噴射鼓泡塔海水脫硫特性

張清鳳，陳曉平（能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)），江蘇 南京 210096）

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噴射鼓泡塔海水脫硫特性

張清鳳，陳曉平
（能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)），江蘇 南京 210096）

摘要：為探究以海水作為脫硫劑在噴射鼓泡塔上的脫硫特性，通過改變廢氣流量、海水溫度、浸液深度、SO2進(jìn)口濃度和O2濃度等操作參數(shù)，在自主設(shè)計(jì)和搭建的噴射鼓泡塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了船舶模擬廢氣的脫硫?qū)嶒?yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在噴射鼓泡塔上，海水對(duì)SO2的吸收容量為3.682 mmol·L-1，約是去離子水的3.92倍；脫硫效率隨廢氣流量、海水溫度和SO2進(jìn)口濃度的升高而降低，隨浸液深度和O2濃度的升高而升高，與脫硫時(shí)間呈線性下降關(guān)系。液相總傳質(zhì)系數(shù)隨廢氣流量和海水溫度的增加而增加，其中廢氣流量的影響幅度較小，僅為3.16%。增加O2濃度可顯著提高海水對(duì)SO2的吸收容量，O2濃度從0%增至12%時(shí)，海水的吸收容量從3.682 mmol·L-1增至7.463 mmol·L-1。

關(guān)鍵詞：海水；噴射鼓泡塔；傳質(zhì)；反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；氣泡；脫硫效率

2015-08-21收到初稿，2015-11-20收到修改稿。

聯(lián)系人：陳曉平。第一作者：張清鳳（1991—），女，碩士研究生。

Received date: 2015-08-21.

引　言

船舶柴油機(jī)排放的SO2是形成酸雨的一大原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，全球船舶SO2年排放量達(dá)到900多萬噸，約占世界SO2排放總量的7%，約占整個(gè)運(yùn)輸行業(yè)SO2排放量的60%，船舶柴油機(jī)SO2的排放控制已迫在眉睫。目前降低船舶SO2排放量的方法主要有使用低硫燃料和廢氣脫硫兩種[2]。使用低硫燃料成本高，并且需要改造船舶的燃油設(shè)備，從經(jīng)濟(jì)性上看這并不是降低SO2排放量的最佳選擇。MARPOL公約73/78附則Ⅵ指出，船舶可使用經(jīng)主管機(jī)關(guān)按 IMO 制訂的導(dǎo)則認(rèn)可的廢氣凈化技術(shù)。海水脫硫技術(shù)具有運(yùn)行成本低、無固體廢棄物等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于陸用設(shè)施上。對(duì)于船舶而言，海水資源豐富，船舶可就地取材，脫硫后的海水經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后可排回海洋，因此海水脫硫技術(shù)在船舶上具有良好的應(yīng)用前景。

