舶排放满足imo的标准；
(3)本发明能够有效处理废水中的硝酸盐和亚硝酸盐，使废水水质满足imo的相关标准；
(4)本发明增加了废水在废水处理主反应器中流动时间，加强了废水流动的湍流强度，提高了废水的处理效率；
(5)本发明的消耗物为naoh溶液、铝合金粉末等，消耗物为常见物质，其价格合理，在船舶上的储存和使用比较方便；
(6)本发明废水处理产生的渣滓主要成分是al(oh)3，将渣滓收集后，在陆地上经过处理可以二次利用。
附图说明
图1是发明的钠碱法船舶尾气脱硫脱硝一体化装置的示意图；
图2为废水处理主反应器中上部导流挡板示意图；
图3为空气分布器的俯视图。
具体实施方式
本发明利用naoh溶液作为洗涤液去除烟气中的no和so2；具体地，烟气中的no在no氧化器中被氧化为no2，在洗涤塔中，烟气中的no2和so2被洗涤水吸收转化为硝酸、亚硝酸、亚硫酸，进而与该洗涤液中的naoh发生酸碱中和反应，烟气中的no和so2转变为硝酸钠、亚硝酸钠、亚硫酸钠；本发明所提到的no氧化器可采用臭氧氧化技术、催化氧化技术、等离子体技术等所有能将no氧化为no2的方法；本发明所述的洗涤水包括所有碱性洗涤溶液；本发明提到的铝合金粉末是指所有的以铝为反应主体的金属粉末；在废水处理主反应器中，铝合金粉末将废水中的硝酸盐、亚硝酸盐快速地还原为nh3和n2，该反应发生在ph为10～11的碱性环境中，铝合金粉末主要转化为氢氧化铝沉淀，最终收集在渣滓收集柜中。
本发明钠碱法船舶尾气脱硫脱硝一体化装置本系统包括：废气处理单元、碱液供给单元、废水处理单元和控制单元；废气处理单元你的主体为洗涤塔，该洗涤塔为两层设计，上层洗涤水的主要作用是脱除烟气中的no和so2，下层洗涤水的作用主要是降低烟气的温度，以利于废气吸收；碱液供给单元由碱液储存罐、碱液供给泵、高位碱液循环泵、低位碱液循环泵和洗涤液冷却器组成；所述的废水处理单元主要包括废水处理主反应器、储气罐、铝合金粉末储存罐、碱液缓冲罐、渣滓收集柜、中和反应器、酸性溶液储存柜和渣滓收集柜等；废水处理主反应器内部交替加装上下导流挡板，废水在处理器中呈现出上下蛇形流动，以减小废水处理主反应器的尺寸，增加铝合金粉末与废水的反应时间，同时会产生较强的湍流，提高废水中各组分的混合均匀度；废水处理主反应器上部挡板的上边缘设计开孔，便于产生的气体能够顺利排出，开孔的数量和孔径根据实际情况确定；废水ph控制单元通过控制碱性溶液加装电磁阀的开度维持废水主反应器的ph为10～11；废水处理控制单元通过控制酸性溶液的加入量，进而去除废水处理过程中产生的nh3，避免二次污染；在废水处理主反应器靠近废水入口的底部设置空气分布器，储气罐中的空气通过空气分布器形成大量的微小气泡，加快亚硫酸盐的氧化速度。
本发明所提出的一体化脱除技术是一种湿法脱除方法，利用naoh溶液作为吸收剂，在洗涤塔中，洗涤溶液的流向和烟气的流向呈逆向对流形式。在进入洗涤塔前，废气中的no在no氧化器中被氧化为no2，随后进入洗涤塔，其中的no2和so2与洗涤液中的水反应生成硝酸、亚硝酸和亚硫酸，进一步地被洗涤液中的naoh中和为硝酸盐溶液、亚硝酸盐溶液和亚硫酸盐溶液。洗涤塔排出的洗涤液经过废水处理主反应器处理，铝合金粉末将废液中的硝酸盐和亚硝酸盐还原为nh3和n2，将亚硫酸盐转化为硫酸盐，经过处理合格的废水排海，达到尾气净化的效果。在本发明中水处理单元是通过加入铝合金粉末和曝气等方法对废水进行无害化处理。本发明大大减少了系统占地面积，提高了反应的效率，系统耗能明显降低。
