船舶尾氣海水脫硫模擬實(shí)驗(yàn)研究

摘" " 要：文章采用實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)產(chǎn)生含硫尾氣模擬實(shí)船柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣并以海水為去硫介質(zhì)的方法，獲取脫硫裝置的脫硫功效變化曲線。本實(shí)驗(yàn)脫硫裝置采用由文丘里初洗器和主塔區(qū)兩部分結(jié)構(gòu)組成的噴淋塔，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察改變脫硫塔結(jié)構(gòu)對(duì)脫硫效率產(chǎn)生的影響，以及海水PH值、液-氣比對(duì)于脫硫效率的作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，安裝文丘里初洗器可在初洗區(qū)脫除部分二氧化硫；加裝兩塊節(jié)流孔板后，其脫硫效率分別比加裝一塊和未加裝節(jié)流孔板時(shí)高5%與25%；海水PH值越大、液-氣比越高，脫硫效率越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明安裝文丘里初洗器、增設(shè)雙層節(jié)流孔板、調(diào)整海水PH值均能提高脫硫效果；提高液-氣比也有助于提升脫硫效率，但其提升速率曲線上通常有一個(gè)拐點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：船舶尾氣；海水脫硫；脫硫?qū)嶒?yàn)

中圖分類號(hào)：U664.81 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Experimental Study on Desulfurization of Ship

Exhaust Gas with Seawater

ZHAO Wei，" JIANG Xiaoting，" ZHU Linglong

（ Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.，" Shanghai 200129 ）

Abstract： This article uses a diesel engine combustion tail to simulate ship exhaust， and uses a spray tower as a desulfurization device to explore the impact of changes in the structure of the desulfurization tower on desulfurization efficiency. Furthermore， the influence of seawater PH value and liquid to gas ratio on desulfurization efficiency is analyzed. Research has found that installing a Venturi primary scrubber can remove some sulfur dioxide in the primary scrubbing area. After adding two perforated gas distribution plates， the desulfurization efficiency is 5% and 25% higher than when adding one or no increase， respectively. Moreover， the higher the PH value of seawater， the larger the liquid to gas ratio， and the higher the desulfurization efficiency. Installing a Venturi primary scrubber， adding double-layer orifice gas distribution plates， and adjusting the PH value of seawater can all improve desulfurization efficiency. When the oxygen content in the exhaust gas is high， increasing the liquid to gas ratio also helps to improve desulfurization efficiency.

Key words： ship exhaust gas;" desulfurization of seawater;" desulfurization experiment

1" " "引言

船舶所需發(fā)動(dòng)機(jī)功率往往比陸上運(yùn)輸裝置大得多，因此其對(duì)大氣環(huán)境造成的污染相對(duì)更為嚴(yán)重。柴油機(jī)排放的尾氣中含有大量的硫氧化物，這是一種刺激性強(qiáng)、沒(méi)有顏色的有毒有害性氣體，易與血液及黏性液體結(jié)合，從而導(dǎo)致人員或動(dòng)物慢性中毒，破壞其感覺(jué)器官。若此種氣體濃度達(dá)到一定值亦會(huì)損害呼吸系統(tǒng)，并引起酸雨，破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡等問(wèn)題，對(duì)農(nóng)、林、漁業(yè)產(chǎn)生較強(qiáng)負(fù)面影響。而海水脫硫法是船舶使用的最簡(jiǎn)易可行的方法之一。為掌握其脫硫規(guī)律，提高脫硫效果，有必要開(kāi)展脫硫模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)方面的研究。

2" " 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1" "供氣裝置

因燃油含有一定量的硫化物質(zhì)，船舶運(yùn)行時(shí)，其柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中含有相當(dāng)量的硫氧化物氣體，其中二氧化硫氣體占比最大。本文選用R180型柴油機(jī)，配置引風(fēng)機(jī)、輸送管道組成煙氣供應(yīng)系統(tǒng)。柴油機(jī)將含硫量為51.6%的二甲基硫醚以及0#柴油作為燃料，產(chǎn)生與實(shí)船含硫尾氣濃度相當(dāng)?shù)臒煔狻Ｋx柴油機(jī)是單缸、臥式、水冷型發(fā)動(dòng)機(jī)，渦流式燃燒室，缸徑與行程均為80 mm，排量為0.402 L，標(biāo)定功率為5.67 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速是2 600 r/min。

