162 kW柴油機排氣海水脫硫性能

胡雪慧， 況 敏， 吳思黎， 楊國華， 原光輝， 陶初炯， 丁潔依， 韓欣怡， 孟欣怡

(寧波大學 海運學院， 浙江 寧波 315211)

船舶柴油機因燃用重油或渣油(常規(guī)硫含量1.5%～3.5%，平均硫含量2.7%，部分渣油含硫量甚至高達5%)而排放大量SO2[1～4]。據報道[5]，遠洋船舶硫排放約占全球人為硫排放的4%～9%，在運輸行業(yè)中排在第一位。國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)通過限制燃油含硫量來控制船舶硫排放，并于2008年修訂國際防止船舶造成污染公約(The International Convention for the Prevention of Pollution from Ship,MARPOL 73/78公約)附則VI，規(guī)定自2020年在全球海域燃油硫含量上限為0.5%，其中排放控制區(qū)(Emission Control Area,ECA)仍維持燃油含硫量為0.1%的限制。[6]為降低硫排放，目前,主要有燃用低硫油、安裝船用洗滌器和采用替代清潔燃料等3種方案可供選擇。鑒于低硫油與高硫油較大的價格差異和采用替代的清潔燃料需匹配全面的動力系統(tǒng)改造，安裝尾氣洗滌器已成為船舶脫硫最有前途的發(fā)展方向。[7-8]

目前，船舶洗滌器的研究報道主要集中在濕法洗滌器上，分為基于海水洗滌的開環(huán)系統(tǒng)、基于堿液洗滌的閉環(huán)系統(tǒng)和基于海水與堿液切換使用的混合系統(tǒng)。[7]基于海水洗滌的開環(huán)系統(tǒng)利用海水對煙氣洗滌脫硫，具有系統(tǒng)簡單穩(wěn)定、脫硫成本低和可滿足非ECA要求等優(yōu)點[9-10]，故而報道和應用較多。例如CAIAZZO等[11]基于噴淋塔海水脫硫數值模擬和試驗研究，得出海水脫硫效率約為93%。ANDREASEN等[12]評估了主機功率與洗滌器海水用量的關系。唐曉佳等[13]針對海水堿度不高的問題，采用海水添加Mg(OH)2作為洗滌劑，實船測試脫硫效率97%；蓋國勝[14]開展噴淋塔洗滌的數值計算和小型模擬試驗，研究塔內氣速和SO2濃度對脫硫效率的影響。然而，上述已有研究報道多數集中于噴淋塔海水脫硫，而針對填料塔海水脫硫的研究不多，對其在不同海水堿度和燃油含硫量條件下面對新排放法規(guī)的適用性未見報道。鑒于此，本文依托一套162 kW船舶電站柴油機排氣洗滌系統(tǒng)(囊括海水一段式洗滌、海水梯級洗滌、海水/堿液梯級洗滌、堿液一段式洗滌和堿液/堿液梯級洗滌等5種運行模式)，開展變硫濃度、海水堿度、液氣比和填料高度的海水一段式洗滌試驗，以期評估現(xiàn)有的開環(huán)系統(tǒng)采用填料塔時面對新排放法規(guī)的適用性。

1 試驗部分

搭建的162 kW船舶電站柴油機排氣洗滌系統(tǒng)見圖1,實物照片見圖2。該柴油機為廣西玉柴制造的四沖程、渦輪增壓中冷型高速柴油機(型號YC6A220C，燃用0#柴油)。由圖1可知:該洗滌系統(tǒng)包含煙氣系統(tǒng)、預冷洗滌段、主洗滌段、副洗滌段和洗滌液供排系統(tǒng)。主、副兩個洗滌段采用φ25 mm哈凱登球形填料自下而上布置于直徑0.35 m、塔高7 m的填料洗滌塔內，填料層高度分別為0.9 m和0.3 m；在塔底循環(huán)水槽和主、副洗滌段之間均設有風帽式通氣阻液器(允許氣體通過而液體不通過)，以達到循環(huán)冷卻液與主、副洗滌段洗滌液之間相互不摻混的效果。該洗滌系統(tǒng)以主、副洗滌段合并與否和洗滌液供給組合為依據可構建海水一段式洗滌、海水梯級洗滌、海水/堿液梯級洗滌、堿液一

圖1 162 kW船舶電站柴油機排氣洗滌系統(tǒng)示意

a) 三段式梯級洗滌塔b) 162 kW柴油機c) 海水/堿液儲罐

圖2 162 kW柴油機排氣梯級洗滌脫硫試驗系統(tǒng)現(xiàn)場照片

段式洗滌和堿液/堿液梯級洗滌等5種運行模式，如僅投主洗滌段或撤除上層通氣阻液器同時合并兩層填料時構建的均是一段式洗滌模式，而主、副洗滌段各自投運則構建的是梯級洗滌模式。

