CN114130171A

CN114130171A - 一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置

Info

Publication number: CN114130171A
Application number: CN202111189209.3A
Authority: CN
Inventors: 竺新波; 吴希强; 毛飞燕; 吴瀚鹏; 杨国华
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2022-03-04

Abstract

本发明公开了一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，涉及船舶尾气处理技术，主要包括气流道，所述气流道内部带有若干正极杆和位于所有正极杆侧面且可平移的若干负极板，且每一所述负极板上涂覆有V基催化剂，并且气流道于负极板背离正极杆一侧设置有加热组件，同时，气流道内带有用于清除负极板上颗粒物的清洁机构。本申请一方面在电场作用下，能够使尾气中的有机物发生电离分解，进而除去；另一方面尾气中不可燃的硫酸盐、金属颗粒等颗粒物也能够被吸附到负极板上，进而便于被去除，从而有助于净化后的尾气能够满足排放标准。

Description

一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置

技术领域

本发明涉及船舶尾气处理领域，特别涉及一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置。

背景技术

颗粒物是柴油机尾气中的主要污染物之一，其是多种物质的混合体，主要成分包括碳烟颗粒、硫酸盐颗粒、金属盐等，且其表面可吸附大量有机烃类，具有一定粘性。从而在尾气排放过程中，不仅容易造成大气污染，同时，颗粒物也容易附着在尾气排放管内壁上，影响尾气排放管的正常工作。

为此，公开号为CN109139196A和CN208057194U等中国专利公开了采用以DPF为基础的方法进行过滤捕集（纯DPF、DPF+DOC等），捕集后进行电加热或喷油再生，以便除去颗粒物。

而DPF是一种陶瓷过滤体，在柴油机尾气净化中虽然颗粒物捕集效率高，但其体积巨大，难以在车船等空间体积极为狭窄逼仄的区域应用。此外再生装置需要对整个DPF陶瓷体进行加热，因此一般要设置一备用DPF组，保证随时都有DPF在工作。为此，在船舶上设置整套设备时，往往需要投入大量费用，并且，也占据了大量的空间。

更重要的是，现有的DPF再生工艺多基于燃烧、加热等方法，对不可燃的硫酸盐、金属颗粒等基本无效，因此其往往会堆积在设备上而无法及时清除，影响设备运作，因而存在再生不彻底的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其能够以等离子结合催化的方式处理尾气中的有机物，同时又能够在静电场的作用下连续去除硫酸盐和金属等颗粒物，从而在保证了船舶尾气净化效率的同时也减少了设备的投入。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，包括气流道，所述气流道内部带有若干正极杆和位于所有正极杆侧面且可平移的若干负极板，每一所述负极板上均涂覆有V基催化剂，并且气流道于负极板背离正极杆一侧设置有加热组件，同时，气流道内带有用于清除负极板上颗粒物的清洁机构。

通过采用上述技术方案，首先尾气进入本申请的装置后，大部分尾气会从正极杆和负极板之间流经，这样一方面，尾气中的含碳颗粒和有机烃类在气流道内会受到电场的作用，被电离形成等离子体，从而容易被氧化成CO₂和H₂O；另一方面，不可燃的颗粒物以及来不及完全氧化的颗粒物会在电场力作用下运动到负极板上，并附着在负极板上。

而此时，由于负极板上设置有加热组件，通过加热组件能够将负极板加热到200-300℃，并在V基催化剂的配合下，能够对未及时氧化的物质进行氧化，从而能够提高对尾气的氧化效率。

并且，此处的负极板是能够进行平移的，这样当部分负极板吸附了一定的颗粒物之后，其就能够移到尾气流经量少的位置，再通过清洁机构就能够将负极板上的颗粒物清理下来。而此时其他部分的负极板则能够替换原负极板的位置继续进行静电吸尘的操作，从而有助于尾气中的颗粒物能够连续地被除去。

优选为，所述气流道内带主动轴和从动轴，同一侧若干所述负极板串联成环状的板链，并且板链套于主动轴和从动轴上。

通过采用上述技术方案，这样每一块负极板均能在主动轴和从动轴之间，沿环形进行移动，从而每一块负极板的吸附颗粒物效率均是相同的，这样在实现装置连续化操作的前提下，又能够提高负极板的静电吸附的效率。

优选为，所述气流道的侧壁开有凹槽，且凹槽的槽口处设置有挡风盖，同时，负极板穿过挡风盖于凹槽和气流道之间进行移动，所述清洁机构位于凹槽中。

通过采用上述技术方案，将清洁机构设置于凹槽中，这样一方面凹槽中的静电场较弱，另一方面挡风盖能够阻挡住尾气直接进入到凹槽中，这样清洁机构能够较为顺利地将负极板上的粉尘清理下来。

