一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的装置及方法

1.本发明涉及大气污染净化技术领域，尤其涉及一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的装置及方法。


背景技术：

2.以燃油或燃气作为燃料的移动源装备包括道路机动车和非道路移动源。其中，非道路移动源包括工程机械、农业机械、铁路内燃机、船舶、飞机和火车等。移动源会排出含有氮氧化物(nox，包括no和no2)等污染物而且温度很高的尾气。氮氧化物进入环境会直接危害人体健康，如一氧化氮与血液中血红蛋白的结合能力远高于一氧化碳，会使人感到缺氧，损害中枢神经，甚至导致死亡。二氧化氮会对人体心脏、肝脏、肾等人体重要器官造成危害。同时，氮氧化物也是导致光化学烟雾、雾霾和酸雨的重要前体物质。因此，净化移动源尾气氮氧化物意义重大。
3.现有主流技术采用氨或尿素水溶液作还原剂,使氮氧化物还原为氮气，存在尾气净化系统复杂和氨逃逸隐患，而且未考虑氮氧化物回收利用，为此本发明提出了一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的装置及方法。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的装置及方法。
5.有鉴于此，本发明的第一方面在于提供一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的装置。
6.本发明的第二方面在于提供一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的方法。
7.本发明的第一方面提供了一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的装置，所述装置由安装在道路机动车或非道路移动源设备的底盘的尾气净化系统、臭氧或低温等离子体发生供给系统、吸收液循环系统、吸收产物浓缩回收系统，以及内嵌于移动源操控机构的控制系统组成；所述尾气净化系统的入口与道路机动车或非道路移动源设备的发动机尾气出口相连，所述臭氧或低温等离子体发生供给系统、吸收液循环系统、吸收产物浓缩回收系统与所述尾气净化系统相连。
8.进一步的，所述尾气净化系统包括：顺序相连的催化氧化转化器、蒸发浓缩器、混合器、氧化反应管、文丘里管、吸收反应器、高效旋风分离器；所述催化氧化转化器的进气口与道路机动车或非道路移动源设备的发动机尾气出口相连，用于使尾气中的一氧化氮部分或全部氧化为二氧化氮，并将尾气中的一氧化碳和碳氢化合物氧化为二氧化碳化碳和水；
9.所述蒸发浓缩器的入口与催化氧化转化器的出气口相连，蒸发浓缩器还包括吸收产物入口和吸收产物出口，其中吸收产物入口与所述吸收产物浓缩回收系统的吸收产物输送泵的出口相连，蒸发浓缩器形成热交换体系，利用由催化氧化转化器进入的高温尾气加热蒸发由吸收产物输送泵输送而来的吸收产物的部分水分，并降低尾气温度；蒸发浓缩器吸收产物出口与所述吸收产物浓缩回收系统的硝酸盐浓液和结晶物暂存罐入口相连，浓缩
得到的硝酸盐浓溶液自动流入暂存罐，蒸发出的水蒸汽自行外排至大气；所述混合器与所述臭氧或低温等离子体发生供给系统相连，使降温后的尾气与臭氧或低温等离子体发生供给系统提供的臭氧或低温等离子体充分混合；所述氧化反应管使尾气中的一氧化氮和二氧化氮氧化为高价态氮氧化物，所述高价态氮氧化物包括五氧化二氮(n2o5)、三氧化氮(no3)和其他高价态氮氧化物；所述文丘里管用于促使尾气与来自吸收液循环系统的吸收液雾滴充分混合接触；所述吸收反应器用于使来自吸收液循环系统的吸收液雾滴与尾气进一步混合并反应形成硝酸盐水溶液；所述高效旋风分离器用于分离从吸收反应器排出的净化气中的含硝酸盐雾滴。
