塔體傾斜條件下船舶尾氣SO2洗滌脫除強化

劉 昶,王丁振,張涌新,趙中陽,吳衛(wèi)紅,沈敏強,戴豪波,鄭成航,高 翔*

塔體傾斜條件下船舶尾氣SO2洗滌脫除強化

劉 昶1,王丁振1,張涌新1,趙中陽1,吳衛(wèi)紅1,沈敏強2,戴豪波3,鄭成航1,高 翔1*

(1.浙江大學能源工程學院,能源清潔利用國家重點實驗室,國家環(huán)境保護燃煤大氣污染控制工程技術(shù)中心,浙江 杭州 310027；2.浙江浙能邁領(lǐng)環(huán)境科技有限公司,浙江 杭州 311202；3.浙江天地環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?浙江 杭州 311121)

針對惡劣海況下船舶洗滌塔傾斜的情況,利用船舶尾氣凈化小試試驗臺,開展了洗滌塔不同傾斜角度下對鎂基吸收劑脫硫效率影響的實驗,研究了液氣比、入口SO2濃度、煙氣量、漿液pH值、對洗滌塔內(nèi)SO2脫除效率的影響.結(jié)果表明:脫硫效率隨洗滌塔傾角度的增大而降低.脫硫效率隨液氣比的增大而升高,較低的液氣比時傾斜角度對SO2脫除效率的影響更明顯;脫硫效率隨SO2入口濃度的增大而略微降低,入口SO2濃度較高時,SO2脫除效率的降低隨傾斜角度的增加變化較為明顯;相同液氣比條件下,脫硫效率隨塔內(nèi)煙氣量的增加而升高;脫硫效率隨漿液pH值的增大而升高,低pH值時SO2脫除效率的降低隨傾斜角度的增加變化較為明顯.篩板-邊壁環(huán)的加入可有效提高傾斜條件下洗滌塔的脫硫效率,傾斜角度為15°時,脫硫效率提高將約3%;傾斜角度為10°時,脫硫效率提高約5%;傾斜角度在5°以下時,脫硫效率可提高將近7%.

洗滌塔；傾斜；鎂基吸收劑；脫硫效率；塔內(nèi)構(gòu)件

目前船舶尾氣中硫的排放量已占全世界硫排放總量的13%左右[1],國際海事組織(IMO)也已制定了關(guān)于全球船舶尾氣排放硫含量限值的規(guī)定[2].洗滌塔作為船舶尾氣凈化的主要設(shè)備可用作船舶尾氣脫硫來達到日益嚴格的國際標準[3].鎂基吸收劑脫硫是目前主流的船舶尾氣洗滌技術(shù),其基本原理是將氧化鎂通過漿液制備系統(tǒng)制成氫氧化鎂懸浮液[4],在洗滌塔內(nèi)吸收尾氣中的二氧化硫生成亞硫酸鎂,系統(tǒng)可以長期可靠運行,能耗和成本均較低,適合船舶上應(yīng)用[5].

由于鎂基吸收劑脫硫具有獨特優(yōu)勢,可以滿足最嚴格的硫排放控制要求,因此研究鎂基吸收劑船舶尾氣洗滌技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義.有學者通過數(shù)學模型的構(gòu)建對鎂基吸收劑船舶尾氣脫硫效率進行了研究.唐曉佳[6]通過統(tǒng)計軟件建立鎂基船舶尾氣洗滌系統(tǒng)的脫硫效率模型,找出了影響顯著的因素,并獲得脫硫效率與影響因素之間的二階數(shù)學關(guān)系,用于指導(dǎo)船舶尾氣洗滌系統(tǒng)運行.

一些學者通過實驗方法研究了關(guān)鍵因素對脫硫系統(tǒng)性能的影響[7-12].朱益民等[7]利用自主研發(fā)的鎂基船舶尾氣脫硫系統(tǒng)進行了實船試驗,通過脫硫劑制備、洗滌水水質(zhì)和運行壓降的優(yōu)化提高脫硫效率.李曉波等[8]利用I型鎂基混合式船舶煙氣洗滌系統(tǒng)試驗臺,開展了脫硫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)(液氣比、氣速和噴淋層)對脫硫效率和壓損影響的試驗研究.郝陽[9]利用自行搭建的一套最大處理風量10000m3/h的鎂基船用脫硫系統(tǒng)在某集裝箱船上開展試驗,研究了關(guān)鍵因素對脫硫效率的影響,并采用正交法得出最優(yōu)方案.