优选为，所述清洁机构包括与负极板的表面相接触的辊刷和位于板链下方的粉尘收集槽。

通过采用上述技术方案，利用辊刷能够将颗粒物从板链上扫下，这样颗粒物就能够进入到收集槽中，从而保证负极板能够持续运作吸附颗粒物。

优选为，所述清洁机构包括朝向负极板的吹气嘴和位于负极板下方的粉尘收集槽。

通过采用上述技术方案，利用吹气嘴吹出流速较大的气流，这样也有利于将颗粒物从负极板上清理至粉尘收集槽中。

优选为，所述正极杆上带有若干分叉。

通过采用上述技术方案，分叉为正极杆上的尖端部分，根据尖端放电的作用，有效地增强了正极杆和负极板之间的局部电压强度，更容易使得尾气中的含碳颗粒和有机烃类发生电离形成等离子体，从而进一步提高尾气的氧化效率，保证尾气的净化程度。

优选为，正极杆和负极板之间所加的电源为高压脉冲电源，且电源的最高脉冲电压为15～20KV，脉冲频率为60～80Hz，正极杆与负极板之间的最近间距为0.5～1m。

通过采用上述技术方案，利用高压脉冲电源来处理尾气，这样一方面能够节约电能，其次，高压脉冲电源能够在短时间内提供15～20KV的高电压，这样有利于尾气成分被电离，从而提高了尾气被充分氧化的概率。

优选为，所述加热组件为电阻丝，其加热温度控制在200～300℃。

通过采用上述技术方案，将加热温度控制在200～300℃，这样有利于V基催化剂进行催化氧化的作用。

优选为，所述V基催化剂由V₂O₅和TiO₂分散负载于CNT上制得。

通过采用上述技术方案，钒粒子能够在碳纳米管的管壁上高度分散，低温时，在V₂O₅-TiO₂/CNT表面的Lewis酸位是NH₃-SCR反应的活性位，吸附的NH₃物种及气相中的NO和吸附的NO₂物种会发生反应。而在反应温度为200～300℃时，V₂O₅-TiO₂/CNT表现出很好的反应活性，在260℃时，负载在外径为60～100nm的碳纳米管上的催化剂体系可以使NO的转化率高达92%。

优选为，所述负极板上V基催化剂涂覆的量为10～20g/dm²。

通过采用上述技术方案，当尾气流经管道时候，其能够较为充分地与V基催化剂相接触，从而能够提高V基催化剂对尾气的催化氧化作用。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1、利用正极杆和可移动的负极板进行配合，并结合清洁机构，这样能够实现连续去除尾气中颗粒物的作用，而且这个过程中除去负极板上的颗粒物，也能够保证电场的强度；

2、在负极板上涂覆V基催化剂，这样在结合加热组件，有利于实现对尾气的催化氧化。

3、正极杆和负极板之间选用的是脉冲电压，这样一方面能够减少能耗，另一方面尾气中未及时氧化的颗粒也能够更加容易被氧化。

附图说明

图1为实施例一的采用等离子体催化处理船舶尾气中颗粒物的装置的结构示意图一；

图2为实施例二的采用等离子体催化处理船舶尾气中颗粒物的装置的结构示意图二。

图中，1、气流道；11、通道；2、板链；21、负极板；22、电阻丝；3、正极杆；4a、主动轴；4a1、支撑架一；4b、从动轴；4b1、支撑架二；5、凹槽；51、粉尘收集槽；52、辊刷；53、吹气嘴；54、挡风盖；55、通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

一种采用等离子体催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，如附图1所示，其包括气流道1，气流道1的内部设置有若干正极杆3。其中，正极杆3呈L型，其竖直部分与气流道1的顶部相固定，并与电源的正极接通；其水平部分的轴向与尾气的流动方向一致，并且位于气流道1的中间高度位置。此处，所有正极杆3沿气流道1的宽度方向进行水平排列，且相邻两根正极杆3的间距为5cm。

另外，气流道1内靠近其自身顶部和底部分别设有若干负极板21，负极板21与正极杆3的水平部分处于同一竖直方向，且具体负极板21的数量可以根据实际情况来设计。而且，靠近气流道11顶部和底部的负极板21分别由链条进行串联，形成环形的板链2。