10.进一步的，所述尾气净化系统还包括：设置在所述高效旋风分离器之后而且与其出气口相连的细颗粒物捕集器，所述细颗粒物捕集器用于捕集高效旋风分离器处理后残留的粒径极小、含量极低的颗粒物，只在对颗粒物排放控制有极高要求的场所才配备，其他场合不需要配备。
11.进一步的，所述臭氧或低温等离子体发生供给系统包括：车载电源、臭氧或低温等离子体发生器和臭氧或低温等离子体喷嘴；所述车载电源用于给臭氧或低温等离子体发生器供电，所述臭氧或低温等离子体发生器以空气作气源，将其中的部分气体转化为臭氧或低温等离子体，所述臭氧或低温等离子体喷嘴用于将含臭氧或低温等离子体的空气喷入所述混合器的内部。
12.进一步的，所述吸收液循环系统包括：吸收剂箱、吸收液箱、吸收液循环泵、吸收液喷嘴和喷射孔；所述吸收剂箱用于储存新鲜碱性水溶液，吸收剂箱的出液口通过电磁阀与所述吸收液箱的一个进液口相连；所述吸收液箱的另一个进液口连接所述高效旋风分离器的出液口和所述吸收反应器的底部出液口，所述吸收液箱用于暂存新鲜碱性水溶液以及所述吸收反应器和所述高效旋风分离器中流出的吸收液；所述吸收液箱的出液口通过吸收液循环泵连接吸收液喷嘴和喷射孔，所述吸收液喷嘴位于文丘里管的收缩段，所述吸收液喷射孔位于吸收反应器中心管壁，所述吸收液喷嘴和喷射孔用于雾化循环吸收液。
13.进一步的，所述新鲜碱性水溶液包括但不限于以下的至少一种：氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、氧化钙或氧化镁的水溶液；所述吸收液箱中的吸收液为新鲜碱性水溶液和吸收过程形成的含有硝酸盐的水溶液共同构成的溶液；所述硝酸盐包括但不限于以下的至少一种：硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙和硝酸镁，其阳离子与碱性吸收液所含金属阳离子相同。
14.进一步的，所述吸收产物浓缩回收系统包括：吸收产物输送泵和硝酸盐浓液和结晶物暂存罐；所述吸收产物输送泵的进液口与所述高效旋风分离器的出液口相连，且出液口与所述蒸发浓缩器相连，用于将高浓度硝酸盐溶液,即吸收产物送至蒸发浓缩器；所述蒸发浓缩器为热交换体系，高温尾气加热蒸发吸收产物的部分水分使其浓缩，浓缩得到的硝酸盐浓溶液自动流入硝酸盐浓液和结晶物暂存罐，所述硝酸盐浓液和结晶物暂存罐与所述蒸发浓缩器相连，用于储存所述蒸发浓缩器流出的浓缩后的吸收液，以及因自然冷却析出的硝酸盐结晶物。
15.进一步的，所述硝酸盐浓液和结晶物暂存罐用于储存来自蒸发浓缩器的吸收产物以及随后因自然冷却形成的结晶物，加油站或移动源装备售后服务机构取下暂存罐后，可送专业机构转化为硝酸盐产品。
16.进一步的，所述控制系统包括：信号传感器、控制单元和执行设备；所述传感器包括感应氧化反应管温度的温度传感器、感应吸收液酸碱度的 ph值传感器、感应净尾气臭氧和氮氧化物浓度的臭氧传感器和氮氧化物浓度传感器；所述控制单元用于接收传感器测得的信号以及大气温度和进入发动机的空气量信号，并进行数据处理以便确定臭氧或低温等离子体发生器供电电压、吸收液循环泵流量、吸收产物输送泵流量的参数值和吸收剂投加电磁阀的启停状态，再发出调控臭氧或低温等离子体发生器供电电压、吸收液循环泵流量、吸收产物输送泵流量和吸收剂投加电磁阀启停的命令；所述执行设备包括执行调控命令的臭氧或低温等离子体发生器、吸收液循环泵、吸收产物输送泵和吸收剂投加电磁阀。