2.2" "脫硫裝置

本次實(shí)驗(yàn)脫硫裝置為噴淋塔結(jié)構(gòu)，由文丘里初洗器和主塔兩部分組成，二者通過(guò)彎管相連。文丘里初洗器內(nèi)設(shè)有一個(gè)噴頭，而主塔內(nèi)則設(shè)有兩個(gè)噴頭，利用螺紋連接噴嘴及接管[1]。脫硫塔高1 341 mm，外徑與壁厚分別是230 mm與7 mm，主塔區(qū)尾氣進(jìn)口外徑及出口外徑分別是110 mm與40 mm。主塔呈圓形，主塔內(nèi)距其底部約286 mm、736 mm處分別設(shè)置一塊節(jié)流孔板，用螺栓固定在塔內(nèi)支撐板之上，孔板直徑約為216 mm，其上分布約37個(gè)孔徑13 mm的圓孔。文丘里初洗器高度為1 020 mm，管徑最大值為110 mm，噴管管徑為55 mm，變徑角度為8°。主塔內(nèi)向下噴射海水，海水與煙氣逆向相流，使其相互更充分接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高效硫脫。噴淋塔基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.3" "測(cè)量裝置

實(shí)驗(yàn)時(shí)需調(diào)整各個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)其適時(shí)檢測(cè)。海水供給量可調(diào)節(jié)，其由流量計(jì)檢測(cè)；海水PH則使用PH計(jì)檢測(cè)，常用型號(hào)是CT-6 023，其測(cè)量范圍是0～14 ，精度誤差為±0.02；煙氣參數(shù)變化監(jiān)測(cè)建議選用GH-62型多功能煙氣測(cè)試儀，此設(shè)備體積小、攜帶方便，可基于定位電解原理對(duì)煙道中存在的有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，能一體化監(jiān)測(cè)煙氣溫度、流速以及流量等多種工況參數(shù)，可自動(dòng)完成大氣壓測(cè)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量可高達(dá)一萬(wàn)組，并具備數(shù)據(jù)報(bào)表打印功能。

2.4" " 海水供給與廢水處理系統(tǒng)

海水供給系統(tǒng)組成：海水泵，海水儲(chǔ)槽，噴嘴及輸送管道。其功能是輸送海水作為脫硫裝置的脫硫劑。基于條件限制，本實(shí)驗(yàn)采用人工海水替代天然海水，即按照相應(yīng)比例在淡水中添加硫酸鎂、氯化鈉、氯化鈣等多種化學(xué)元素，調(diào)配出鹽度為3.34%的人工海水[2]。實(shí)驗(yàn)之后，還需對(duì)廢水進(jìn)行環(huán)保處理，滿足當(dāng)?shù)卣沫h(huán)保規(guī)定。

3" " "實(shí)驗(yàn)

3.1" "節(jié)流孔板影響

設(shè)置脫硫塔中節(jié)流孔板，可改善塔內(nèi)尾氣分布情況。設(shè)置此結(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化尾氣分布，降低尾氣在塔內(nèi)的流速，提高氣-液融合度。

節(jié)流孔板與脫硫效率間的關(guān)聯(lián)性實(shí)驗(yàn)。取脫硫塔的參數(shù)為：噴淋量3 L/min、煙氣進(jìn)氣速度6.5 m/s，入口煙氣二氧化硫含量1 000 mg/m。在此條件下，可得到節(jié)流孔板設(shè)置數(shù)量與脫硫效率的對(duì)比關(guān)系圖（見(jiàn)圖2）。圖中顯示，安裝一塊或兩塊節(jié)流孔板，海水脫硫效率均有所提升，且安裝兩塊節(jié)流孔板后，海水脫硫效率提升幅度較大，整體上比未安裝時(shí)效率提高了25%，但比安裝一塊節(jié)流孔板時(shí)效率僅提高了5%。其原因可能是由于安裝兩塊節(jié)流孔板后，尾氣速度較之前更低，氣-液接觸的時(shí)間有所延長(zhǎng)，氣-液兩相接合度更高，使脫硫效率得以提升。此外，所噴淋的海水在節(jié)流孔板上方形成了液膜，煙氣通過(guò)液膜進(jìn)入脫硫區(qū)后，與海水之間的接觸面、接觸時(shí)間均有所增長(zhǎng)，從而提高了海水吸收二氧化硫的效率。