計算流體力學方法相對于實驗研究,可以直觀地分析氣液兩相的運動情況,在煙氣數(shù)值模擬優(yōu)化方面正成為一種越來越成熟的手段[13],大量學者通過數(shù)值模擬的手段進行了塔內(nèi)流場優(yōu)化研究[14-17].鞠鎧陽等[14]以某鎂法洗滌塔為研究對象,針對入口煙道內(nèi)存在的氣流沖壁現(xiàn)象,對其進行了流場數(shù)值模擬,合理布置導(dǎo)流板優(yōu)化了塔內(nèi)流場的分布狀況.劉全[15]基于雷諾平均N-S方程數(shù)值模擬塔內(nèi)流場,優(yōu)化了進氣方向和噴嘴結(jié)構(gòu),可使塔內(nèi)脫硫效率提高,并降低塔內(nèi)壓損.周密[16]對船用噴淋洗滌塔塔內(nèi)流場進行模擬分析,分別對洗滌塔內(nèi)的速度流場、壓強分布和SO2濃度分布進行了模擬計算,為洗滌塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了指導(dǎo).

船舶在不同海況下航行會產(chǎn)生0～20°的傾斜,使洗滌塔的SO2脫除效率降低[18],主要原因有3個方面:造成吸收劑漿液貼壁率增加,液滴噴射覆蓋范圍減小[19],傳質(zhì)表面積減少;使流場分布不均[20];洗滌塔傾斜使液滴行程變短,減少了氣液接觸時間,從而導(dǎo)致SO2脫除效率下降.現(xiàn)有研究大多針對于船舶在平穩(wěn)航行時的洗滌塔,關(guān)于傾斜條件下的鎂基吸收劑脫硫研究較少.因此,本文為模擬船舶在惡劣海況下船身產(chǎn)生傾斜的情況,采用船舶尾氣凈化小試試驗臺,針對洗滌塔不同傾斜角度下對鎂基吸收劑脫硫效率的影響開展了實驗,研究了運行參數(shù)對船舶洗滌塔內(nèi)SO2脫除效率的影響,及塔內(nèi)構(gòu)件強化SO2吸收脫除規(guī)律.

1 裝置與方法

1.1 實驗裝置

為獲得傾斜條件下洗滌塔的塔內(nèi)運行狀態(tài)和脫硫效果,搭建了船舶尾氣凈化小試試驗臺,如圖1所示,在洗滌塔內(nèi)設(shè)有篩板和邊壁環(huán).試驗臺主要由4部分構(gòu)成,包括配氣系統(tǒng)、洗滌塔本體、漿液系統(tǒng)和傾斜裝置,主要參數(shù)見表1.配氣系統(tǒng)由羅茨風機,轉(zhuǎn)子流量計、質(zhì)量流量計、純度為99.99%的N2、SO2以及管道等組成;漿液系統(tǒng)主要由漿液池、給水泵、噴淋裝置、液體轉(zhuǎn)子流量計、球閥、pH計、給料裝置、攪拌裝置等組成;洗滌塔本體是一個氣液傳質(zhì)設(shè)備,主要由塔體、多空篩板、邊壁環(huán)組成;傾斜裝置主要由千斤頂和牽引繩組成.漿液自洗滌塔上方4層噴嘴噴入,至塔底流回漿液池.含一定濃度SO2的煙氣自洗滌塔下方進入,經(jīng)過篩板、噴淋層,與液體逆向接觸.

圖1 船舶尾氣凈化小試試驗臺示意

表1 試驗臺參數(shù)

實驗所用邊壁環(huán)安裝在每一噴淋層下方127.5mm處,篩板的安裝位置在距煙氣入口中心上方0.1m處,實驗所用篩板開孔方式為正方形,其開孔率表達方式如下:

式中:為開孔率,%;為篩板所開孔的直徑,mm;為篩板相鄰兩孔中心之間的距離,mm.