目前海水脫硫的研究大都基于噴淋塔和填料塔進(jìn)行[3-4]。Ghazi等[5]搭建中試規(guī)模的噴淋塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了海水在噴淋塔上的脫硫特性及海水溫度、鹽度對(duì)脫硫效率的影響。Juan等[6]在噴淋塔上進(jìn)行海水脫硫研究，結(jié)果表明塔內(nèi)氣液傳質(zhì)效果較差，允許的氣速較小。Giuseppe等[7]基于噴淋塔研究不同液氣比、SO2濃度對(duì)海水脫硫效率的影響，得到的脫硫效率均低于90%。Anders等[8]計(jì)算了燃用含硫量4.5%燃油的船舶要達(dá)到66%的脫硫效率，噴淋塔所需的海水量高達(dá)40～63 kg·kW-1·h-1。馬義平等[9]模擬了在填料塔上SO2分壓強(qiáng)和海水堿度等因素對(duì)海水脫除船舶硫氧化物的影響，結(jié)果表明脫硫效率隨著SO2分壓強(qiáng)降低和海水堿度的增加而增加，但其并未從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度分析影響機(jī)理。Shiva等[10]基于填料塔研究了液氣比與廢氣溫度對(duì)海水脫硫效率的影響。Vidal等[11]在250 MW電廠上對(duì)填料塔和噴淋塔進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明雖在相同條件下要達(dá)到相同的脫硫效率填料塔所需的海水量比噴淋塔少47%，但仍高達(dá)1625 m3·h-1。Douabul等[12]選取5.8～30℃溫度范圍的海水在噴淋塔上進(jìn)行了脫硫?qū)嶒?yàn)，結(jié)果表明在5.8℃條件下SO2在海水中的溶解度最大。王慧[13]通過建立動(dòng)力學(xué)方程研究了海水吸收SO2的動(dòng)力學(xué)特征，但該研究忽略了生成物對(duì)反應(yīng)速率的影響。而Zhang等[14]在高度為750 mm填料塔上進(jìn)行的脫硫?qū)嶒?yàn)表明脫硫效率對(duì)填料性質(zhì)具有很強(qiáng)的依賴性。噴淋塔和填料塔海水循環(huán)量大，裝置占用面積大，導(dǎo)致在空間有限的船舶上海水脫硫效率普遍較低。日本千代田公司提出的噴射鼓泡塔氣液分散方式是液相為連續(xù)相，氣相為分散相，氣液傳質(zhì)作用強(qiáng)烈。已有研究[15-17]表明在相同條件下，石灰石溶液在噴射鼓泡塔上的脫硫效果優(yōu)于噴淋塔。噴射鼓泡塔易滿足船舶使用空間的限制，在船舶脫硫系統(tǒng)上具有良好的應(yīng)用前景，然而目前尚未有將噴射鼓泡塔用于海水脫硫的報(bào)道。

為了探討海水在噴射鼓泡塔上的脫硫特性，本文在自主設(shè)計(jì)搭建的噴射鼓泡塔平臺(tái)上進(jìn)行海水脫硫?qū)嶒?yàn)，并基于噴射鼓泡塔的特點(diǎn)從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度分析廢氣流量、海水溫度、浸液深度、SO2進(jìn)口濃度及O2濃度等參數(shù)對(duì)海水脫硫特性的影響。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及方法

基于噴射鼓泡塔的海水脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括廢氣供給系統(tǒng)、海水吸收系統(tǒng)、海水供給系統(tǒng)和測控系統(tǒng)。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況開始前，向噴射鼓泡塔內(nèi)一次性裝入定量的海水。在實(shí)驗(yàn)過程中，海水不更換且保持體積不變，而廢氣保持連續(xù)供給。

廢氣供給系統(tǒng)由SO2（2%SO2+N2）、高純N2、高純O2和混合罐組成，通過調(diào)節(jié)減壓閥和氣體流量計(jì)控制各路氣體流量。首先向系統(tǒng)中通入高純N210 min，將系統(tǒng)中的空氣排空，然后打開旁路，關(guān)閉主通路，通入SO2和高純O2，待氣體經(jīng)混合罐混合穩(wěn)定后關(guān)閉旁路，打開主通路，將其模擬船舶廢氣通入噴射鼓泡塔。

海水吸收系統(tǒng)的核心設(shè)備為噴射鼓泡塔，其橫截面為圓形，有效高度和內(nèi)徑分別為465 mm、f219 mm，內(nèi)部均勻布置8根內(nèi)徑為f6 mm的噴射管，每根管端開設(shè)有3個(gè)f2 mm的圓孔，噴射管端部距塔底50 mm，脫硫塔的材料均采用316 L不銹鋼。

海水供給系統(tǒng)包含海水罐、水泵和流量計(jì)，利用水泵向噴射鼓泡塔輸入實(shí)驗(yàn)所需的液量。為了消除天然海水中微生物及痕量金屬離子等雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，配制鹽度為3.5%，堿度為2.4 mmol·L-1的人工海水用于實(shí)驗(yàn)，各成分含量如表1所示。

