本發(fā)明涉及柴油機排放污染控制，特別是一種能夠減少船舶柴油機在起動初期或低負載工況下NO_x排放的催化還原裝置。

背景技術(shù)：

船舶發(fā)動機主要以柴油機為主，雖然柴油機的快速發(fā)展促使國際遠洋航運業(yè)迅速壯大，但是船舶柴油機排放物造成的污染對全球環(huán)境造成了很大破壞。因此國際海事組織對于船舶柴油機排放的要求日趨嚴格，尤其是NO_x。目前減少船舶NO_x排放的主要方法有如下幾種：一是燃油控制技術(shù)，二是燃燒控制技術(shù)，三是進氣控制技術(shù)，四是選擇催化還原技術(shù)(Selective Catalytic Reduction,以下簡稱為SCR)。其中第四項技術(shù)屬于機外凈化技術(shù)，被廣泛用于船舶柴油機的尾氣后處理。

選擇催化還原技術(shù)是指利用催化劑在氧氣存在的情況下，使用還原劑有選擇的將廢氣中的NO_x還原成N₂和H₂O以減少NO_x排放。目前絕大多數(shù)的SCR系統(tǒng)使用尿素作為還原劑，通過尿素溶液的蒸發(fā)、熱解和中間產(chǎn)物HNCO的水解形成NH₃來還原NO_x。

但是，該技術(shù)使用的催化還原材料最佳反應(yīng)溫度一般在280～420℃的范圍內(nèi)，在船舶柴油機起動初期或低負載工況下，SCR裝置往往無法達到這個溫度。以MAN公司某6S350MEB柴油機為例，其25％負荷下排氣溫度為280℃，僅僅達到催化劑活化閾值溫度，因此在起動初期無法使SCR裝置發(fā)揮作用，未被凈化的NO_x將直接排入大氣中。如若使用加熱爐幫助SCR裝置快速升溫，則需要考慮額外的裝置布局，同時增加能量消耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，克服上述現(xiàn)有船舶柴油機SCR技術(shù)的不足，提供一種具有NO_x捕集功能的船舶柴油機催化還原裝置，以減少船舶柴油機起動初期或低負載工況下NO_x的排放。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種具有NO_x捕集功能的船用柴油機催化還原裝置，其特點在于包括上游進氣管、下游進氣管、排氣管、NO_x捕集器、出氣裝置、尿素噴管和選擇催化還原罐體，所述的NO_x捕集器和出氣裝置上下地被封裝在選擇催化還原罐體的中間底部，所述的NO_x捕集器經(jīng)所述的出氣裝置與所述的選擇催化還原罐體相通，所述的尿素噴管均勻布置在所述的選擇催化還原罐體的下底面上，所述的上游進氣管和下游進氣管相連后穿過所述的選擇催化還原罐體的頂部并與所述的NO_x捕集器連通，所述的排氣管與所述的選擇催化還原罐體的頂部連通，所述的選擇催化還原罐體內(nèi)部布置若干層催化劑。

所述的下游進氣管具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠?qū)⑽矚庵械臒崃垦杆賯鬟f給催化還原罐體中的催化劑。

所述的NO_x捕集器內(nèi)部裝有高效吸脫的BaZSM-5或NaZSM-5分子篩為載體，該NO_x捕集器的內(nèi)壁上涂有吸附劑涂層能夠在低溫時快速地吸附NO_x，并在高于280℃的溫度下脫附NO_x。

所述的尿素噴管在所述的NO_x捕集器達到脫附溫度時，將向選擇催化還原罐體中噴射尿素溶液。

將上下游進氣管與NOx捕集器封裝在選擇催化還原罐體底部，柴油機起動初期的高溫尾氣從上下游進氣管進入NOx捕集器的過程中，對選擇催化還原罐體內(nèi)的催化劑進行加熱，助其迅速達到最佳催化溫度；同時NOx捕集器對尾氣中的NOx進行吸附，并且捕集器的溫度也同時提升，當達到合適溫度時，捕集器中的NOx脫附，并與尿素溶液熱解氣體NH3進入達到活化溫度的催化劑中，完成催化還原反應(yīng)，最終達到船舶柴油機起動初期或低負載工況下減少NOx排放的目的。

本發(fā)明的NO_x捕集技術(shù)原理是：使用BaZSM-5或NaZSM-5分子篩為載體，這類分子篩具有均勻的微孔、較大的比表面積和孔容積，微孔孔徑大約為NO_x分子直徑的2～6倍，且具有堿性離子Ba²⁺或Na⁺，使其在30℃～350℃都能對NO_x進行較好的吸附；重要的是，這類分子篩由于吸附能力較強，所以脫附溫度也往往高于催化劑的活化溫度(280℃)。另外，可在載體上增加吸附劑涂層以提高分子篩對NO_x的吸附性能，吸附劑涂層可考慮使用諸如CaO-Beta之類可在較低溫度下針對NO_x進行物理和化學(xué)吸附的材料。