1.2 實驗方法

塔體下方通過前部的支架與液壓裝置固定,塔身上側(cè)通過繩索與固定桿相連,通過液壓裝置與繩索的調(diào)節(jié)可控制傾斜角度,通過測量裝置測量塔身與垂直面的角度為0°、2°、5°、10°和15°.

實驗中,脫硫劑為氫氧化鎂漿液,初始氫氧化鎂質(zhì)量分數(shù)為2%,實驗過程中通過添加氫氧化鎂漿液調(diào)節(jié)脫硫漿液pH值,漿液pH值通過pH計實時在線監(jiān)測.煙氣中的SO2通過高純SO2氣體發(fā)生,SO2濃度通過質(zhì)量流量計進行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為0～0.1%,并采用德國MRU的MGA5移動式煙氣分析儀對洗滌塔出口煙氣中的SO2濃度進行實時監(jiān)測,可測量0～0.5%濃度范圍的SO2.試驗過程中的煙氣量通過氣體流量計進行調(diào)節(jié),漿液循環(huán)量通過液體流量計進行調(diào)節(jié).因此,實驗中SO2脫除效率計算方式如下:

式中:為脫硫效率,%;SO2,in為進口SO2濃度, mg/m3;SO2,out為出口SO2濃度,mg/m3.

2 結(jié)果與討論

2.1 液氣比對脫硫效率的影響

研究了不同液氣比條件下SO2脫除效率隨傾斜角度增加的變化規(guī)律,如圖2所示.在相同液氣比的條件下,隨著傾斜角度的增加,SO2脫除效率逐漸降低,原因在于塔體傾斜時漿液的貼壁幾率大大增加,傳質(zhì)表面積減少,而且傾斜會使塔內(nèi)流場分布不均勻性增加.同時,較低的液氣比時傾斜角度對SO2脫除效率的影響更加明顯,當液氣比為10L/m3時,洗滌塔在最大傾斜角度脫硫效率下降了接近9%;高液氣比時不同傾斜角度對SO2脫除效率的影響較小,當液氣比為20L/m3時,洗滌塔在最大傾斜角度脫硫效率只下降了2%左右,原因在于高液氣比時即使貼壁的漿液增多,塔內(nèi)吸收液滴密度仍較高,仍能保持較好的SO2吸收效果.因此,在洗滌塔實際運行過程中,在保證運行經(jīng)濟性的同時,可提高液氣比,增大吸收表面積的同時可以減少傾斜帶來的脫硫效率下降.需要說明的是,由于試驗臺洗滌塔直徑較小,造成液滴直接與壁面碰撞沿壁面下流的比例遠高于實際工程應(yīng)用的洗滌塔,因此,實驗中采用的液氣比高于實際工程應(yīng)用的洗滌塔液氣比.

圖2 不同液氣比條件下試驗臺傾角對脫硫效率影響的變化規(guī)律

2.2 入口SO2濃度對脫硫效率的影響

圖3 不同入口SO-2濃度試驗臺傾角對脫硫效率影響的變化規(guī)律

液氣比15L/m3;漿液pH6.5;煙氣量100m3/h

在煙氣量為100m3/h,漿液pH值為6.5,液氣比為15L/m3的條件下,研究了入口煙氣SO2濃度為1000～ 2900mg/m3,洗滌塔傾角為0～15°條件下脫硫效率變化規(guī)律,結(jié)果如圖3所示.脫硫效率隨著入口SO2的增加而降低,這是因為隨著入口SO2的增加,能很快打破洗滌塔內(nèi)化學反應(yīng)的平衡,迅速消耗漿液的堿度,造成漿液中液滴吸收SO2的能力減弱.由圖中還可以看出,在相同入口SO2濃度的條件下,隨著傾斜角度的增加,SO2脫除效率逐漸降低.低入口SO2濃度時,SO2脫除效率的降低隨傾斜角度的增加變化不明顯,當入口SO2濃度為1000mg/m3時,洗滌塔在最大傾斜角度脫硫效率下降約2.5%左右;高入口SO2濃度時,SO2脫除效率的降低隨傾斜角度的增加變化較為明顯,當入口SO2濃度為2900mg/m3時,洗滌塔在最大傾斜角度脫硫效率下降超過5%,原因在于較低的入口SO2濃度具有較高的SO2脫除效率,傾斜條件下塔內(nèi)沒有貼壁的液滴依然具有較強的吸收SO2的能力.