測控系統(tǒng)由溫度傳感器、加熱管、溫度控制儀、在線pH計(jì)、煙氣分析儀和計(jì)算機(jī)等組成。加熱管水平安裝在距塔底25 mm的位置，溫度測點(diǎn)設(shè)在距塔底75 mm高度處。采用Sinomeasure公司的耐高溫在線pH計(jì)與水平線成15°安裝在距塔底56 mm的高度處。廢氣中各組分的濃度使用德國MRU公司的VARIO PLUS煙氣分析儀在線分析，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄并保存。海水中的濃度采用碘量法測量。的濃度采用重量法測量，其主要原理是硫酸根和鋇離子反應(yīng)生成白色硫酸鋇沉淀，灼燒至恒重后，根據(jù)硫酸鋇的質(zhì)量計(jì)算濃度。

圖1　海水脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)Fig.1　Experimental system of seawater desulphurization

表1　海水中各離子成分的含量Table 1　Constituents of seawater used in experiment

2　理　論

2.1脫硫效率

因?yàn)楹Ｋ疁囟茸兓秶^小，海水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣量遠(yuǎn)小于廢氣量，因此忽略海水蒸發(fā)量對(duì)廢氣流量的影響[18]。另外，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)密封性良好，因此可認(rèn)為噴射鼓泡塔進(jìn)出口廢氣流量相等，脫硫效率可由式（1）計(jì)算

式中，j為脫硫效率，%；C0為噴射鼓泡塔入口廢氣中SO2的濃度，mg·m-3；C為噴射鼓泡塔出口廢氣中SO2的濃度，mg·m-3。

2.2傳質(zhì)系數(shù)

海水與SO2接觸的傳質(zhì)模型采用雙膜模型，液膜總傳質(zhì)系數(shù)KL與膜傳質(zhì)分系數(shù)的關(guān)系為[19]

式中，kL為液相傳質(zhì)分系數(shù)；kG為氣相傳質(zhì)分系數(shù)；H為亨利系數(shù)，mol·m-3·Pa-1，可表示為溫度的表達(dá)式

式中，T0為熱力學(xué)溫度，298 K；A1、A2為常數(shù)，分別取1.184×10-5mol·kg-1·Pa-1，2850 K[8]。

在噴射鼓泡塔上液相傳質(zhì)分系數(shù)kL可由式（4）計(jì)算[20]

式中，Ge為平均氣含率；dR為氣泡平均直徑，m；a為氣液傳質(zhì)比表面積，m-1；DL為SO2在海水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1；Lm、Lr、Ls分別為海水的動(dòng)力黏度、密度、表面張力。

噴射鼓泡塔氣液分散方式是液相為連續(xù)相，氣相為分散相。由于氣相以分散相的狀態(tài)高度分散在液相中，此時(shí)液相的物性、氣速、氣相擴(kuò)散系數(shù)等均不能忽略，因此在噴射鼓泡塔內(nèi)平均氣含率和氣泡平均直徑可根據(jù)Akita等提出的經(jīng)驗(yàn)公式確定。其中，平均氣含率Ge為[20]

氣泡平均直徑dR為[21]

式中，vG為空塔氣速，m·s-1；QG為氣體流量，m3·s-1；d0為噴射孔的孔徑，m。

氣液傳質(zhì)比表面積a在噴射鼓泡塔中可由式（7）計(jì)算[22]

氣相傳質(zhì)分系數(shù)kG由Sherwood數(shù)計(jì)算

當(dāng)海水溫度為25℃時(shí)，Lm=9.419×10-4N·s·m-2，Lr=1.025×103kg·m-3，Ls=30.985 mN·m-1，DL=1.83×10-9m2·s-1。

3　結(jié)果與討論

3.1海水的脫硫特性

在液體溫度25℃，廢氣流量為16.7 L·min-1，浸液深度為200 mm，SO2進(jìn)口濃度為1714 mg·m-3的條件下，分別取9.4 L的海水和去離子水進(jìn)行SO2的吸收實(shí)驗(yàn)。未特別指明時(shí)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)均為上述值。海水、去離子水的pH與SO2出口濃度隨脫硫時(shí)間的變化分別如圖2、圖3所示。海水的pH變化分為4個(gè)階段，第1個(gè)階段pH由8快速降至7.12，是由于SO2溶于海水后電離出大量的H+，pH急劇下降；第2階段pH由7.12降至5.68，變化較為平緩，而去離子水的pH變化并不存在這一階段，是因?yàn)楹Ｋ嬖谔妓猁}緩沖體系，HCO-3中和了部分H+使得pH下降速率減緩[23]；第3階段由于HCO3-被消耗完，H+濃度再次急劇增加；第4階段由物理吸收起主導(dǎo)作用，吸收量有限，因此pH下降緩慢，最終由于海水吸收飽和而趨近定值2.58。