此处，气流道1的其中一侧壁还开设了两凹槽5，两凹槽5是成上下排列的，且两凹槽5分别与靠近气流道1顶部的板链2和靠近气流道1底部的板链2水平对齐。同时，靠近气流道1顶部和底部的位置，分别安装了一组主动轴4a和从动轴4b，靠近气流道1顶部和靠近气流道1底部的板链2均套于相对应的一组主动轴4a和从动轴4b上，且主动轴4a由电机带动。并且，主动轴4a和从动轴4b是处于同一水平线上。

同时，两个主动轴4a分别位于两凹槽5中，而用于驱动主动轴4a的电机也位于凹槽5中。此处，电机与凹槽5的侧壁固定，而电机的输出轴与主动轴4a通过联轴器连接，且两主动轴4a的轴体两端分别穿设于一组支撑架一4a1上，而支撑架一4a1安装于凹槽5的侧壁上，从而支撑架一4a1能够对主动轴4a起到支撑作用，并保证电机对主动轴4a进行驱动。此处，电机是现有技术，未在附图上显示。

而两从动轴4b的轴体两端分别穿设于一组支撑架二4b1，且支撑架二4b1与气流道1的侧壁进行固定，从而保证了对从动轴4b的支撑。且此处支撑架二4b1与电源的负极接通，同时，支撑架二4b1与从动轴4b以及板链2也是接通的。而板链2与主动轴4a以及支撑架一4a1是绝缘的。这样当正极杆3何负极板21均通电的时候，正极杆3和负极板21之间就会产生电场。大部分尾气会从正极杆3和负极板21之间流经，这样一方面，尾气中的含碳颗粒和有机烃类在气流道1内会受到电场的作用，被电离形成等离子体，从而容易被氧化成CO2和H2O；另一方面，不可燃的颗粒物以及来不及完全氧化的颗粒物会在电场作用下运动到负极板21上，并附着在负极板21上。

再者，正极杆3和靠近气流道1顶部的板链2以及靠近气流道1底部的板链2的最近距离都是相同的，均是0.5m。而板链2的上下宽度未0.1m。并且，正极杆3和板链2之间所加的电源为高压脉冲电源，其高脉冲电压为15KV，并且脉冲频率为60Hz。而且，此处的正极杆3的水平部分的表面是带有若干分叉的，这样可以根据尖端放电的原理能够进一步增强负极板21和正极杆3之间的电场强度，从而更容易使尾气的有机物发生电离，形成等离子体，进而便于之后进行氧化去除。

另外，凹槽5内部还带有清洁机构，其主要包括与板链2下表面接触的辊刷52，以及位于辊刷52的下方的一粉尘收集槽51。其中，辊刷52的轴向与板链2的宽度方向相平行，并且辊轴的轴两端与凹槽5的侧壁旋转连接。板链2的运动过程中，是从凹槽5出发，从板链2整体的下方绕过从动轮后再回到凹槽5中的。整个过程中，板链2的负极板21会携带吸附住的固体颗粒一起回到凹槽5中，由于辊刷52与负极板21是接触的，这样在摩擦作用下，辊刷52会将负极板21上的粉尘拨落至辊刷52下的粉尘收集槽51中。

而且，此处粉尘收集槽51可以设计成抽屉式，而凹槽5的侧壁与气流道1的外壁之间开设有移动通道11。这样当气流道1停止工作后，工作人员就能够将粉尘收集槽51通过通道11拉出，并进行倾倒。而由于通道11的边缘有设计密封条，这样当气流道1正常工作的时候，通道11的边缘与粉尘收集槽51的边缘之间就能够形成密封，从而避免尾气发生外泄的情况。

再者，凹槽5的槽口还带有挡风盖54，挡风盖54上开设有通孔55，负极板21通过通孔55穿过挡风盖54，这样凹槽5内部不容易受到的干扰，从而颗粒物就能够顺利地落至粉尘收集槽51中。

并且，气流道1于一个板链2中还安装了加热组件，加热组件可以为电阻丝22或者导热油管，此处为一排电阻丝22，电阻丝22呈L型，电阻丝22的竖直部分与气流道1的顶部或底部相固定，同一排电阻丝22的水平部分位于同一板链2的中间位置。

同时，加热组件对于负极板21的加热温度控制在200℃。这样尾气在进入到气流道1后，有机物就会在正极杆3和负极板21之间被电离氧化。而未及时被氧化的颗粒物会在静电场作用下被吸附到负极板21上，并在V基催化剂以及加热的作用下，进一步发生催化氧化反应。

此处，V基催化剂的制备方法：将粒径小于10um的V₂O₅和TiO₂以质量比为1：1进行混合均匀，之后置于过量的四氢呋喃中，并加入粒径为0.2mm～0.5mm的CNT颗粒，制成悬浊液，且CNT与V₂O₅的质量比1：2，再将悬浊液均匀涂覆在负极板21上，并将负极板21置于200℃温度下干燥30min。此处，负极板21上干燥后的V基催化剂的附着量控制在10g/dm²。