17.本发明的第二方面提供了一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的方法，尾气自移动源发动机尾气出口排出后，先后经历以下步骤，实现尾气氮氧化物的净化和回收：1)在催化氧化转化器中，尾气中的一氧化碳和碳氢化合物被氧化为二氧化碳和水，同时，部分或全部一氧化氮氧化为二氧化氮；2)在蒸发浓缩器中，尾气与经吸收产物输送泵输送而来的吸收产物间接接触换热，使尾气温度降至150℃以下；3)在混合器中，尾气与外加臭氧或低温等离子体均匀混合；4)在氧化反应管中，外加的臭氧或低温等离子体将尾气中的一氧化氮和二氧化氮氧化为五氧化二氮、三氧化氮和其他高价态氮氧化物；5)在文丘里管，经氧化的尾气与外加的吸收液充分接触；6)在吸收反应器中，高价态氮氧化物被碱性水溶液吸收形成硝酸盐水溶液；7)在高效旋风分离器中，尾气中的雾滴与气体分离；8)在备选的细颗粒物捕集器中，粒径在1μm以下的细颗粒被分离，此装备只在对颗粒物排放控制有极高要求的场所才配备，其他场合不需要配备；9)吸收反应器和高效旋风分离器收集吸收液的大部分回流至吸收液箱，少部分由吸收产物输送泵送至蒸发浓缩器，蒸发水分，浓缩吸收液；10)在硝酸盐溶液和结晶物暂存罐中，硝酸盐溶液由于冷却降温导致溶解度降低，并逐步结晶析出；11)暂存罐内以结晶态为主的硝酸盐可由加油站和汽车维修企业回收，并送专业化机构实现资源化利用。
18.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
19.1)实现燃油和燃气移动源尾气氮氧化物的高效净化
20.本发明方法先利用臭氧或低温等离子体将经过或未经过催化氧化处理的移动源尾气氮氧化物(包括一氧化氮和二氧化氮)氧化为高价态氮氧化物。然后，利用碱性吸收液吸收水溶性好的高价态氮氧化物，形成硝酸盐水溶液,即吸收产物。最后，利用高效旋风分离器分离硝酸盐水溶液，实现尾气氮氧化物高效净化，并回收吸收液。
21.2)可防止臭氧泄漏二次污染
22.为了实现氮氧化物高效氧化为高价态氮氧化物的目标，通常需要加入稍过量的臭氧。臭氧具有水溶性和反应活性好的特点，利用这些特点，可使稍过量的臭氧溶入吸收液中，并与吸收液的还原性组分与其反应，消耗臭氧，从而防止臭氧泄漏，造成二次污染。
23.与传统的尾气氮氧化物处理技术相比，本发明还具有如下优势：
24.1)实现尾气余热的有效利用，节约回收利用硝酸盐所需能源
25.本发明不需要外加热源，利用尾气余热蒸发吸收产物，实现吸收液蒸发浓缩，得到硝酸盐浓液，这些硝酸盐浓液经自然冷却即可析出硝酸盐结晶物，便于回收利用。
26.2)可资源化净化氮氧化物得到的硝酸盐
27.现有技术局限于使氮氧化物还原为氮气，未考虑氮氧化物回收和资源化利用问
题。本发明充分利用移动源尾气成分简单，所得硝酸盐杂质含量少的优势，便于实现净化氮氧化物得到硝酸盐的资源化利用。
28.3)不存在安全风险和二次污染
29.本发明不涉及气态氨、铵水或尿素水溶液等易挥发性氨组分药剂，因此不存在安全风险。同时，也不存在过量氨逃逸的隐患。尽管需要投加稍过量的臭氧，但利用臭氧的良好水溶性和反应活性，可确保其高效溶入吸收液并与之反应，故不会发生臭氧泄漏，造成二次污染问题。
附图说明
30.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
31.图1为本发明的结构示意图。