圖2　海水pH與SO2出口濃度隨脫硫時(shí)間的變化Fig.2　Transient variation in pH of seawater and outlet SO2

圖3　去離子水pH與SO2出口濃度隨脫硫時(shí)間的變化Fig.3　Transient variation in pH of deionized water and outletSO2concentration

圖2中SO2出口濃度在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了55 min才不為0，此時(shí)pH第3階段接近結(jié)束， 85～136 min內(nèi)濃度急劇上升，而圖3在99 min時(shí)SO2出口濃度即與進(jìn)口濃度相等。去離子水對(duì)SO2的吸收為物理吸收，結(jié)果表明因海水緩沖體系的作用，海水對(duì)SO2的化學(xué)吸收作用遠(yuǎn)大于物理吸收。單位體積溶液對(duì)SO2的吸收容量S可由SO2出口濃度曲線積分得到

在噴射鼓泡塔上，單位體積去離子水對(duì)SO2的吸收容量為0.938 mmol·L-1，而海水為3.682 mmol·L-1，約為去離子水的3.92倍。

圖4　不同廢氣流量下氣液傳質(zhì)系數(shù)的變化Fig.4　Variation in gas and liquid phase mass transfer as a function of waste gas flow

3.2廢氣流量對(duì)海水脫硫特性的影響

圖4為氣液傳質(zhì)系數(shù)隨廢氣流量的變化情況。如圖所示，隨著流量的增加，氣相傳質(zhì)分系數(shù)減小，液相傳質(zhì)分系數(shù)增大，液相總傳質(zhì)系數(shù)表現(xiàn)為小幅增大，增幅僅為3.16%。分析原因是：①一方面在噴射鼓泡塔中，噴射管的噴射氣速隨廢氣流量的增加而增加，導(dǎo)致氣液接觸的時(shí)間減少；另一方面鼓泡區(qū)內(nèi)平均氣泡直徑增大，氣液傳質(zhì)比表面積減小導(dǎo)致氣相傳質(zhì)分系數(shù)降低；②氣速的增加不僅增強(qiáng)了氣液兩相間的湍動(dòng)，而且加大了氣液接觸面積，氣液傳質(zhì)作用增強(qiáng)，液相傳質(zhì)分系數(shù)增大，最終表現(xiàn)為液相總傳質(zhì)系數(shù)隨廢氣流量的增加而增加。

圖5為不同廢氣流量下海水脫硫效率隨時(shí)間的變化。從圖中可知，流量為31.56 L·min-1時(shí)維持將SO2全部吸收的時(shí)間為25 min，而流量為13.56 L·min-1時(shí)維持的時(shí)間達(dá)85 min，流量是前者的0.43倍，維持的時(shí)間卻是前者的3.4倍。分析原因是：一方面噴射鼓泡塔的氣液分散方式?jīng)Q定了海水吸收SO2過程中液相傳質(zhì)阻力1/KL是影響傳質(zhì)的主要因素，液相傳質(zhì)阻力隨廢氣流量的升高而降低，氣液相傳質(zhì)速率加快，海水達(dá)到飽和的時(shí)間縮短。另一方面廢氣流量增加，單位時(shí)間進(jìn)入塔內(nèi)的SO2量增加，使得單位體積海水的脫硫負(fù)荷量增加，當(dāng)單位時(shí)間海水的吸收量小于氣相中SO2的增加量時(shí)脫硫效率表現(xiàn)為下降；流量從13.56 L·min-1增至31.56 L·min-1時(shí)噴射氣速提高了3.97 m·s-1，導(dǎo)致廢氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間大大縮短，氣液接觸時(shí)間減小，大部分SO2沒有與海水充分接觸即被排出塔外。綜合表現(xiàn)為在13.56～31.56 L·min-1流量范圍內(nèi)，廢氣流量越小，海水的脫硫性能越好。