3.2" "文丘里初洗器影響

脫硫裝置配置文丘里初洗器的目的是取代原始?xì)?氣換熱器結(jié)構(gòu)，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，簡(jiǎn)化尾氣處理系統(tǒng)，降低制作成本。因氣-氣換熱器的結(jié)構(gòu)由多層導(dǎo)熱性良好的材質(zhì)疊合而成，其由多層壓制有凹痕的導(dǎo)熱性好的金屬板片組裝在換熱器的內(nèi)部，有兩路管道回路，一側(cè)管道通入熱源，另一側(cè)管道進(jìn)入被加熱氣體，其整個(gè)結(jié)構(gòu)比較龐大，制作成本也比較高。

在脫硫塔中安裝文丘里初洗器可以對(duì)進(jìn)入脫硫塔的含硫氣體進(jìn)行初步洗滌，去除其中較大顆粒的雜質(zhì)和部分硫化物，減輕后續(xù)處理環(huán)節(jié)的負(fù)荷。降低氣體的溫度，使其達(dá)到更適合后續(xù)脫硫反應(yīng)的溫度范圍，有利于提高脫硫效率，另可使氣體能夠更均勻地進(jìn)入脫硫塔內(nèi)部，保證脫硫反應(yīng)在整個(gè)塔內(nèi)均勻進(jìn)行，提高處理效果的穩(wěn)定性。采用安裝文丘里初洗器可促進(jìn)氣-液接觸，降低壓損，且能提高除塵效果[3]。為掌握此結(jié)構(gòu)與脫硫效率間的關(guān)系，可采用不同的二氧化硫初始添加濃度，對(duì)比初洗、一級(jí)脫硫、二級(jí)脫硫三個(gè)區(qū)的脫硫效果。

海水PH值一定時(shí)，海水量與尾氣出塔二氧化硫濃度之間呈反比關(guān)系，說(shuō)明合理增大噴淋量利于提高脫硫效率。但噴淋量大于某值后，其對(duì)脫硫效率提升速度會(huì)逐步降低，這是由于海水吸收能力趨向于飽和[4]。

1）海水噴淋量影響

煙氣流量為32 m3/h，其初始二氧化硫濃度為2200mg/m3的條件下，對(duì)比各區(qū)脫硫效率發(fā)現(xiàn)，噴淋量越大，脫硫效率越高（見(jiàn)圖3）。這是由于噴灑量增大后，提高了液-氣比，氣相與液相可充分接觸反應(yīng)，因而脫硫效果更佳。其中，二級(jí)脫硫區(qū)的脫硫效果最佳，這是由于二級(jí)脫硫區(qū)噴嘴單獨(dú)開(kāi)啟，氣-液兩相接觸的時(shí)間更長(zhǎng)，反應(yīng)更加徹底，因而脫硫效率更高。圖中顯示，初洗區(qū)與一級(jí)脫硫區(qū)的脫硫曲線擬合度較高，說(shuō)明二者脫硫效率差異不大。在噴淋量為3 L/min時(shí)，脫硫效率均達(dá)到65%左右。

兩層噴淋的反應(yīng)區(qū)容積與脫硫效率關(guān)系值可知，兩層噴淋層的脫硫效率均大于65%。隨著反應(yīng)區(qū)容積增大，脫硫效率增加速率沒(méi)有單層噴淋明顯。

對(duì)比相關(guān)噴淋條件，增加反應(yīng)區(qū)容積可以使監(jiān)測(cè)平面流場(chǎng)更加均勻，但同時(shí)噴淋層內(nèi)的噴霧液滴的相互影響也會(huì)增加，從而影響脫硫效率提高。

噴淋層高度對(duì)脫硫率的影響有兩個(gè)因素：一是對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)；二是漿液滴的運(yùn)動(dòng)。首先，噴淋層高度越高，反應(yīng)區(qū)容積變大，漿液在下降過(guò)程中，對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)降低，造成流場(chǎng)均勻，這會(huì)使得脫硫效率提高。其次，漿液噴淋一段距離后，噴霧速度影響逐漸變小，從而呈現(xiàn)在重力與煙氣作用下的阻尼運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)受到煙氣流動(dòng)的影響將會(huì)變強(qiáng)，容易被煙氣攜帶而碰到壁面，也就是噴淋層過(guò)高將會(huì)導(dǎo)致漿液的利用效率下降，噴淋層高度的增加有可能會(huì)使二氧化硫的吸收降低。

鑒于以上二個(gè)因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)縮小主塔外形尺寸，降低主塔高度，可以提高脫硫效率。