2.3 煙氣量對脫硫效率的影響

在入口煙氣SO2濃度為2000mg/m3,漿液pH值為6.5,液氣比為15L/m3的條件下,研究了煙氣量為80～150m3/h,洗滌塔傾角為0～15°條件下脫硫效率變化規(guī)律,如圖4所示.隨著煙氣量的增加,SO2脫除效率逐漸增加,原因在于煙氣量的增加使煙氣流速增加,增加了塔內(nèi)的湍流度,強化了傳質(zhì),同時可使液滴在塔內(nèi)的停留時間增長,從而吸收更多的SO2.但煙氣流量過大也會造成SO2的增加,脫硫負荷增大,并且增加煙氣流速,縮短了化學反應(yīng)時間.在相同煙氣量條件下,隨著傾斜角度的增加,SO2脫除效率逐漸降低.

圖4 不同煙氣量塔體傾斜角度對SO2脫除效率影響規(guī)律

2.4 漿液pH值對脫硫效率的影響

在入口煙氣SO2濃度為2000mg/m3,液氣比為15L/m3,煙氣量為100m3/h,洗滌塔傾角為0～15°條件下研究脫硫效率變化規(guī)律,如圖5所示.脫硫效率隨著漿液pH值的增加而增加,原因在于反應(yīng)離子體系中存在HSO3-和SO32-的平衡,當pH值較高時,SO32-占主導(dǎo),更有利于吸收SO2,但pH值不能一味提高,一方面過高的pH值消耗更多的吸收劑造成經(jīng)濟性受損,另一方面使設(shè)備結(jié)垢嚴重,且增加后續(xù)廢液處理的困難.在相同漿液pH值的條件下,隨著傾斜角度的增加,SO2脫除效率逐漸降低.由圖中還可以看出,低pH值時,SO2脫除效率的降低隨傾斜角度的增加變化較為明顯,當漿液pH值為5.5時,洗滌塔在傾斜15°時脫硫效率下降4%以上;高pH值時,SO2脫除效率的降低隨傾斜角度的增加變化較小,當漿液pH值為8時,洗滌塔在傾斜15°時脫硫效率下降小于1.5%.

圖5 不同漿液pH值條件下試驗臺傾角對脫硫效率的影響

2.5 塔內(nèi)構(gòu)件對脫硫效率的影響

為解決洗滌塔傾斜導(dǎo)致SO2脫除效率降低的問題,實現(xiàn)傾斜條件下的高效穩(wěn)定脫除,提出篩板-邊壁環(huán)耦合強化氣液混合實現(xiàn)SO2強化吸收的方法.實驗中,煙氣量為100m3/h,入口SO2濃度為2000mg/m3,液氣比為15L/m3,研究了采用構(gòu)件強化前后,洗滌塔傾角為0～15°條件下SO2脫除效率變化規(guī)律,結(jié)果如圖6所示.可以看出采用篩板-邊壁環(huán)耦合的方法后,傾斜角度為15°時,脫硫效率提高約3%,出口SO2濃度從118mg/m3降低至98mg/m3,降低了16.9%;傾斜角度為10°時,脫硫效率提高約5%,出口SO2濃度從113mg/m3降低至80mg/m3,降低了29.2%;傾斜角度在5°時,脫硫效率提高將近7%,出口SO2濃度從100mg/m3降低至46mg/m3,降低了54.0%.以上結(jié)果表明,篩板-邊壁環(huán)的加入可有效提高洗滌塔的脫硫效率,并且對于傾斜角度較小時,作用更為明顯,原因在于篩板抵消了部分進口由于傾斜產(chǎn)生的氣液分布不均和漩渦對流場的不利影響,在其上方形成激烈湍流,強化了SO2向漿液的傳質(zhì);邊壁環(huán)防止了煙氣因傾斜造成邊壁逃逸,提高了邊壁漿液的利用率,緩解了吸收區(qū)因傾斜造成的汽液接觸面積減少.