圖5　廢氣流量對(duì)海水脫硫效率的影響Fig.5　Influence of waste gas flow on seawater desulphurization efficiency

3.3海水溫度對(duì)海水脫硫特性的影響

圖6為氣液傳質(zhì)系數(shù)隨海水溫度的變化。由圖可知，在25～70℃的范圍內(nèi)，氣相傳質(zhì)分系數(shù)、液相傳質(zhì)分系數(shù)和液相總傳質(zhì)系數(shù)均隨海水溫度的升高而增大，其中液相傳質(zhì)分系數(shù)增加幅度最大，為186.9%。分析原因是：①海水表面張力隨海水溫度的升高而減小，降低了氣相在液相中的傳質(zhì)阻力；②氣體分子在海水中的擴(kuò)散作用隨溫度的升高而增強(qiáng)，分子運(yùn)動(dòng)速率提高，氣體動(dòng)量增加，液相傳質(zhì)分系數(shù)提高；③海水黏度隨溫度的升高而降低，氣泡平均直徑下降，增強(qiáng)了SO2在氣相的擴(kuò)散作用，氣相傳質(zhì)分系數(shù)提高，綜合表現(xiàn)為液相傳質(zhì)總系數(shù)隨溫度的升高而增大。

圖6　不同溫度下氣液傳質(zhì)系數(shù)的變化Fig.6　Variation in gas and liquid phase mass transfer as a function of seawater temperature

圖7　不同海水溫度對(duì)脫硫效率的影響Fig.7　Influence of seawater temperature on desulphurization efficiency

圖7為不同溫度下海水脫硫效率隨時(shí)間的變化。海水維持將SO2全部吸收的時(shí)間隨溫度的降低而增加，脫硫效率從100%降至20%的過程與時(shí)間幾乎呈線性下降關(guān)系，且海水溫度越高，下降速率越快。分析原因是：①一方面由Arrhenius方程可知，海水堿性成分的活化能隨溫度的升高而升高，此時(shí)在界面處SO2與海水的反應(yīng)速率也隨海水溫度的升高而增加；另一方面液相傳質(zhì)阻力隨海水溫度的升高而降低，氣液傳質(zhì)速率加快，利于脫硫過程；②氣體分子的運(yùn)動(dòng)隨海水溫度的升高而加快，降低了SO2在海水中的停留時(shí)間，導(dǎo)致氣液間沒有充分的時(shí)間接觸，反應(yīng)程度下降；③由Henry定律可知，SO2在海水中的溶解度隨海水溫度的升高而降低，海水對(duì)SO2的物理吸收減弱；④在高溫度時(shí)，海水已吸收的SO2處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易導(dǎo)致SO2從海水中溢出， 降低脫硫效率。綜合表現(xiàn)為脫硫效率隨海水溫度的升高而下降，與Ghazi等[5]的研究結(jié)果一致。

脫硫效率降至20%以后下降速率變緩，原因可能是HCO3-被消耗完，此時(shí)物理吸收起主導(dǎo)作用，而溫度對(duì)海水物理吸收的影響小于化學(xué)吸收，因此該階段脫硫效率下降變緩。大洋海水的溫度變化范圍為0～35℃，船舶在冬季航行時(shí)海水脫硫效果相對(duì)理想，而在夏季航行時(shí)，可在脫硫前適當(dāng)冷卻海水來提高脫硫效率。

