本實(shí)用新型涉及柴油機(jī)排放污染控制，特別是一種能夠減少船舶柴油機(jī)在起動(dòng)初期或低負(fù)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(dòng)機(jī)主要以柴油機(jī)為主，雖然柴油機(jī)的快速發(fā)展促使國際遠(yuǎn)洋航運(yùn)業(yè)迅速壯大，但是船舶柴油機(jī)排放物造成的污染對(duì)全球環(huán)境造成了很大破壞。因此國際海事組織對(duì)于船舶柴油機(jī)排放的要求日趨嚴(yán)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(jìn)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(xiàng)技術(shù)屬于機(jī)外凈化技術(shù)，被廣泛用于船舶柴油機(jī)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(jī)起動(dòng)初期或低負(fù)載工況下，SCR裝置往往無法達(dá)到這個(gè)溫度。以MAN公司某6S350MEB柴油機(jī)為例，其25％負(fù)荷下排氣溫度為280℃，僅僅達(dá)到催化劑活化閾值溫度，因此在起動(dòng)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(shí)增加能量消耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于，克服上述現(xiàn)有船舶柴油機(jī)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(jī)催化還原裝置，以減少船舶柴油機(jī)起動(dòng)初期或低負(fù)載工況下NO_x的排放。

本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

一種具有NO_x捕集功能的船用柴油機(jī)催化還原裝置，其特點(diǎn)在于包括上游進(jìn)氣管、下游進(jìn)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(jìn)氣管和下游進(jìn)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(jìn)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(shí)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(dá)到脫附溫度時(shí)，將向選擇催化還原罐體中噴射尿素溶液。

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

本實(shí)用新型的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(duì)NO_x進(jìn)行較好的吸附；重要的是，這類分子篩由于吸附能力較強(qiáng)，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(duì)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(duì)NO_x進(jìn)行物理和化學(xué)吸附的材料。

本實(shí)用新型的積極效果在于：

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(shí)刻來減少船舶柴油機(jī)起動(dòng)初期或低負(fù)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(diǎn)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型船舶柴油機(jī)催化還原裝置外觀示意圖；

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

圖2是本實(shí)用新型船舶柴油機(jī)催化還原裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：2-下游進(jìn)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(kuò)散，(b)是吸附質(zhì)分子的細(xì)孔擴(kuò)散和表面擴(kuò)散，(c)是吸附質(zhì)分子被吸附在細(xì)孔內(nèi)的吸附點(diǎn)上。

圖4是分子篩或催化劑載體和涂層結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為蜂窩孔型為，(b) 為(a)的局部放大圖，(c)為球體顆粒型，(d)為(c)的局部放大圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是本實(shí)用新型船舶柴油機(jī)催化還原裝置外觀示意圖，圖2是本實(shí)用新型船舶柴油機(jī)催化還原裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本實(shí)用新型具有NO_x捕集功能的船用柴油機(jī)催化還原裝置，包括上游進(jìn)氣管1、下游進(jìn)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(jìn)氣管1和下游進(jìn)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(jìn)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(jìn)氣管2后進(jìn)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(dòng)的同時(shí)快速加熱選擇催化還原罐體7中的催化劑8，此時(shí)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(jìn)行加熱。NO_x捕集器4的脫附溫度一般在350℃以上，此時(shí)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(shí)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(jìn)入增壓器中。

(1)尿素溶液蒸發(fā)：

(NH₂)₂CO(aq)→(NH₂)₂CO(lorg)+6.9H₂O(g)

(2)尿素?zé)峤猓?/p>

(NH₂)₂CO(lorg)→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(gè)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(kuò)散；

(b)是吸附質(zhì)分子的細(xì)孔擴(kuò)散和表面擴(kuò)散，細(xì)孔擴(kuò)散是吸附質(zhì)分子在細(xì)孔的內(nèi)部擴(kuò)散，表面擴(kuò)散是在孔壁上的吸附質(zhì)分子在孔內(nèi)的壁面上從一個(gè)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(xì)孔內(nèi)的吸附點(diǎn)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(jià)格也較為低廉。在實(shí)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(jìn)行合理設(shè)計(jì)。