基于海水旋流霧化的船舶煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)研究

吳澤豪，劉定平，鄧振興，夏松

(1.華南理工大學(xué) 廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省能源高效低污染轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510641；2.廣東埃森環(huán)?？萍加邢薰荆瑥V東 廣州 510640)

隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，船舶的作用在國(guó)際貨運(yùn)中日益突出,但船舶煙氣污染形勢(shì)也日益嚴(yán)峻[1-2]。IMO MARPOL73/78公約規(guī)定了船舶燃油含硫量極限值，降低船舶SOx排放勢(shì)在必行[3]。目前主要采取低硫燃料、LNG燃料和尾氣凈化控制船舶硫排放[4]。其中尾氣凈化又以成本低、效果好等優(yōu)點(diǎn)成為船舶硫排放控制首選[5-7]。

旋流霧化尾氣脫硫技術(shù)可將海水高度霧化，提高液氣接觸比表面積，優(yōu)化脫硫塔內(nèi)反應(yīng)流場(chǎng)，具有效率高、占地少、系統(tǒng)阻力小、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文通過實(shí)船安裝旋流霧化實(shí)驗(yàn)，對(duì)旋流霧化船舶煙氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)因素及變負(fù)荷分析，可以滿足船舶燃用高硫油時(shí)變工況下脫硫要求。

1 海水旋流霧化船舶煙氣脫硫工藝

1.1 海水脫硫原理

表1 海水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Seawater quality index

1.2 高效旋流霧化脫硫機(jī)理

利用海水實(shí)現(xiàn)高效旋流霧化脫硫是通過三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)的，即高效霧化、流場(chǎng)優(yōu)化以及高效傳質(zhì)。

在持續(xù)的超聲破碎作用下，海水被霧化為粒徑50～150 μm的微細(xì)顆粒，相比于傳統(tǒng)噴嘴作用下噴出的海水液滴(液滴直徑1 500～3 000 μm)，比表面積增大20～60倍，海水與煙氣的反應(yīng)接觸面積提高400～3 600倍。

同時(shí)，旋流霧化技術(shù)對(duì)海水洗滌塔內(nèi)的流場(chǎng)均勻性進(jìn)行優(yōu)化。高效霧化的海水沿切向噴入塔內(nèi)，帶動(dòng)煙氣螺旋上升形成旋流云動(dòng)力場(chǎng)，煙氣沿圓周方向速度增大，旋流云動(dòng)力場(chǎng)的卷吸作用使海水與煙氣充分接觸并均勻混合為云霧狀態(tài)，大幅優(yōu)化了旋流霧化塔內(nèi)的流場(chǎng)均勻性，流體充滿度高，煙氣走廊現(xiàn)象從根源上被解決[8]。

1.3 海水脫硫工藝

IMO對(duì)于船舶燃油含硫率的規(guī)定給以采取尾氣處理履約的船舶帶來挑戰(zhàn)，并對(duì)傳統(tǒng)海水脫硫技術(shù)提出了更高的性能要求，但傳統(tǒng)海水噴淋工藝緩沖能力有限、脫硫塔尺寸龐大和脫硫效率較低，無法處理高硫煙氣。表2對(duì)比了幾種海水脫硫工藝的技術(shù)性能。

膜吸收法為氣液非直接接觸式脫硫，疏水性材料為氣液兩相的接觸提供巨大的有效接觸面，系統(tǒng)工況波動(dòng)較大時(shí)脫硫性能能夠保持高效穩(wěn)定，而且煙氣中的重金屬元素不進(jìn)入脫硫海水中，環(huán)境效益顯著。但膜吸收法對(duì)中空膜材料要求較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，“毛細(xì)現(xiàn)象”不可避免導(dǎo)致氣阻大，目前尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。鎂基-海水法塔內(nèi)結(jié)構(gòu)部件少，壓降較小，酸堿緩沖能力較強(qiáng)，但堿性溶液容易腐蝕設(shè)備和部件，堿液的制備和儲(chǔ)備另需成本和空間，脫硫成本增加，且整體脫硫效率無法保證滿足IMO的規(guī)定。旋流霧化海水法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，切圓布置的旋流霧化噴嘴在高效霧化海水的同時(shí)改善了塔內(nèi)流場(chǎng)均勻性，使得系統(tǒng)壓降小，煙氣與海水逆向接觸，氣液充分接觸，脫硫性能優(yōu)異。

表2 海水脫硫工藝Table 2 Seawater desulfurization process

2 海水旋流霧化船舶煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)組的主要參數(shù)見表3。

表3 船舶動(dòng)力機(jī)組技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of marine power unit

2.2 海水旋流霧化船舶煙氣脫硫工藝設(shè)計(jì)

海水脫硫系統(tǒng)由煙氣系統(tǒng)、旋流霧化吸收系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、海水恢復(fù)系統(tǒng)、電氣及儀表控制等系統(tǒng)組成。圖1為開式海水旋流霧化脫硫系統(tǒng)的工藝路線圖，在煙氣脫硫塔壁中段切圓布置兩層旋流霧化器，布置方式見圖2，每層8個(gè)旋流霧化器，在塔頂部布置兩層高效除霧器。利用旋流霧化器強(qiáng)制脫硫塔內(nèi)的內(nèi)旋流器，應(yīng)用高效除霧器對(duì)含有已被高效凝并的大顆粒物的液滴進(jìn)行回收，最大限度提高脫硫效率和減少用水量。