32.其中，图1中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
33.1-催化氧化转化器、2-蒸发浓缩器、3-混合器、4-氧化反应管、5-文丘里管、6-吸收反应器、7-高效旋风分离器、8-细颗粒物捕集器、9-车载电源、 10-臭氧或低温等离子体发生器、11-臭氧或低温等离子体喷嘴、12-吸收剂箱、13-吸收液箱、14-吸收液循环泵、15-吸收液喷嘴喷孔、16-温度传感器、 17-ph值传感器、18-氮氧化物浓度传感器、19-臭氧传感器、20-控制单元、 21-吸收产物输送泵、22-硝酸盐浓液和结晶物暂存罐。
具体实施方式
34.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
35.本发明的一个具体实施例，如图1，公开了一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的装置，装置由安装在道路机动车或非道路移动源设备的底盘的尾气净化系统、臭氧或低温等离子体发生供给系统、吸收液循环系统、吸收产物浓缩回收系统，以及内嵌于移动源操控机构的控制系统组成；尾气净化系统的入口与道路机动车或非道路移动源设备的发动机尾气出口相连，臭氧或低温等离子体发生供给系统、吸收液循环系统、吸收产物浓缩回收系统与尾气净化系统相连，先利用臭氧或低温等离子体将经过或未经过催化氧化处理的移动源尾气氮氧化物(包括一氧化氮和二氧化氮)氧化为高价态氮氧化物。然后，利用碱性吸收液吸收水溶性好的高价态氮氧化物，形成硝酸盐水溶液；并利用臭氧具有水溶性和反应活性好的特点，使稍过量的臭氧溶入吸收液中，并与吸收液的还原性组分反应，消耗稍过量的臭氧，从而防止臭氧泄漏；本发明可实现尾气余热的有效利用，节约回收利用硝酸盐所需能源，而且不涉及气态氨、铵水或尿素水溶液等易挥发氨组分的药剂，因此不存在安全风险。
36.进一步地，尾气净化系统包括：顺序相连的催化氧化转化器1、蒸发浓缩器2、混合器3、氧化反应管4、文丘里管5、吸收反应器6、高效旋风分离器7；催化氧化转化器1的进气口与道路机动车或非道路移动源设备的发动机尾气出口相连，用于使尾气中的一氧化氮部分或全部氧化为二氧化氮，并将尾气中的一氧化碳和碳氢化合物氧化为二氧化碳和水；蒸发浓缩器2 的入口与催化氧化转化器1的出气口相连，蒸发浓缩器2还包括吸收产物入口和吸收产物出口，其中吸收产物入口与吸收产物浓缩回收系统的吸收产物输送泵21的出口相
连，蒸发浓缩器2形成热交换体系，利用由催化氧化转化器1进入的高温尾气加热蒸发由吸收产物输送泵21输送而来的吸收产物，即吸收产物的部分水分，并降低尾气温度；蒸发浓缩器2吸收产物出口与吸收产物浓缩回收系统的硝酸盐浓液和结晶物暂存罐入口相连，浓缩得到的硝酸盐浓溶液自动流入暂存罐，蒸发出的水蒸汽自行外排至大气；混合器3与臭氧或低温等离子体发生供给系统相连，使降温后的尾气与臭氧或低温等离子体发生供给系统提供的臭氧或低温等离子体充分混合；氧化反应管使尾气中的一氧化氮和二氧化氮氧化为高价态氮氧化物，高价态氮氧化物包括五氧化二氮、三氧化氮和其他高价态氮氧化物；文丘里管5 用于促使尾气与来自吸收液循环系统的吸收液雾滴充分混合接触；吸收反应器6用于使自吸收液循环系统的吸收液雾滴与尾气进一步混合并反应形成硝酸盐吸收液；高效旋风分离器7用于分离从吸收反应器6排出的净化气中的含硝酸盐雾滴；