本发明提供该脱硫脱硝一体化技术的具体实施步骤如下：
(1)船舶柴油机排出的尾气经过烟气三通阀和no氧化器，从洗涤塔的塔底进入洗涤塔，烟气在洗涤塔中与naoh溶液反应，之后烟气经过除雾装置和排气引风机排入大气。
(2)naoh溶液由碱液罐供给，混入洗涤液，洗涤液通过碱液供给泵和洗涤液冷却器分别从洗涤的中部和上部进入洗涤塔对烟气进行洗涤，洗涤塔中的洗涤液处于循环洗涤状态，当循环洗涤液的ph不满足洗涤条件时，新的naoh溶液加到洗涤系统，多余的洗涤液排入废水处理主反应器。
(3)洗涤废水从废水处理主反应器的上部进入，同时在废水处理主反应器中加入铝合金粉末和naoh溶液，naoh溶液调节洗涤水的ph为10～11，在碱性环境中铝合金粉末将废水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原为nh3和n2。空气分布器从废水处理主反应器的底部充入空气，使废水中的亚硫酸盐氧化为硫酸盐，废水处理主反应器产生的nh3和n2通过在废水处理主反应器导流挡板顶部的气孔收集，之后和洗涤废水一同进入中和反应器，废水ph控制单元调节中和反应器的溶液呈中性，nh3在中和反应器中被水吸收转化为铵盐。
(4)废水经过处理后进入废水监测单元，若水质合格，则废水直接排海；若水质不合格，则废水会再次循环到废水处理主反应器进行二次处理。
本发明涉及的主要化学反应有：
(1)洗涤塔:
2no2+h2o→hno3+hno2
so2+h2o→h2so3
hno3+naoh→nano3+h2o
hno2+naoh→nano2+h2o
h2so3+2naoh→na2so3+2h2o
(2)废水处理主反应器：
3no3—+2al+3h2o→3no2—+2al(oh)3↓
no2—+2al+5h2o→3nh3↑+2al(oh)3↓+oh—
2no2—+2al+4h2o→n2↑+2al(oh)3↓+2oh—
na2so3+o2→na2so4
下面结合附图对本发明做详细地描述：
结合图1，1为船舶柴油机、2为烟气三通阀、3为no氧化器、4为洗涤塔、5为除雾装置、6为排气引风机、7为碱液罐、8为碱液供给泵、9为ph传感器、10为低位碱液循环泵、11为高位碱液循环泵、12为洗涤液冷却器、13为废水驳运泵、14为废水处理主反应器、15为空气分布器、16为储气罐、17为渣滓收集柜、18为导流挡板、19为滤网、20为废水ph传感器、21为中和反应器、22为废水监测单元、23为铝合金粉末储存罐、24为铝合金粉末加装电磁阀、25为碱液缓冲罐、26为碱性溶液加装电磁阀、27为安全阀、28为酸性溶液储存柜、29为电磁流量控制阀、30为ph控制单元、31为废水碱度传感器、32为废水监测装置、33为三通阀。本发明是利用naoh溶液作为吸收剂对船舶尾气中的no和so2进行脱除。首先船舶柴油机1排出的烟气进入no氧化器3，在no氧化器中no被氧化为no2，之后烟气从洗涤塔4的底部进入洗涤塔。naoh溶液由碱液罐7提供，通过碱液泵8的将碱液供给洗涤液循环系统，在洗涤液循环系统中碱液分别通过低位洗涤液循环泵10、高位洗涤液循环泵11、洗涤液冷却器12，从洗涤塔的中部、上部进行喷淋洗涤，洗涤液将烟气中的no和so2转变为硝酸盐、亚硝酸盐和亚硫酸盐。当碱液循环系统的ph较低时，ph传感器9会通过控制单元启动碱液供给泵8向系统提供碱液，经过洗涤的烟气通过除雾装置5和排气引风机6排入大气。