3.4浸液深度對(duì)脫硫效率的影響

浸液深度為噴射孔的中心與海水靜止液面的距離，圖8為在不同浸液深度下海水脫硫效率隨時(shí)間的變化。由圖可知，浸液深度與脫硫效率呈正相關(guān)，同一時(shí)間浸液深度越大脫硫效率越高，海水維持將SO2全部吸收的時(shí)間越長。分析原因是：①浸液深度增加，即海水的堿性成分總量增加提高了海水對(duì)SO2的總吸收量，延長了海水的飽和時(shí)間；②氣體在鼓泡區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間增加，提高了SO2與海水的接觸時(shí)間，使SO2具有更多的機(jī)會(huì)滲入海水液滴內(nèi)部與堿性成分接觸[23]；③廢氣流量不變，海水量增加使得單位體積海水的脫硫負(fù)荷量降低，海水不易達(dá)到飽和，促進(jìn)氣液間的傳質(zhì)，使得海水吸收SO2更加充分。浸液深度是噴射鼓泡塔影響脫硫效率的特有參數(shù)，雖然增加浸液深度能提高脫硫效率，但也增加了系統(tǒng)阻力和電耗[24]，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)平衡經(jīng)濟(jì)性與脫硫效率選擇最佳的浸液深度。

圖8　不同浸液深度對(duì)脫硫效率的影響Fig.8　Influence of immersion depth on desulphurization efficiency

圖9　不同SO2進(jìn)口濃度下海水的平均脫硫效率Fig.9　Variation in mean desulphurization efficiency as a function of inlet SO2concentration

圖10　不同SO2進(jìn)口濃度下pH隨時(shí)間的變化Fig.10　Transient variation in pH of seawater as a function of inlet SO2concentration

3.5SO2進(jìn)口濃度對(duì)脫硫效率的影響

當(dāng)SO2進(jìn)口濃度為4286 mg·m-3時(shí)，脫硫效率在89 min降至5%以下，因此取脫硫時(shí)間89 min內(nèi)的平均脫硫效率j-研究SO2進(jìn)口濃度對(duì)脫硫效率的影響，如圖9所示。平均脫硫效率隨SO2進(jìn)口濃度的增加而降低，SO2進(jìn)口濃度從857 mg·增至4286 mg·m-3，平均脫硫效率的降幅為44.83%。分析原因是：①由于塔內(nèi)海水量保持不變，單位時(shí)間進(jìn)入塔內(nèi)的SO2量增加，導(dǎo)致單位體積海水的脫硫負(fù)荷量增加，海水達(dá)到飽和的時(shí)間縮短，吸收能力下降的速率加快；②根據(jù)雙膜理論，氣相中SO2濃度增加使得SO2氣相分壓增加。一方面以氣相與相界面間SO2的分壓差作為氣相傳質(zhì)推動(dòng)力，SO2氣相分壓的增加利于推動(dòng)氣液間的傳質(zhì)，提高傳質(zhì)速率，因此SO2進(jìn)口濃度越大，海水pH隨脫硫時(shí)間下降越快，如圖10所示；另一方面吸收速率加快導(dǎo)致被快速消耗，海水電離出大量H+反過來抑制SO2的吸收。綜合表現(xiàn)為平均脫硫效率隨SO2進(jìn)口濃度的升高而下降。

MARPOL73/78公約附則Ⅵ規(guī)定船上使用的燃油其含硫量在2020年1月1日后不應(yīng)超過0.5%（質(zhì)量）；對(duì)于硫氧化物排放控制區(qū)，船上使用的燃油其含硫量在2015年1月1日后不應(yīng)超過0.1%（質(zhì)量）。即在2020年后船上使用的燃油均為中低硫燃油，船舶中、低速柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)相應(yīng)排放的SO2濃度在500～4000 mg·m-3范圍內(nèi)。由圖9可知在500～4000 mg·m-3的SO2濃度范圍內(nèi)，海水的平均脫硫效率在75%以上。說明在一定的操作條件下，海水脫硫技術(shù)在燃用中低硫燃油的船舶上可達(dá)到較高的脫硫效率，具有工業(yè)實(shí)施的可行性。

