低溫等離子體聯(lián)合電解海水法船舶尾氣脫硫脫硝研究

摘要： 面對日益嚴(yán)格的船舶尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的、單一的船舶尾氣處理方式很難達(dá)到要求。通過對低溫等離子體技術(shù)、電解海水法應(yīng)用于船舶尾氣脫硫脫硝原理的闡述，設(shè)計(jì)了低溫等離子體聯(lián)合電解海水法船舶尾氣脫硫脫硝的系統(tǒng)，詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的工作流程，并指出了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)測分析了該系統(tǒng)的前景。低溫等離子體聯(lián)合電解海水法脫硫脫硝系統(tǒng)可有效降低船舶尾氣中NOx、SOx的排放量，并滿足相關(guān)公約的要求，該聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)在船舶領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

Abstract： In the face of increasingly stringent ship exhaust emission standards， it is difficult for traditional and single ship exhaust treatment methods to meet the requirements. By expounding the principle of low-temperature plasma technology and electrolytic seawater method applied to ship exhaust desulfurization and denitrification， a system of low-temperature plasma combined with electrolytic seawater desulfurization and denitrification of ship exhaust was designed， and the working process of the system was analyzed in detail， and the system was pointed out. The advantages of predictive analysis of the prospects of the system. The low-temperature plasma combined electrolysis seawater desulfurization and denitrification system can effectively reduce the emissions of NOx and SOx in ship tail gas and meet the requirements of related conventions. The combined desulfurization and denitrification technology has a good application prospect in the marine field.

關(guān)鍵詞： 低溫等離子體;電解海水法;聯(lián)合脫硫脫硝;船舶

Key words： low temperature plasma;electrolysis of sea water;combined desulfurization and denitrification;ship

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0212-03

0? 引言

近年來，為了控制船舶大氣排放污染，國際海事組織、美國船舶排放法規(guī)、歐盟法令等制定了日益嚴(yán)格的船舶排放法規(guī)，對船舶大氣污染物提出了嚴(yán)格的排放限值要求。同時，我國政府也作出了打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重大決策部署，提出控制船舶廢氣排放，尤其控制硫的氧化物和氮的氧化物的排放，營造良好生態(tài)環(huán)境的重大方案。因此，船舶尾氣脫硫脫硝技術(shù)的研究意義重大。

1? 脫硫脫硝方法的基礎(chǔ)

目前國內(nèi)外對于船舶尾氣脫硫脫硝技術(shù)的研究，主要方法有電解海水噴淋洗滌法脫硫脫硝、等離子體氧化、直接海水洗滌等方法。直接海水洗滌對于SO2的脫除效率較高，能達(dá)到90%或者90%以上，但是對于NO的脫除效率較低，只有10%左右。

電解海水法脫除船舶尾氣中的SO2和NO比較高效，尤其是SO2，其脫除率可達(dá)到98%，NO的脫除率可達(dá)到84%。NO的脫除效率受外界因素影響較大，其隨NO初始濃度、海水電解時間、氧化液有效氯濃度的提升而增大，隨SO2初始濃度、氣體流量的提升而減小。[1][2]

等離子體氧化技術(shù)利用等離子體反應(yīng)器產(chǎn)生低溫等離子體，利用低溫等離子體中的高能電子參與一些物理、化學(xué)反應(yīng)過程，解決普通氣體難以解決的問題。在脫硫脫硝一體化系統(tǒng)中，可以選擇用介質(zhì)阻擋放電來產(chǎn)生等離子體，利用等離子體的特質(zhì)促進(jìn)一些物理、化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，達(dá)到氧化廢氣中NO氣體和SO氣體的目的。等離子體反應(yīng)器如圖1所示。[3]

基于以上研究，考慮將電解海水法濕法噴淋與等離子體技術(shù)結(jié)合起來聯(lián)合脫硫脫硝。

2? 等離子體技術(shù)與電解海水法聯(lián)合脫硫脫硝的原理

2.1 低溫等離子體氧化反應(yīng)的原理

由介質(zhì)阻擋放電（DBD）放電產(chǎn)生的高能電子直接作用于船舶尾氣中的H2O、SO2、O2、N2分子。這些分子的化學(xué)共價鍵遭到破壞進(jìn)而裂解、激發(fā)和電離，生成初始狀態(tài)下的N2（C3U）、O（1D）、O（3P）、N（2D）、N、H、OH等活性粒子，這些活性粒子與氣體發(fā)生碰撞并反應(yīng)，產(chǎn)生新的分子和原子，涉及到的主要化學(xué)反應(yīng)如表1所示。[3]