实施例二、

本实施例与实施例一的区别仅在于，如附图2所示，本实施例由吹气嘴代替辊刷，并且吹气嘴的朝向是倾斜的，且其水平分方向是朝向于凹槽内部的。这样当板链移动过程中的时候，吹气嘴能够通过吹气，将板链上的颗粒物吹落下来，从而起到了清洁的作用。

另外，实施例三至实施例七以及对比例一和对比例二与实施例一的结构相同，其区别仅在于如下表一所示的参数：

表一

参数	正极杆与板链的间距/m	高脉冲电压/KV	脉冲频率/Hz	V催化剂涂覆面积量/g/dm<sup>2</sup>	加热温度/℃
						实施例三	0.7	18	70	15	250
实施例四	1	20	80	20	300
						实施例五	0.5	20	70	10	300
实施例六	0.7	15	60	15	200
						实施例七	1	18	80	20	250
对比例一	0.7	15	60	/	200
						对比例二	1	18	80	20	40

将含有浓度为20g/m³硫酸盐颗粒物、3g/m³NO_x的柴油机尾气，以100m³/min的流速流过长度为5m的上述实施例一至实施例七的尾气处理装置中，其中，正极杆的水平部分长度和负极板沿尾气流动方向的长度也为3m，最后测定尾气中的各物质含量，结果如下表二所示，

表二

测试项目	颗粒物含量/mg/m<sup>3</sup>	NO<sub>x</sub>/mg/m<sup>3</sup>
			实施例一	0.007	未检出
实施例二	0.007	未检出
			实施例三	0.006	未检出
实施例四	0.004	未检出
			实施例五	0.005	未检出
实施例六	0.006	未检出
			实施例七	0.004	未检出
对比例一	0.016	0.008
			对比例二	0.013	0.0014

总结：

1. 结合实施例一至实施例七，并结合表二的测试结果可以看出，本申请的装置能够有效地除去尾气中的颗粒物和NO_x；

2. 结合实施例六和对比例一，并结合表二的测试结果可以看出，V催化剂的涂覆能够有效地保证颗粒物和NO_x被除去；

3. 结合实施例七和对比例二，并结合表二的测试结果可以看出，加热温度过低，不利于V催化剂的催化反应。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，包括气流道（1），其特征在于：所述气流道（1）内部带有若干正极杆（3）和位于所有正极杆（3）侧面且可平移的若干负极板（21），每一所述负极板（21）上均涂覆有V基催化剂，并且气流道（1）于负极板（21）背离正极杆（3）一侧设置有加热组件，同时，气流道（1）内带有用于清除负极板（21）上颗粒物的清洁机构。

2.根据权利要求1所述的一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其特征在于：所述气流道（1）内带有主动轴（4a）和从动轴（4b），同一侧若干所述负极板（21）串联成环状的板链（2），并且板链（2）套于主动轴（4a）和从动轴（4b）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其特征在于：所述气流道（1）的侧壁开设有凹槽（5），且凹槽（5）的槽口处设置有挡风盖（54），同时，负极板（21）穿过挡风盖（54）于凹槽（5）和气流道（1）之间进行移动，所述清洁机构位于凹槽（5）中。

4.根据权利要求3所述的一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其特征在于：所述清洁机构包括与负极板（21）表面相接触的辊刷（52）和位于板链（2）下方的粉尘收集槽（51）。

5.根据权利要求3所述的一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其特征在于：所述清洁机构包括朝向负极板（21）内侧的吹气嘴（53）和位于负极板（21）下方的粉尘收集槽（51）。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其特征在于：所述正极杆（3）上带有若干分叉。

7.根据权利要求6所述的一种采用等离子体催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其特征在于：正极杆（3）和负极板（21）之间所加的电源为高压脉冲电源，且电源的最高脉冲电压为15～20KV，脉冲频率为60～80Hz，正极杆（3）与负极板（21）之间的最近间距为0.5～1m。

8.根据权利要求1所述的一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其特征在于：所述加热组件为电阻丝（22），其加热温度控制在200～300℃。

9.根据权利要求1所述的一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其特征在于：所述V基催化剂由V₂O₅和TiO₂分散负载于CNT上制得。

10.根据权利要求9所示的一种采用等离子体结合催化处理船舶尾气中颗粒物的装置，其特征在于：所述负极板（21）上V基催化剂涂覆的量为10～20g/dm²。