3.6O2濃度對(duì)脫硫效率的影響

圖11為不同O2濃度下海水脫硫效率隨時(shí)間的變化。0%O2濃度下海水維持將SO2全部吸收的時(shí)間為55 min，略高于有氧氣氛，增量在4 min內(nèi)。海水對(duì)SO2的吸收容量隨O2濃度的增加而增加，O2濃度從0增至12%時(shí)，吸收容量從3.682 mmol·L-1增至7.463 mmol·L-1。分析原因：①O2濃度升高，促進(jìn)氧化成，使得亞硫酸電離速率增加， 吸收速率加快[25]，促進(jìn)海水的化學(xué)吸收；②氧化量提高，促進(jìn)SO2·H2O溶解平衡向右進(jìn)行，提高SO2在海水中的溶解度，防止SO2的脫吸，增加了海水的物理吸收量，提高海水對(duì)SO2的吸收容量。

圖11　不同O2濃度對(duì)脫硫效率的影響Fig.11　Influence of inlet O2concentration on desulphurization efficiency

圖12為反應(yīng)終了時(shí)不同O2濃度下海水和（除去海水原有的含量）的含量。0%O2濃度下的濃度為1.27 mmol·L-1，歸因于海水中溶解氧對(duì)的氧化。有氧氣氛下海水終液的濃度比無氧氣氛下低1.02～1.75 mmol·L-1，提高海水中的氧化量可促進(jìn)海水對(duì)的物理和化學(xué)吸收，利于提高脫硫效率。船舶柴油機(jī)廢氣中O2含量一般為4%～10%，O2的存在利于海水用于船舶脫硫。

圖12　不同O2濃度下海水終液和的含量Fig.12　andconcentration in scrubbed seawater at different inlet O2concentration

4　結(jié)　論

通過在自主搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行海水與噴射鼓泡塔結(jié)合的脫硫?qū)嶒?yàn)，研究了廢氣流量、海水溫度、浸液深度、SO2進(jìn)口濃度和O2濃度等參數(shù)對(duì)海水脫硫特性的影響，結(jié)論如下：

（1）液相總傳質(zhì)系數(shù)隨廢氣流量的增加而增加，增幅為3.16%；在13.56～31.56 L·min-1流量范圍內(nèi)，廢氣流量越小，海水表現(xiàn)的脫硫性能越好；

（2）氣液傳質(zhì)分系數(shù)和液相總傳質(zhì)系數(shù)均隨海水溫度的升高而升高，其中液相傳質(zhì)分系數(shù)增加幅度最大，達(dá)186.9%；脫硫效率隨海水溫度的降低而升高，船舶可根據(jù)季節(jié)變化調(diào)節(jié)海水溫度來改善脫硫效率；

（3）雖然增加浸液深度能提高噴射鼓泡塔的脫硫效率，但在實(shí)際應(yīng)用中需考慮系統(tǒng)的阻力和電耗選擇合適的浸液深度；

（4）平均脫硫效率隨SO2進(jìn)口濃度的升高而下降，且在高濃度時(shí)下降趨勢(shì)更顯著；

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Desulphurization properties of seawater with jet bubbling reactor

ZHANG Qingfeng，CHEN Xiaoping
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China)

Abstract:In order to study the desulphurization properties of seawater with jet bubbling reactor，experimental researches on SO2removal from simulated marine waste gas were investigated in a self-designed jet bubbling reactor. The parameters influencing desulphurization efficiency，such as waste gas flow，seawater temperature，immersion depth，inlet concentration of SO2and O2，were examined. Results showed that the absorption capacity of seawater scrubbing SO2was up to 3.682 mmol·L-1about 3.92 times that of deionized water. The desulphurization efficiency decreased with the increase in waste gas flow，seawater temperature and inlet SO2concentration while it increased with increasing immersion depth and inlet O2concentration. Desulphurization efficiency reduced linearly over desulphurization time. Increasing waste gas flow can increase total liquid phase mass transfer coefficient by 3.16%，which was less than that of seawater temperature. The absorption capacity increased significantly with increasing inlet O2concentration. It increased from 3.682 mmol·L-1to 7.463 mmol·L-1as the inlet O2concentration increased from 0% to 12%.

Key words:seawater; jet bubbling reactor; mass transfer; reaction kinetics; bubble; desulphurization efficiency

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151330

中圖分類號(hào)：X 701.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）04—1572—08

Corresponding author:Prof. CHEN Xiaoping，xpchen@seu.edu.cn