I型鎂基混合式船舶煙氣脫硫系統(tǒng)試驗

李曉波，涂世恩，張西兆，金圻燁，朱向利，沈飛翔

（1. 上海船用柴油機研究所，上海 200090；2. 船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，上海 200090）

0 引 言

針對船舶硫氧化物（SOx）排放導致的環(huán)境污染問題，《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約）附則Ⅵ修正案對船用燃油的含硫量進行了嚴格限制，提出了分階段、分區(qū)域的控制措施。船舶SOx排放量完全取決于燃料中的硫含量，目前主要有3種措施能用來減少船舶SOx排放，分別是采用低硫燃油、采用替代燃料和使用廢氣洗滌系統(tǒng)（Exhaust Gas Cleaning, EGC）。采用低硫燃油存在供應能力不足、不利于柴油機噴射和潤滑及價格較高等問題；采用替代燃料存在加注困難和投資成本高等問題。相對而言，船舶廢氣洗滌技術(shù)具有運營成本低、回收快和經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，是一種應用前景廣闊的SOx排放控制技術(shù)[1-2]。

船舶廢氣洗滌技術(shù)按使用的脫硫劑劃分，主要有海水法脫硫、鈉堿法脫硫和鎂法脫硫等3種，其中I型鎂法脫硫技術(shù)具有占用空間小、主體設備投資費用少、脫硫劑資源豐富和工藝運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點[3]。對此，結(jié)合成熟的陸用鎂法脫硫技術(shù)和實船應用環(huán)境，搭建一套I型鎂基混合式船舶煙氣脫硫系統(tǒng)試驗臺架，開展脫硫系統(tǒng)關(guān)鍵設計參數(shù)（液氣比、氣速和噴淋層）對系統(tǒng)脫硫效率和壓損影響的試驗研究，并對脫硫系統(tǒng)在自動模式下的工作性能進行驗證。

1 I型鎂基混合式船舶煙氣脫硫系統(tǒng)原理和組成

I型鎂基混合式船舶煙氣脫硫系統(tǒng)原理見圖1。該脫硫系統(tǒng)主要由氫氧化鎂（Mg(OH)2）漿液制備單元、廢氣洗滌單元和洗滌廢液處理單元等3部分組成[4-5]。

1) Mg(OH)2漿液制備單元中的氧化鎂（MgO）粉由噸袋投料系統(tǒng)計量輸送至Mg(OH)2漿液罐，再與加熱后的海水混合，經(jīng)過一定時間的攪拌之后生成Mg(OH)2漿液，由漿液輸送泵加注至緩沖罐內(nèi)，加注量根據(jù)循環(huán)洗滌液的pH值來調(diào)節(jié)。

2) 廢氣洗滌單元主要包括脫硫塔、噴嘴、循環(huán)泵和緩沖罐等。洗滌液由循環(huán)泵加壓之后輸送至脫硫塔的噴淋層，可根據(jù)需要采用開式（海水）模式或閉式（鎂堿）模式。脫硫塔共設置6個噴淋層，從下至上依次為第1～6層，各噴淋層都布置有噴嘴。洗滌液經(jīng)過噴嘴霧化之后形成均勻噴霧覆蓋脫硫塔內(nèi)部。柴油機的排煙從底部進入脫硫塔之后向上流動，與塔內(nèi)逆向流動的噴霧接觸，煙氣中的SOx與噴霧中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應，生成洗滌廢液進入廢液處理系統(tǒng)，經(jīng)處理達標之后排放至舷外。

3) 洗滌廢液處理單元包括進料單元、過濾單元、濃縮裝置和壓濾裝置。洗滌廢液經(jīng)進料單元輸送至過濾單元，在濾膜的作用下分離出一部分凈水，生成的凈水經(jīng)檢測達標之后排放至舷外，剩余的含顆粒雜質(zhì)廢水先依次經(jīng)濃縮裝置和壓濾機之后形成殘渣，再進行無害化處理或回收利用。

圖1 I型鎂基混合式船舶煙氣脫硫系統(tǒng)原理圖

2 I型鎂基混合式煙氣脫硫系統(tǒng)試驗臺架

I型鎂基混合式煙氣脫硫系統(tǒng)試驗臺架（見圖2）在上海海事大學機艙綜合實驗室內(nèi)搭建，適用的柴油機型號為 6S35ME-B9，額定功率為 3250kW，額定轉(zhuǎn)速為 132r/min，100%負荷工況下的排氣流量為25932kg/h。試驗設備和儀器規(guī)格見表1。

圖2 脫硫系統(tǒng)試驗臺架

表1 試驗設備和儀器規(guī)格

脫硫系統(tǒng)開式模式試驗使用的海水從洋山港西門塘島處抽取，并由海水槽罐車運輸至試驗現(xiàn)場的海水池，供脫硫系統(tǒng)進行柴油機煙氣洗滌使用。海水抽取點示意見圖3，海水洗滌液的各項參數(shù)見表2。