37.通过催化氧化转化器1可将尾气中的一氧化碳和碳氢化合物氧化为二氧化碳和水，以及将尾气中一氧化氮部分或全部氧化为二氧化氮，使得氮氧化物在转化为高价态氮氧化物之前尽可能以二氧化氮形式存在，以减少需要投加的臭氧或低温等离子体用量；混合器3用于将尾气和臭氧或低温等离子体同时导入并接触，发生初级的混合，并且内置螺旋叶片以增大混合力度；加设氧化反应管，可增加混合和氧化反应时间，充分利用臭氧或低温等离子体氧化氮氧化物，并减少残留臭氧量；通过文丘里管5促进吸收液与尾气的混合；增设吸收反应器6，使液态吸收液能够与尾气更充分地混合和反应，生成硝酸盐；采用高效旋风分离器7可将液滴和气体分离；臭氧或低温等离子体发生器10是以空气作为气源，车载电源9供电的高压放电装置，其功能是使部分气体转化为臭氧或低温等离子体，采用车载电源9能够更好的与现有车辆的内部结构相适配，降低了装置的铺设空间，提高便携性。
38.进一步地，尾气净化系统还包括：设置在高效旋风分离器7之后而且与其出气口相连的细颗粒物捕集器8，细颗粒物捕集器8用于捕集高效旋风分离器7处理后残留的粒径极小、含量极低的颗粒物，只在对颗粒物排放控制有极高要求的场所才配备，其他场合不需要配备，通过设置细颗粒物捕集器8可对尾气中的颗粒物进行过滤，以便排放的尾气能够符合更加高规格的尾气排放要求。
39.进一步地，臭氧或低温等离子体发生供给系统包括：车载电源9、臭氧或低温等离子体发生器10和臭氧或低温等离子体喷嘴11；车载电源9用于给臭氧或低温等离子体发生器10供电，臭氧或低温等离子体发生器10以空气作气源，将其中的部分气体转化为臭氧或低温等离子体，臭氧或低温等离子体喷嘴11用于将含臭氧或低温等离子体的空气喷入混合器3的内部。
40.进一步地，吸收液循环系统包括：吸收剂箱12、吸收液箱13、吸收液循环泵14、吸吸收液喷嘴和喷射孔15；吸收剂箱12用于储存新鲜碱性水溶液，吸收剂箱12的出液口通过电磁阀与吸收液箱13的一个进液口相连；吸收液箱13的另一个进液口连接高效旋风分离器7的出液口和吸收反应器 6的底部出液口，吸收液箱13用于暂存新鲜碱性水溶液以及吸收反应器6 和高效旋风分离器7中流出的吸收液；吸收液箱13的出液口通过吸收液循环泵14、连接吸收液喷嘴和喷射孔15，吸收液喷嘴15位于文丘里管5的收缩段，吸收液喷射孔15位于吸收反应器6的中心管壁，吸收液喷嘴和喷射孔15用于喷入并雾化循环吸收液；通过吸收剂箱12可进行吸收剂的暂存，通过启停电磁阀可吸收剂补充至吸收液箱；对吸收液箱13设置两个出液端可分别连通文丘里管收缩段和吸收反应器中心管的吸收液喷嘴和喷射孔15，可确
保吸收液与尾气充分接触，并且借助文丘里管5和吸收反应器 6的不同混料方式，使得在行进中的尾气和吸收液能够以更加全面的角度混合；吸收产物输送泵21可将反应后的含有高浓度硝酸盐的吸收产物输送至蒸发浓缩器，以便蒸发浓缩和后续利用；
41.具体地，位于文丘里管5的吸收液喷嘴15与位于吸收反应器6的吸收液喷射孔15相互垂直设置。
42.进一步地，新鲜碱性水溶液包括但不限于以下的至少一种：氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾、氧化钙或氧化镁的水溶液；吸收液箱13中的吸收液为新鲜碱性水溶液和吸收过程形成的含有硝酸盐的水溶液共同构成的溶液；硝酸盐包括但不限于以下的至少一种：硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙和硝酸镁。