針對日趨嚴格的船舶尾氣排放標準,需要對船舶尾氣洗滌凈化系統(tǒng)進行優(yōu)化.對液氣比、漿液pH值等操作參數(shù)的精細化控制,可使脫硫效率達到99%以上.海上惡劣海況造成洗滌塔傾斜,一方面通過船舶減搖裝置直接減少晃動幅度,另一方面篩板-邊壁環(huán)等塔內(nèi)構(gòu)件的應(yīng)用也可以一定程度緩解脫硫效率的下降.

圖6 篩板-邊壁環(huán)耦合強化后SO2脫除效率的影響規(guī)律

3 結(jié)論

3.1 脫硫效率隨洗滌塔傾角度的增大而降低.脫硫效率隨液氣比的增大而升高,較低的液氣比時傾斜角度對SO2脫除效率的影響更加明顯.脫硫效率隨SO2入口濃度的增大而略微降低,高入口SO2濃度時,SO2脫除效率的降低隨傾斜角度的增加變化較為明顯.相同液氣比條件下,塔內(nèi)煙氣量越大,脫硫效率越高.脫硫效率隨漿液pH值的增大而升高,低pH值時SO2脫除效率的降低隨傾斜角度的增加變化較為明顯.

3.2 采用篩板-邊壁環(huán)耦合的方法后,傾斜角度為15°時,脫硫效率提高將約3%;傾斜角度為10°時,脫硫效率提高約5%;傾斜角度在5°以下時,脫硫效率可提高將近7%.篩板-邊壁環(huán)的加入可有效提高傾斜條件下洗滌塔的脫硫效率.

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Investigation of SO2removal enhancement from marine flue gas under scrubber swing condition.

LIU Chang1, WANG Ding-zhen1, ZHANG Yong-xin1, ZHAO Zhong-yang1, WU Wei-hong1, SHEN Min-qiang2, DAI Hao-bo3, ZHENG Cheng-hang1, GAO Xiang1*

(1.National Environmental Protection Coal-fired Air Pollution Control Engineering Technology Center, State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China；2.Zhejiang Energy Marine Environmental Technology Co., LTD., Hangzhou 311202, China；3.Zhejiang Tiandi Environmental Protection Technology Co.Ltd., Hangzhou 311121, China)., 2021,41(6)：2571～2576

The SO2removal efficiency of magnesia-based absorbent for different absorber inclined angles was investigated, aiming at desulfurization enhancement of the swing condition of ship absorber under severe sea conditions. The effects of liquid-gas ratio, inlet SO2concentration, flow gas flow rate, pH value on desulphurization efficiency in scrubber tower were studied. The results showed that the desulfurization efficiency decreased with the increasing of inclined angle and the decreasing of the liquid-gas ratio, and the influence of inclined angle on desulfurization efficiency was more obvious at lower liquid-gas ratio. The desulfurization efficiency increased with the increasing of flue gas flow rate and pH value. For different pH values & inlet SO2concentrations, the variation range of desulfurization efficiency caused by inclined angles was different. The sieve tray and distribution ring improved the desulfurization efficiency of the absorber under swing condition effectively. When the inclined angle was 15°, the desulfurization efficiency increased by about 3%, while the desulfurization efficiency increased by about 5% at the inclined angle of 10°. When the inclined angle was below 5°, the desulfurization efficiency could be improved by nearly 7%.

scrubber；inclination；magnesia-based absorbent；desulfurization efficiency；internals

X511

A

1000-6923(2021)06-2571-06

2020-10-15

國家自然科學基金資助項目(U1609212,51621005)

* 責任作者, 教授,xgao1@zju.edu.cn

劉 昶(1997-),男,北京人,浙江大學能源工程學院博士研究生,主要研究方向為大氣環(huán)境污染治理.發(fā)表論文1篇.