洗涤产生的废水由废水驳运泵13驳运至废水处理主反应器14中，并从废水处理主反应器的顶部进入废水处理主反应器。合理控制驳运泵的扬程，使进入废水处理主反应器的废水不能跨越第一道导流挡板。储存在铝合金粉末储存罐23中的铝合金粉末通过电磁阀24加入废气处理主反应器。用于提升废水处理主反应器ph值的naoh溶液存储在碱液缓冲罐25中，通过电磁阀26加入废水处理主反应器中。储气罐16中的空气通过空气分布器15进入废水处理主反应器，空气分布器15使空气形成微小气泡，增大空气与洗涤废水的接触面积，完成对废液中亚硫酸盐的氧化，同时促进铝合金粉末与洗涤水的混合，提高反应效率。为保证废水处理的高效进行，废水处理主反应器的ph需维持在10～11左右，废水处理的质量是通过废水处理控制单元22控制铝合金粉末加装电磁阀24和naoh溶液加装电磁阀26实现的。其中铝合金粉末储存在铝合金粉末储存罐23中，naoh溶液储存在碱液缓冲罐25中。当废水处理主反应器由于故障引起压力急剧升高时，位于废水处理主反应器顶部的废水处理主反应器安全阀27自动开启，泄放压力。废水处理主反应器正常工作，产生的氨气通过导流挡板上方的孔道收集，最后进入中和反应器21中，废水处理主反应器产生的渣滓收集到渣滓收集柜32中。从废水处理主反应器排出的废水进入中和反应器21。在废水ph控制单元30的调控下，储存在酸性溶液储存柜28中的酸性溶液通过电磁流量控制阀29进入中和反应器，调节中和反应器中的溶液至中性。从中和反应器排出的废水经过废水监测单元32，若废水水质合格，则直接排海；若水质不合格，则废水被循环至废水处理主反应器再次处理。
本文中提供的钠碱法船舶尾气脱硫脱硝一体化装置的系统布置图仅作为系统的原理性示意，本发明仅以填料塔作为示范,但洗涤塔应该被广泛地理解为包括填料塔、喷淋塔等所有通过洗涤方式脱除有害气体的塔型，本发明中的洗涤液仅以naoh溶液作为示意，但是应该广泛地理解为包括其他所有形式的碱性洗涤液；本发明废水处理单元用铝合金粉末作为示意，其含义应该包括所有的以铝为主的金属还原剂粉末；对于空气分布器和导流上挡板本文仅仅提供示意图，对于上述提到的所有可能的应用本发明的原理进行尾气处理的技术都应在本专利的保护范围。
虽然本文中已经结合实施例对本发明进行了描述，但应该理解的是，本发明不局限于所公开的实施方式，而是在如所附权利要求中限定的一样涵盖其特征的各种组合或者修改已经包含在本发明的范围内的一些其他应用。
综上：本发明公开了一种钠碱法船舶尾气脱硫脱硝一体化方法和装置，该系统主要包括：废气处理单元、碱液供给单元、废水处理主反应器、控制单元等。碱液供给单元主要包括碱液储存罐、碱液供给泵和洗涤液冷却器等。废水处理主反应器主要包括铝合金粉末储存罐、碱液缓冲罐和中和反应器等。在洗涤塔中，利用酸碱中和反应将烟气中的no和so2转变为硝酸盐、亚硝酸盐、亚硫酸盐，使船舶柴油机废气排放满足imo的排放标准。在废水处理主反应器中，利用铝合金粉末将硝酸盐和亚硝酸盐转化为nh3和n2，将亚硫酸盐氧化为硫酸盐。废水处理主反应器中产生的nh3通过其上方的通道进入中和反应器，在中和反应器中碱性洗涤废水被酸性溶液中和，nh3溶与水形成铵盐，最终将符合imo排放标准的洗涤水排海，本发明是一种洁净、低能耗、高效率的船舶尾气脱硫脱硝一体化技术。