43.进一步地，吸收产物浓缩回收系统包括：吸收产物输送泵21和硝酸盐浓液和结晶物暂存罐22；吸收产物输送泵21的进液口与高效旋风分离器7 的出液口相连，且出液口与蒸发浓缩器2相连，用于将高浓度硝酸盐溶液送至蒸发浓缩器2；蒸发浓缩器2为热交换体系，高温尾气加热蒸发吸收产物的部分水分使其浓缩，浓缩得到的硝酸盐浓溶液自动流入硝酸盐浓液和结晶物暂存罐22，硝酸盐浓液和结晶物暂存罐22与蒸发浓缩器2相连，用于储存蒸发浓缩器2流出的浓缩后的吸收液，以及因自然冷却析出的硝酸盐结晶物；增设吸收液循环泵14，可促使反应的吸收液进行回流，使得吸收液的有效组分能够最大程度的被利用，并且与吸收剂箱12和电磁阀相配合，保证吸收液能够稳定且充足供应；通过设置硝酸盐浓液和结晶物暂存罐22可对冷却后的硝酸盐溶液和结晶进行集中收存，以便定期卸载和再利用。
44.进一步地，硝酸盐浓液和结晶物暂存罐22用于储存来自蒸发浓缩器2 的吸收产物以及随后因自然冷却形成的结晶物，加油站或移动源装备售后服务机构取下硝酸盐浓液和结晶物暂存罐22后，可送专业机构转化为硝酸盐产品。
45.进一步地，控制系统包括：信号传感器、控制单元20和执行设备；传感器包括感应氧化反应管温度的温度传感器16、感应吸收液酸碱度的ph 值传感器17、感应净尾气臭氧和氮氧化物浓度的臭氧传感器19和氮氧化物浓度传感器18；控制单元20用于接收传感器测得的信号以及大气温度和进入发动机的空气量信号，并进行数据处理以便确定臭氧或低温等离子体发生器10供电电压、吸收液循环泵14流量、吸收产物输送泵21流量等参数值和吸收剂投加电磁阀的启停，再发出调控臭氧或低温等离子体发生器10 供电电压、吸收液循环泵14流量、吸收产物输送泵21流量和吸收剂投加电磁阀启停的命令；执行设备包括执行调控命令的臭氧或低温等离子体发生器10、吸收液循环泵14、吸收产物输送泵21和吸收剂投加电磁阀；增设控制单元20可对装置在运转中的各种信号进行检测，并根据预先的设定进行适应性的调节和应对，如氧化反应中的放热量、对输出吸收液的ph值检测、对排放尾气中的臭氧浓度和氮氧化物的浓度检测，保证了装置在持续的运行中内部反应的稳定、吸收液稳定供应、尾气排放持续符合标准。
46.本发明的第二方面提供了一种实现移动源尾气氮氧化物净化和回收的方法，尾气自移动源发动机尾气出口排出后，先后经历以下步骤，实现尾气氮氧化物的净化和回收：1)在催化氧化转化器1中，尾气中的一氧化碳和碳氢化合物被氧化为二氧化碳和水，同时，部分或全部一氧化氮氧化为二氧化氮；2)在蒸发浓缩器2中，尾气与吸收产物输送泵21输送而来的吸收产物间接接触换热，使尾气温度降至150℃以下；3)在混合器3中，尾气与外加臭氧
或低温等离子体均匀混合；4)在氧化反应管中，外加的臭氧或低温等离子体将尾气中的一氧化氮和二氧化氮氧化为五氧化二氮、三氧化氮和其他高价态氮氧化物；5)在文丘里管5，经氧化的尾气与外加的吸收液充分接触；6)在吸收反应器6中，高价态氮氧化物被碱性水溶液吸收形成硝酸盐水溶液；7)在高效旋风分离器7中，尾气中的雾滴与气体分离；8)在备选的细颗粒物捕集器8中，粒径在1μm以下的细颗粒被分离，此装备只在对颗粒物排放控制有极高要求的场所才配备，其他场合不需要配备；9)吸收反应器6和高效旋风分离器7收集吸收液的大部分回流至吸收液箱13，少部分由吸收产物输送泵21送至蒸发浓缩器2，蒸发水分，浓缩吸收液；10)在硝酸盐浓液和结晶物暂存罐中，硝酸盐溶液由于冷却降温导致溶解度降低，并逐步结晶析出；11)暂存罐内以结晶态为主的硝酸盐可由加油站和汽车维修企业回收，并送专业化机构实现资源化利用。
47.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。