在放電過程中，這些反應(yīng)在空間和時間上互相重疊、交織在一起，并沒有明顯的先后反應(yīng)順序。正是通過這些自由基、激發(fā)態(tài)的分子和原子、離子等的相互碰撞，完成了NO和SO的氧化。[3]

2.2 電解海水脫硫

SO2極其容易溶于水，進(jìn)行水解反應(yīng)時會產(chǎn)生HSO3-和SO32-[4-5]，接下來可繼續(xù)氧化成SO42-，所以SOx經(jīng)過水解、氧化和吸收這三個步驟可以基本上被脫除掉，主要的反應(yīng)方程式見表2中的反應(yīng)方程式（1）～（6）而且在這中，海水中存在的固有堿度（HCIO3-）對廢氣中的SO2也有

比較好的脫除效果，具體的反應(yīng)方程式見表2中反應(yīng)

式（7）。[4]

2.3 電解海水脫硝

NO 由于溶解性小，氧化過程受其在液膜中吸收速率的控制，當(dāng)被成功氧化為NO2后，再經(jīng)堿液吸收去除則非常容易，主要去除途徑見表3中反應(yīng)式（1）～式（5）。[2]

3? 低溫等離子體聯(lián)合電解海水法脫硫脫硝系統(tǒng)

在以上原理的基礎(chǔ)上，采用低溫等離子技術(shù)與電解海水濕法噴淋相結(jié)合的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了一種船舶廢氣脫硫脫硝系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成如圖2所示。

3.1 該系統(tǒng)的組成及特征

①系統(tǒng)組成。

船舶尾氣脫硫脫硝系統(tǒng)，包括脫硫脫硝組件、海水電解組件及電氣控制組件，其中：

脫硫脫硝組件用于同時處理船舶尾氣中的NOx和SOx，所述脫硫脫硝組件包括低溫等離子反應(yīng)器、脫硫脫硝噴淋塔、旋轉(zhuǎn)式霧化器及除霧器;

海水電解組件用于電解海水獲得堿性溶液和氧化性溶液，再分別被泵入到脫硫脫硝噴淋塔中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所述海水電解組件包括電解電源、陰極區(qū)、陽極區(qū)、隔膜及海水過濾器;

電氣控制組件用于判斷脫硫脫硝組件處理后的氣體是否滿足排放要求并執(zhí)行相應(yīng)操作，所述電氣控制組件包括控制器和廢氣檢測裝置。

②主要特征。

低溫等離子反應(yīng)器的進(jìn)氣口連通于船舶尾氣的排放口，低溫等離子反應(yīng)器的出氣口連通于脫硫脫硝噴淋塔的下部，所述脫硫脫硝噴淋塔的頂部和底部分別設(shè)有氣體排放口和液體排放口，所述旋轉(zhuǎn)式霧化器位于脫硫脫硝噴淋塔的內(nèi)側(cè)并安裝于脫硫脫硝噴淋塔的上部，所述旋轉(zhuǎn)式霧化器分別與陰極區(qū)和陽極區(qū)相連通。

述隔膜位于陰極區(qū)和陽極區(qū)之間，所述陰極區(qū)和陽極區(qū)中分別設(shè)有陰極材料和陽極材料，所述陰極材料和陽極材料分別電性連接于電解電源的陰極和陽極，所述海水過濾器的進(jìn)水端浸沒于海水中，所述海水過濾器的出水端分別與陰極區(qū)和陽極區(qū)相連通。

所述控制器與廢氣檢測裝置之間電性連接，所述廢氣處理裝置的底部和頂部分別設(shè)有導(dǎo)入口和導(dǎo)出口，所述導(dǎo)入口與氣體排放口相導(dǎo)通，所述除霧器連通于導(dǎo)入口與氣體排放口之間，所述廢氣處理裝置的旁側(cè)設(shè)有導(dǎo)回口，所述導(dǎo)回口與低溫等離子反應(yīng)器相導(dǎo)通。