2）工作模式影響

煙氣流量為32 m3/h，其初始二氧化硫濃度為1410mg/m3條件下，對(duì)比兩個(gè)脫硫區(qū)霧化噴嘴混合工作及單獨(dú)工作情況下脫硫效率的變化（見(jiàn)圖4，圖中混合工作工況是指初洗區(qū)、第一脫硫區(qū)和第二脫硫區(qū)同時(shí)工作的情況）。在氣體二氧化硫濃度和海水噴淋量恒定時(shí)，兩個(gè)噴嘴混合工作工況的脫硫效率最高，然后依次是第二脫硫區(qū)、初洗區(qū)與第一脫硫區(qū)。在海水噴淋量提升至3 L/min之前，初洗區(qū)的脫硫效率不如第一脫硫區(qū)高，而噴淋量高于該值后，初洗區(qū)的脫硫效率反超第一脫硫區(qū)，這是由于噴淋量增大后，文丘里湍流增長(zhǎng)，增加了氣相與液相的接觸表面，為此提高了脫硫效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置文丘里初洗結(jié)構(gòu)，對(duì)于脫硫效率具有提升作用。

3.3" "海水PH值影響

海水堿度PH值是影響脫硫效率的重要因素之一。碳酸氫根與碳酸根含量之和決定著海水堿度值。如果海水呈堿性，說(shuō)明兩種離子出現(xiàn)了水解，如果海水堿度下降，則意味著海水PH值下降，說(shuō)明脫硫效率也有所下降[5]。為清晰了解海水PH值對(duì)脫硫效率的影響進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，在初始二氧化硫濃度設(shè)為1590mg/m3、煙氣流量仍為32 m3/h的條件下展開(kāi)試驗(yàn)，得出海水PH值不同時(shí)脫硫效率變化曲線（見(jiàn)圖5）。圖中顯示，增大海水PH值，脫硫效率同步增長(zhǎng)。在海水噴淋量在3 L/min以下時(shí)，海水PH越大，脫硫效率越快，而在海水噴淋量繼續(xù)增大后，脫硫效率的增漲幅度有所降低，這是由于液-氣比達(dá)到某值后，海水對(duì)二氧化碳的吸收能力將增強(qiáng)，從而影響海水脫硫提升幅度。

3.4" "液-氣比影響

在初始二氧化硫濃度取1 590 mg / m3、煙氣流量分別為25 m3 / h、32 m3 / h條件下，以人工海水作為脫硫劑。人工海水配方見(jiàn)表1所示。

在海水噴淋量相同時(shí)，煙氣量逐步增大，使液-氣比逐漸降低，此時(shí)脫硫效率也出現(xiàn)了同步降低的變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖6）。當(dāng)海水噴淋量不大于4 L/min，其脫硫效率的提升速度快，如繼續(xù)提高海水噴淋量，脫硫效率逐漸趨于穩(wěn)定，增幅緩慢。這是由于煙氣量不變，海水噴淋量增加，液-氣比有所提高，增大了二氧化硫氣體與海水的接觸面積，二者反應(yīng)更充分，因而脫硫效率更高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在海水噴淋量由1 L/min提高至4 L/min時(shí)，液-氣比從1.875 L/m提高至7.5 L/m，此時(shí)脫硫率則由62.9%提升至98.5%。當(dāng)噴淋量高于4 L/min后，雖然液-氣比繼續(xù)增大，但脫硫效率卻未出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。因此，適當(dāng)選用液-氣比，對(duì)提高脫硫裝置的最佳工作效率具有重要的作用。本實(shí)驗(yàn)表明7.5 L/m是脫硫反應(yīng)時(shí)的最佳液-氣比。

4" " "結(jié)語(yǔ)

本文采用模擬實(shí)船海水煙氣脫硫裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，從中分析、探索海水脫硫效率的影響因素，驗(yàn)證設(shè)置節(jié)流孔板和加裝文丘里初洗器的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置上述附屬設(shè)施均可提高脫硫效果，從而可減少主塔外型尺寸，特別是其高度，有助于提高該裝置的實(shí)用性。此外，增加海水的PH值、增加海水量均對(duì)脫硫效率有提升作用，但其脫硫效率-PH值和脫硫效率-海水量的關(guān)系曲線上均有一個(gè)拐點(diǎn)。如以該拐點(diǎn)作為脫硫裝置設(shè)計(jì)點(diǎn)，有益提高裝置工作能效。

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