本發(fā)明的積極效果在于：

利用分子篩和吸附劑涂層可捕集NO_x排放，并利用尾氣溫度加熱選擇催化還原反應(yīng)所需的催化劑溫度，以及合理匹配尿素溶液噴射時刻來減少船舶柴油機起動初期或低負載工況下的NO_x排放，與普通的SCR裝置相比，有著結(jié)構(gòu)簡單、成本低、不需要額外能耗的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明船舶柴油機催化還原裝置外觀示意圖；

圖中：1-上游進氣管、3-排氣管、6-尿素噴管(下端)、7-選擇催化還原罐體。

圖2是本發(fā)明船舶柴油機催化還原裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：2-下游進氣管、4-NO_x捕集器、5-出氣裝置、6-尿素噴管(整體)、8-催化劑。

圖3是分子篩吸附NO_x示意圖；其中(a)是吸附質(zhì)分子在粒子表面的流體界面膜中擴散，(b)是吸附質(zhì)分子的細孔擴散和表面擴散，(c)是吸附質(zhì)分子被吸附在細孔內(nèi)的吸附點上。

圖4是分子篩或催化劑載體和涂層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：9-BaZSM-5或NaZSM-5分子篩載體、10-吸附劑涂層

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

圖1是本發(fā)明船舶柴油機催化還原裝置外觀示意圖，圖2是本發(fā)明船舶柴油機催化還原裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明具有NO_x捕集功能的船用柴油機催化還原裝置，包括上游進氣管1、下游進氣管2、排氣管3、NO_x捕集器4、出氣裝置5、尿素噴管6和選擇催化還原罐體7，所述的NO_x捕集器4和出氣裝置5被封裝在所述的選擇催化還原罐體7中底部，所述的NO_x捕集器4經(jīng)所述的出氣裝置5與所述的選擇催化還原罐體7相通，所述的尿素噴管6均勻布置在所述的選擇催化還原罐體7的下底上，所述的上游進氣管1和下游進氣管2穿過選擇催化還原罐體7的頂部并與所述的NO_x捕集器4連通，所述的排氣管3與所述的選擇催化還原罐體7的頂部連通，所述的選擇催化還原罐體7中內(nèi)部布置若干層催化劑8。

上游進氣管1、排氣管3和尿素噴管6被密封安裝在選擇催化還原罐體7上，尾氣經(jīng)過下游進氣管2后進入NO_x捕集器4中，兩者的外部材料都具有良好的導(dǎo)熱性，可使尾氣在流動的同時快速加熱選擇催化還原罐體7中的催化劑8，此時流出NO_x捕集器4的氣體中不含有NO_x，并且也能夠?qū)Υ呋瘎?進行加熱。NO_x捕集器4的脫附溫度一般在350℃以上，此時催化劑8的溫度與之近似，介于催化劑最佳反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)；此時從NO_x捕集器4中脫附的NO_x流經(jīng)所述的出氣裝置5，與尿素噴管6噴出的尿素溶液相遇；尿素溶液在高溫尾氣的作用下主要發(fā)生下列(1)～(4)化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后大量的NO_x被凈化，經(jīng)排氣管3進入增壓器中。

(1)尿素溶液蒸發(fā)：

(NH₂)₂CO(aq)→(NH₂)₂CO(l or g)+6.9H₂O(g)

(2)尿素熱解：

(NH₂)₂CO(l or g)→NH₃(g)+HNCO(g)

(3)氫氰酸水解：

HNCO(g)+H₂O(g)→NH₃(g)+HNCO(g)

(4)催化還原反應(yīng)：

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O

4NH₃+2NO+2NO₂→4N₂+6H₂O

4NH₃+6NO→5N₂+6H₂O

4NH₃+3NO₂→3.5N₂+6H₂O

圖3是分子篩吸附NO_x示意圖，吸附主要分為三個基本階段：

(a)是吸附質(zhì)分子在粒子表面的流體界面膜中擴散；

(b)是吸附質(zhì)分子的細孔擴散和表面擴散，細孔擴散是吸附質(zhì)分子在細孔的內(nèi)部擴散，表面擴散是在孔壁上的吸附質(zhì)分子在孔內(nèi)的壁面上從一個吸附位轉(zhuǎn)移到相鄰的吸附位上；

(c)是吸附質(zhì)分子被吸附在細孔內(nèi)的吸附點上。

圖4是分子篩或催化劑載體和涂層結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中9為BaZSM-5或NaZSM-5分子篩載體，10為吸附劑涂層，上方圖為蜂窩孔型，其吸附劑涂覆在載體孔的內(nèi)壁，這種蜂窩狀通道大大增加了廢氣與吸附劑的接觸，并減小了背壓，具有較好的凈化性能；下方圖為球體顆粒型，其吸附劑涂敷在球狀顆粒載體的表面，這種球狀顆粒比表面積較大，易于填裝，價格也較為低廉。在實際中常使用這兩類方式布置捕集器或催化還原器，不過需要考慮兩種填充床產(chǎn)生的氣阻進行合理設(shè)計。