3.2 系統(tǒng)的運(yùn)行流程

步驟1：低溫等離子反應(yīng)器通過空氣放電，產(chǎn)生能夠氧化SO和NO的超氧化氫、臭氧、氧自由基或羥基等氧化性基，在一定條件下，將柴油機(jī)尾氣中的SO和NO分別氧化成SO2和NO2;

步驟2：海水經(jīng)海水過濾器進(jìn)入到陰極區(qū)和陽極區(qū)，在接通電解電源的情況下，在陰極區(qū)生成堿性溶液，堿性成分以NaOH為主，在陽極區(qū)生成酸性溶液，氧化性成分以HClO為主;

步驟3：讓步驟1中氧化后的廢氣從脫硫脫硝噴淋塔的下部進(jìn)入并向上運(yùn)動，讓步驟2中生成的堿性溶液和氧化性溶液分別泵入到旋轉(zhuǎn)式霧化器中，霧化后向下運(yùn)動，廢氣和兩種溶液形成對流，使得廢氣中的NO2會被堿性溶液吸收去除，使得廢氣中的SO2會被氧化性溶液吸收

去除;

步驟4：讓步驟3中充分反應(yīng)后的廢氣先通過除霧器，通過除霧器去除廢氣中夾雜的水分，然后進(jìn)入廢氣檢測裝置內(nèi)，通過廢氣檢測裝置檢測其中的污染物含量，若污染物含量滿足排放要求，則將廢氣直接排出，若污染物含量超過規(guī)定值，則將廢氣導(dǎo)回到溫等離子反應(yīng)器中，重新進(jìn)行脫硫脫硝等工作。

4? 系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

①低溫等離子反應(yīng)器內(nèi)有介質(zhì)阻擋放電，當(dāng)船舶尾氣經(jīng)過管道進(jìn)入到低溫等離子反應(yīng)器內(nèi)，經(jīng)過介質(zhì)阻擋放電，生成氧化后的廢氣，之后再經(jīng)過管道進(jìn)入脫硫脫硝噴淋塔中，與通過旋轉(zhuǎn)式霧化噴頭噴出并霧化的氧化性溶液和堿性溶液進(jìn)行充分的反應(yīng)，以達(dá)到良好的脫硫脫硝

效果。

②海水先經(jīng)海水過濾器進(jìn)入到陰極區(qū)和陽極區(qū)，再經(jīng)電解后，在陰極區(qū)會形成堿性溶液，在陽極區(qū)會形成氧化性溶液，之后再分別被泵入到脫硫脫硝噴淋塔中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

③在控制器的控制下，充分反應(yīng)后的廢氣經(jīng)氣體排放口進(jìn)入除霧器，通過除霧器將夾雜的水分進(jìn)行去除，然后經(jīng)導(dǎo)入口進(jìn)入廢氣檢測裝置內(nèi)，通過廢氣檢測裝置檢測其中的污染物含量，若污染物含量滿足排放要求，則讓導(dǎo)出口開啟，導(dǎo)回口閉合，廢氣由導(dǎo)出口完成排放，若污染物含量超過規(guī)定值，則讓導(dǎo)出口閉合，導(dǎo)回口開啟，廢氣由導(dǎo)回口再次進(jìn)入低溫等離子反應(yīng)器，重新進(jìn)行脫硫脫硝等工作。

5? 結(jié)語

本文從船舶尾氣脫硫脫硝方法入手，做了如下工作：

①分析了船舶尾氣脫硫脫硝的主要方法，并通過對低溫等離子體技術(shù)、電解海水法應(yīng)用于船舶尾氣脫硫脫硝原理的闡述，設(shè)計(jì)了低溫等離子體聯(lián)合電解海水法船舶尾氣脫硫脫硝的系統(tǒng);

②詳細(xì)分析了低溫等離子體聯(lián)合電解海水法船舶尾氣脫硫脫硝的系統(tǒng)的工作流程，并指出了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)測分析了該系統(tǒng)的前景。

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