來自柴油機的高溫煙氣(約280 °C，因燃用硫含量僅0.1%的0#柴油，需定量添加高純SO2來模擬不同含硫量燃油煙氣)先進入文丘里預冷洗滌段，經該處的循環(huán)冷卻液按液氣約1 L/Nm3,急冷至50～55 °C并實現(xiàn)飽和增濕；隨后，經預冷增濕的煙氣進入洗滌塔自下而上與常溫洗滌液逆向混合，完成脫硫后除霧排空(如按梯級洗滌模式運行，則煙氣依次通過主、副洗滌段，設計主洗滌段脫除約90%硫、副洗滌段脫除所需殘余硫)，而洗滌后的廢液則由相應的殘液出口排出。在該洗滌系統(tǒng)中，柴油機煙氣量和煙溫采用帶溫壓補償功能的LUGB-E型智能渦街流量計測量(量程分別為140～1 400 Nm3/h和40～350 °C，誤差均為±1%)，預冷段和主、副洗滌段的噴淋液流量均采用LDG-MK型電磁流量計測量(誤差±0.5%)，洗滌液和廢液pH值采用PHS-3E型pH計測量(誤差±1%)，填料層壓降采用GM511型數顯微壓力計測量(誤差±0.3%)；對于關鍵的SO2濃度測量則采用2臺硫測量精度不同的Testo350型煙氣分析儀，即洗滌塔入口高SO2濃度采用常規(guī)配置的煙氣分析儀(SO2量程0～0.05%，在0.001%～0.050% SO2內誤差為5%)，在填料層洗滌后則采用具備高濕低SO2測量功能的高配置煙氣分析儀(SO2量程0～0.001%，在0～0.000 4% SO2內誤差為±0.000 02% SO2)。

鑒于梯級洗滌在流程上略復雜于一段式洗滌且通常認為海水洗滌更為廉價，應先考慮現(xiàn)有開環(huán)系統(tǒng)(即此處的海水一段式洗滌模式)對更為苛刻的新排放法規(guī)時的適用性。相應地，基于上述填料塔系統(tǒng)的海水一段式洗滌模式開展變硫濃度、海水堿度、液氣比和填料高度的脫硫試驗。主要試驗參數設置為：在柴油機35%額定負荷(煙氣量700 Nm3/h，塔內煙氣流速3 m/s)下，調節(jié)SO2給入量，配置SO2濃度分別為330 mg/Nm3、1 000 mg/Nm3、1 570 mg/Nm3、2 000 mg/Nm3、2 330 mg/Nm3和2 860 mg/Nm3的煙氣(約合含硫量分別為0.58%、1.75%、2.75%、3.50%、4.00%和5.00%的燃油煙氣)；試驗采用的海水為依據Mocledon配方配置的人工海水[15]，制備低、中、高等3種堿度的海水(堿度分別為0.84 mmol/L、1.42 mmol/L和2.36 mmol/L)；海水洗滌液氣比在1～9 L/Nm3范圍內按1 L/Nm3等量遞增構建改變液氣比工況序列；按僅投主洗滌段(填料層高0.9 m)和撤除上層通氣阻液器同時合并兩層填料(填料層高1.2 m)兩種工況設置來評估填料高度的影響。

2 結果與討論

2.1 填料層壓降與液氣比關系

煙氣量700 Nm3/h時填料層高分別為0.9 m和1.2 m時填料壓降隨液氣比的變化規(guī)律見圖3。由圖3可知:在僅投主洗滌段(填料層高0.9 m)構建的一段式洗滌模式下，隨液氣比加大，填料壓降先緩慢增大后急劇上升，具體表現(xiàn)：

1) 在液氣比≤7 L/Nm3時，填料壓降增長率僅為8～9 Pa每1 L/Nm3，至液氣比7 L/Nm3時填料壓降僅為65 Pa，隨后，填料壓降增長率攀至25～35 Pa每1 L/Nm3，至液氣比8 L/Nm3和9 L/Nm3時填料壓降已分別升至90 Pa和125 Pa；在合并兩層填料(填料層高1.2 m)構建的一段式洗滌模式下，填料壓降隨液氣比變化規(guī)律與前述0.9 m層高時基本相似，只是壓降更高、壓降增長率更大些，但壓降迅速攀升的臨界液氣比保持在8 L/Nm3。填料壓降的這一變化趨勢究其原因在于填料表面潤濕程度與液氣比呈非線性關系：在液氣比較小時，增大液氣比改善填料表面的潤濕性，球形填料隔柵間液膜總面積增大，進而導致填料層阻力穩(wěn)定上升。