圖3 海水抽取點示意

表2 海水洗滌液的各項參數(shù)

I型鎂基混合式煙氣脫硫系統(tǒng)閉式模式試驗采用的脫硫劑為Mg(OH)2漿液，由MgO粉加注海水洗滌液攪拌制成。試驗所用的MgO為國產(chǎn)200目85%純度的輕燒MgO粉，其主要化學成分見表3。

表3 MgO原料的主要化學成分

將含量為85%的MgO粉與海水按質(zhì)量比1：4投入到Mg(OH)2漿液制備罐中，水化溫度控制在45℃，攪拌3h制成Mg(OH)2漿液[6-7]。

3 關(guān)鍵設計參數(shù)對脫硫系統(tǒng)性能的影響

為優(yōu)化脫硫系統(tǒng)的工作性能，對I型鎂基混合式脫硫系統(tǒng)的脫硫系統(tǒng)液氣比、塔內(nèi)氣速和噴淋層等關(guān)鍵設計參數(shù)進行試驗驗證。

圖4 液氣比對脫硫系統(tǒng)性能的影響

3.1 液氣比對脫硫系統(tǒng)性能的影響

將脫硫系統(tǒng)切換至開式脫硫模式，柴油機工況穩(wěn)定在100%負荷，使經(jīng)過脫硫系統(tǒng)的煙氣流量一定。通過改變脫硫系統(tǒng)的噴淋量來控制脫硫系統(tǒng)的液氣比，脫硫系統(tǒng)的液氣比分別調(diào)整為 0L/(N·m3)、7.0L/(N·m3)、8.0L/(N·m3)、9.0L/(N·m3)和 9.5L/(N·m3)，其中液氣比為 0L/(N·m3)代表脫硫系統(tǒng)未噴淋，即對應柴油機原機SO2/CO2排放值，試驗結(jié)果見圖4。

從圖4中可看出，隨著脫硫系統(tǒng)液氣比增加，脫硫塔出口煙氣 SO2/CO2變少，脫硫效率提高。當液氣比為9.5L/(N·m3)時，脫硫塔出口煙氣SO2/CO2為2.06，脫硫效率達到98%以上。液氣比增加可增大噴淋液中的堿性物質(zhì)與煙氣中SOx的接觸面積，延長接觸時間，提高脫硫效率。當液氣比由9.0L/(N·m3)增加到9.5L/(N·m3)時，脫硫塔出口煙氣中的SO2/CO2并無增加，這是由于隨著液氣比持續(xù)增加，噴淋液中堿性物質(zhì)的量已超過煙氣中SOx反應所需的量，因而繼續(xù)增加液氣比，脫硫效率提高程度變小。此外，液氣比增加，脫硫塔內(nèi)部的洗滌液噴淋量變大，向上流動的煙氣遇到的逆向阻力增大，造成脫硫系統(tǒng)壓損增大。

3.2 塔內(nèi)氣速對脫硫系統(tǒng)性能的影響

在開式脫硫模式下，保持脫硫系統(tǒng)的液氣比為8.0L/(N·m3)，通過改變柴油機的負荷來調(diào)整脫硫系統(tǒng)的煙氣量，進而改變脫硫系統(tǒng)的氣速，不同煙氣流速下脫硫系統(tǒng)的性能對比見圖5。

由圖 5可知，脫硫塔內(nèi)煙氣流速增加，脫硫效率由94.24%提高至96.04%，壓損增加456Pa。氣速增加可提升煙氣中 SO2和噴淋液的氣膜傳質(zhì)速率，加快噴淋液中堿性物質(zhì)與煙氣中 SO2的吸收反應，提高系統(tǒng)的脫硫效率；同時，氣速增加會使脫硫塔內(nèi)煙氣向上流動的阻力增大，造成脫硫系統(tǒng)壓損增加。

3.3 噴淋層對脫硫系統(tǒng)性能的影響

為探究噴淋層數(shù)量對脫硫系統(tǒng)的影響，將柴油機負荷控制在75%工況，保持液氣比為9.5L/(N·m3)，改變噴淋層數(shù)量，對比分析脫硫塔出口煙氣 SO2/CO2和脫硫系統(tǒng)壓損，試驗結(jié)果見圖6。

由圖6可知，噴淋層數(shù)由4層增加至5層，脫硫效率由95.9%提高至97.2%，脫硫系統(tǒng)煙氣壓損增加297Pa。在洗滌液噴淋量相同的條件下，噴淋層數(shù)量增加可改善脫硫塔內(nèi)洗滌液噴淋的均勻性，增大柴油機煙氣中 SO2與洗滌液中堿性物質(zhì)反應的概率，提高脫硫效率。