2) 當液氣比達到7～8 L/Nm3時，塔內填料潤濕已趨于完全，意味著液氣比大于8 L/Nm3以后將有海水囤積于填料層中，阻塞部分煙氣流通道，致使填料壓降驟升，如這一現(xiàn)象繼續(xù)惡化，則有可能導致填料塔液泛。

圖3 填料層高分別為0.9 m和1.2 m時變液氣比所得

可見，為保證填料塔在較低阻降和避免液泛安全高效脫硫，兩個填料層高下液氣比均不宜超過8 L/Nm3。

2.2 不同參數下脫硫特性

控制液氣比不超過8 L/Nm3，在僅投主洗滌段0.9 m填料層構建的一段式洗滌模式下進行變液氣比、煙氣硫濃度和海水堿度的脫硫洗滌試驗，所得結果見圖4。

1) 由圖4可知:在前述試驗參數范圍內，無論采用何種海水堿度和液氣比，脫硫效率在SO2濃度330～2 860 mg/Nm3范圍內(硫含量0.58%～5.00%的燃油煙氣)均隨SO2濃度增大而降低；隨液氣比加大，對于圖4a～圖4c所示任一堿度海水，脫硫效率均呈上升趨勢且其隨硫濃度加大而下降的趨勢得以減緩，結果相鄰液氣比工況間的脫硫效率差隨液氣比增大而減小。

2) 與此同時，所述脫硫效率差隨硫濃度升高而加大，但隨海水堿度升高而減小。由圖4a～圖4c中3個堿度下試驗結果對比可知:在同等硫濃度和液氣比條件下，高海水堿度對應高脫硫效率。

3) 在低海水堿度和液氣比下，高硫濃度對脫硫效率的負面影響更顯著。

4) 在低海水堿度和高硫濃度下，液氣比對脫硫效率的影響更顯著。

a) 堿度0.84 mmol/L

b) 堿度1.42 mmol/L

c) 堿度2.36 mmol/L

圖4 填料層高0.9 m時脫硫效率隨海水堿度、硫濃度和液氣比的變化關系

針對上述現(xiàn)象的原因分析如下：SO2濃度升高,雖在一定程度上有利于通過強化硫擴散和傳質而促進氣液接觸面上SO2吸收，但在有限時間內顯著增大的脫硫負荷和所需達到的SO2反應基數[16]與固有脫硫條件不足之間的矛盾，導致脫硫效率顯著下降。脫硫效率增量隨液氣比加大而減小，這是由于低液氣比小時，增大噴淋量顯著改善填料潤濕程度，結果氣液接觸面積增大，SO2傳質吸收量增多，脫硫效率增加及至高液氣比時填料潤濕程度趨于完全，則繼續(xù)增大液氣比脫硫效率升幅有限。海水堿度升高兼具提升脫硫效率和弱化硫濃度與液氣比的影響，這是由于高堿度海水中堿性物質濃度高，可顯著促進硫吸收反應的進行:

(1)

(2)

隨反應速率加大，SO2在液相中的分壓減小而在氣相中的分壓保持不變，兩者之差(即傳質動力)增大，結果因液氣比和硫濃度不同而導致的脫硫效率之差變小。

ECA要求的硫排放等效于燃油硫含量限值為0.1%，計算出各硫濃度下所需脫硫效率，其隨硫濃度的變化規(guī)律勾勒成ECA所需效率達標線如圖4所示，該達標線與各條效率曲線相交，位于達標線以上的部分意味著其滿足ECA排放要求，而達標線以下部分則表明無法達標。

(1) 對于堿度最低的0.84 mmol/L海水，圖4a中效率曲線的大部區(qū)域包括“5 L/Nm3+SO2>1 000 mg/Nm3(即液氣比5 L/Nm3且SO2濃度高于1 000 mg/Nm3，以下類同)”、“6 L/Nm3+SO2>1 570 mg/Nm3”、“7 L/Nm3+SO2>1 800 mg/Nm3”和“8 L/Nm3+SO2>2 000 mg/Nm3”均無法滿足ECA排放要求。

(2) 當采用海水堿度1.42 mmol/L時(已接近多數排放控制區(qū)堿度水平)如圖4b所示，雖然效率曲線位于達標線以下區(qū)域顯著縮減，但仍存在相當比例區(qū)域包括:

5 L/Nm3+SO2>1 500 mg/Nm3

(3)

6 L/Nm3+SO2>1 900 mg/Nm3

(4)