圖5 煙氣流速對脫硫系統(tǒng)性能的影響

圖6 噴淋層數(shù)量對脫硫系統(tǒng)性能的影響

4 自動模式下脫硫系統(tǒng)臺架性能測試

根據(jù)關(guān)鍵設計參數(shù)對脫硫系統(tǒng)性能影響的試驗結(jié)果優(yōu)化脫硫系統(tǒng)的運行策略和控制參數(shù)，并對脫硫系統(tǒng)在自動模式下的工作性能進行驗證，驗證過程分為開式脫硫運行模式和閉式脫硫運行模式。

4.1 開式脫硫系統(tǒng)工作性能

圖7為開式脫硫運行模式下脫硫系統(tǒng)的噴淋量和脫硫塔出口煙氣SO2/CO2隨柴油機負荷的變化過程。試驗過程中脫硫系統(tǒng)的液氣比維持在8.5L/(N·m3)左右，柴油機工況由怠速升至100%負荷。脫硫系統(tǒng)開始噴淋之后，煙氣的SO2/CO2由104.30下降至4.26以下。隨著柴油機工況的調(diào)整，脫硫系統(tǒng)的噴淋量及時自動調(diào)整，并穩(wěn)定在4.30以下，噴淋過程中脫硫效率維持在95%以上。根據(jù)MEPC.184(59)的要求，采用SO2/CO2比值的方法確定廢氣中的硫含量，燃油含硫質(zhì)量分數(shù)0.1%對應的SO2/CO2值為4.3[8]。脫硫系統(tǒng)運行過程中，脫硫塔出口煙氣SO2/CO2遠小于4.30，能達到規(guī)范對限值的要求。試驗過程中，柴油機在不同負荷工況下運行，脫硫系統(tǒng)的壓損均小于1500Pa。

圖7 開式脫硫運行模式下脫硫系統(tǒng)的噴淋量和脫硫塔出口煙氣SO2/CO2隨柴油機負荷的變化過程

在開式脫硫模式下，分別對脫硫系統(tǒng)的進口海水和出口海水進行取樣測試，結(jié)果顯示，系統(tǒng)洗滌液排放滿足法規(guī)要求（見表4）。

表4 開式脫硫進口海水與出口海水的水質(zhì)對比

4.2 閉式脫硫系統(tǒng)工作性能

圖8為閉式脫硫系統(tǒng)運行模式下洗滌液噴淋量和脫硫塔出口煙氣SO2/CO2的變化過程。試驗過程中，柴油機工況保持在75%負荷，液氣比維持在 6L/(N·m3)左右，通過自動控制策略調(diào)整漿液加注量，將緩沖罐內(nèi)噴淋液的pH值控制在7.1附近。試驗過程中，當脫硫系統(tǒng)開始噴淋之后，脫硫塔出口煙氣SO2/CO2由初始時的104.32顯著下降，最終穩(wěn)定在3.50左右，噴淋過程中脫硫效率維持在96%以上。閉式脫硫系統(tǒng)運行過程中，脫硫塔出口煙氣SO2/CO2一直低于規(guī)范要求的限值4.3。

圖8 閉式脫硫系統(tǒng)運行模式下洗滌液噴淋量和脫硫塔出口煙氣SO2/CO2的變化過程

在閉式脫硫模式下，緩沖罐內(nèi)的煙氣洗滌廢液經(jīng)廢液處理裝置處理之后的 pH值為 7.1，PAH為18.1μg/L，濁度為4FNU，滿足規(guī)范的排放限值要求。

5 結(jié) 語

1) 脫硫系統(tǒng)液氣比增加，脫硫效率和壓損都增大，當噴淋量達到柴油機排煙中SO2反應所需的堿性物質(zhì)的量之后，繼續(xù)增加液氣比，脫硫效率趨于穩(wěn)定，但會造成壓損增大。

2) 增大脫硫塔內(nèi)煙氣的流速可改善脫硫塔內(nèi)煙氣中SO2與噴淋液中堿性物質(zhì)的氣膜傳質(zhì)速率，加快中和反應速率，提高脫硫系統(tǒng)的脫硫效率，增加脫硫系統(tǒng)煙氣壓損。

3) 脫硫系統(tǒng)噴淋層數(shù)增加，脫硫塔內(nèi)洗滌液噴淋的均勻性提高，可加快SO2與堿性物質(zhì)的反應速率，提高脫硫效率，但會增加脫硫系統(tǒng)的壓損。

4) I型鎂基混合式船舶煙氣脫硫系統(tǒng)性能良好，在開式運行模式和閉式運行模式下均能有效脫除柴油機排煙中的SOx，脫硫效率達95%以上，脫硫處理之后的廢氣排放和廢液排放滿足規(guī)范規(guī)定的限值要求，且噴淋過程中脫硫系統(tǒng)的壓損較少。