7 L/Nm3+SO2>2 150 mg/Nm3

(5)

8 L/Nm3+SO2>2 330 mg/Nm3

(6)

式(3)～式(6)未達標。

(3) 當最高海水堿度2.36 mmol/L時，縱然未達標區(qū)域已大幅度縮減至很小區(qū)域如圖4c所示，但最高硫濃度2 860 mg/Nm3(約等同于硫含量5%的燃油煙氣)下液氣比5～8 L/Nm3范圍內無一達標。

這些無法滿足ECA排放要求的情形表明:當燃用高硫油的遠洋船舶采用緊湊型填料塔洗滌器以常規(guī)堿度海水(如本文0.84～2.36 mmol/L)和合理液氣比(≤8 L/Nm3)進行尾氣脫硫，此處的0.9 m一段式海水洗滌(即現(xiàn)有的開環(huán)系統(tǒng))本質上存在脫硫效率無法滿足ECA排放要求的問題，這一問題在低堿度海水+燃油高硫含量條件下尤甚，即使是在如下所述增加填料高度的1.2 m一段式海水洗滌中亦無法避免。

選定高硫低堿度海水的嚴酷運行環(huán)境(即硫濃度2 860 mg/Nm3和海水堿度0.84 mmol/L)，兩個填料高度為0.9 m和1.2 m下的一段式海水洗滌性能對比見圖5。結合上述圖3中填料層壓降結果來討論圖5所示的脫硫性能。由圖5可知:在0.9 m和1.2 m兩個填料高度下，脫硫效率均隨液氣比加大呈相似增長規(guī)律(如上述針對圖4的分析，先增長較快后減緩)，但兩個填料層結果差異不大，即填料高度由0.9 m增至1.2 m后脫硫效率增幅有限(低液氣比時差異很小，至高液氣比時差異有所增大)；在所述高硫低堿度海水條件下，0.9 m填料層始終無法滿足ECA排放要求，而1.2 m填料層時只有將液氣比加大至接近9 L/Nm3才滿足ECA排放要求(而控制填料壓降劇增、避免要求液氣比≤8 L/Nm3，如圖5所示)。

圖5 在高硫低堿度海水條件下0.9 m和1.2 m填料層變液氣比所得脫硫效率

上述現(xiàn)象是由于：

1) 在這一有限的填料層厚度增加只起到適當延長煙氣在填料層內的停留時間，而填料堆積密度及洗滌塔橫截面上氣液接觸表面并未增加，然而，這一有限的填料高度增加已導致填料壓降顯著上升如圖5所示，因而在選定的填料層高滿足所需傳質單元高度情況下，受限于填料壓降，不宜通過顯著加大填料層高而提升脫硫效率。

2) 低液氣比時兩者的填料表面潤濕程度均不高，加大填料高度對脫硫效率影響很小至高液氣比時填料表面已趨于充分潤濕，所加填料其表面亦已具備較好的脫硫反應條件，故而脫硫效率提升幅度有所增大。

3 結束語

借助162 kW柴油機排氣的脫硫洗滌系統(tǒng)開展了變煙氣硫濃度、海水堿度、液氣比和填料高度的海水一段式洗滌試驗，所得結論如下：

1) 隨液氣比加大，填料阻降先緩慢增加后迅速上升，為避免液泛，在0.9～1.2 m填料高度內液氣比應不高于8 L/Nm3。

2) 在海水堿度0.84～2.36 mmol/L、SO2濃度330～2 860 mg/Nm3和液氣比≤8 L/Nm3條件下，海水一段式洗滌脫硫效率隨海水堿度升高、液氣比加大、硫濃度降低而呈持續(xù)升高趨勢，但無法完全滿足排放控制區(qū)要求。

3) 增加填料高度對脫硫效率提升有限，為控制填料阻降，不宜將其作為解決海水一段式洗滌無法完全滿足排放控制區(qū)要求的有效措施。

鑒于海水脫硫效率主要受海水堿度、液氣比、SO2濃度和煙氣溫度的影響，其中SO2濃度取決于燃油硫含量，柴油機型雖對煙溫和煙氣量有一定影響，但煙氣進入脫硫塔前一般需噴淋預冷，以保證入塔煙溫適宜而不影響脫硫效果，故柴油機型對海水脫硫影響較小，上述研究結論在海水和煙氣參數恒定時具有較好普遍適用性。針對實際運行中因負荷多變和柴油機型面臨的普遍適用性問題，今后將開展中速機和低速機梯級洗滌海水脫硫試驗研究，并輔以相關數值計算研究，通過高、中、低速機的梯級洗滌脫硫研究工作，確認上述研究結論的普遍適用性。