圖1 海水旋流霧化脫硫系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of seawater swirl atomization desulfurization system

圖2 旋流霧化器的布置Fig.2 Arrangement of swirl atomizer

2.3 海水旋流霧化船舶煙氣脫硫塔實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試海水旋流霧化脫硫系統(tǒng)性能，將上述裝置安裝在某24.9 MW遠(yuǎn)洋集裝箱船舶煙氣系統(tǒng)中，燃油含硫率3.5%。實(shí)驗(yàn)工況為正常運(yùn)行工況，船舶廢氣排量為41 800～297 000 Nm3/h，海水pH為8.09，廢氣溫度為216～240 ℃，SO2濃度在917～1 103 mg/Nm3，洗滌塔體尺寸Φ5.2×12 m。海水實(shí)驗(yàn)船舶裝有煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)Ｋ黛F化脫硫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)分別在脫硫塔中煙氣的入口及出口布置SO2濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)脫硫塔進(jìn)、出口SO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

通過調(diào)節(jié)主機(jī)、輔機(jī)負(fù)荷調(diào)整脫硫塔入口的煙氣量，調(diào)整旋流霧化器的入口壓力和進(jìn)入脫硫塔內(nèi)的海水流量，改變脫硫塔內(nèi)的液氣比。脫硫效率由式(1)可得：

(1)

ρ(SO2)in——脫硫塔煙氣入口的SO2質(zhì)量濃度，mg/m3；

ρ(SO2)out——脫硫塔煙氣入口的SO2質(zhì)量濃度，mg/m3。

脫硫塔內(nèi)液氣比由式(2)可得：

L/G =QV,SW/QV,FG

(2)

式中 L/G——液氣比，L/m3；

QV,SW——進(jìn)入脫硫塔內(nèi)海水的體積流量，L/h；

QV,FG——脫硫塔煙氣入口煙氣的體積流量，m3/h。

3 結(jié)果與討論

3.1 液氣比的影響

液氣比是煙氣脫硫工藝中最關(guān)鍵的工藝參數(shù)，決定著循環(huán)泵功率選擇以及影響泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能[12]。保持其他參數(shù)穩(wěn)定，調(diào)整海水泵體積流量，考察液氣比對(duì)海水脫硫效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 液氣比對(duì)脫硫效率的影響Fig.3 Effect of liquid gas ratio on desulfurization efficiency

由圖3可知，隨著液氣比的增大，脫硫效率逐步提高。液氣比從6.36 L/m3上升至7.52 L/m3，脫硫效率從95.09%提高到98.59%。增大液氣比意味著海水活性物質(zhì)總量相對(duì)增多，SO2與活性物質(zhì)接觸、反應(yīng)概率提高，能中和更多的SO2。當(dāng)海水中活性物質(zhì)總量超過廢氣中SO2反應(yīng)完全所需的量時(shí)，即使液氣比持續(xù)增大，脫硫效率增幅較小。

3.2 煙氣流速的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可知，當(dāng)其他工況條件不變，隨著煙氣流速的升高，脫硫效率迅速下降。一方面，煙氣流速增大，強(qiáng)化了氣液湍動(dòng)效果，降低氣液傳質(zhì)阻力；另一方面，則縮短了氣液反應(yīng)時(shí)間，SO2尚未遷移至海水中與活性物質(zhì)反應(yīng)即被帶出反應(yīng)區(qū)域，脫硫率降低；同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入脫硫塔煙氣量增大，液氣比減少，海水pH值下降速度加快，SO2吸收過程的傳質(zhì)動(dòng)力減小。隨著煙氣流速持續(xù)增大，脫硫效率下降幅度減小的原因，認(rèn)為海水旋流霧化過程，卷吸煙氣螺旋上升，氣液兩相充分混合，改善氣、液流速的不同步現(xiàn)象，一定程度上消除了氣液傳質(zhì)時(shí)間不足的影響。同時(shí)，海水高效霧化保證了反應(yīng)過程有足夠的氣液傳質(zhì)接觸面，當(dāng)傳質(zhì)時(shí)間不足的影響在一定程度上被削弱，較高的煙氣流速增強(qiáng)了氣液湍動(dòng)效果，提高傳質(zhì)效率。

圖4 煙氣流速對(duì)脫硫效率的影響Fig.4 Effect of flue gas flow rate on desulfurization efficiency

3.3 霧化壓力的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 霧化壓力對(duì)脫硫效率的影響Fig.5 Effect of atomization pressure on desulfurization efficiency

由圖5可知，當(dāng)其他工況條件不變，隨著霧化壓力的增大，脫硫效率上升。霧化壓力增大，海水霧化為粒徑較小的液滴，海水顆粒比表面積增加，SO2與海水中活性物質(zhì)反應(yīng)的總接觸面積增大，SO2捕捉效果得到優(yōu)化。當(dāng)霧化壓力由0.23 MPa增大至0.30 MPa時(shí)，脫硫效率從94.6%提升到98.98%。當(dāng)霧化壓力從0.30 MPa增大至0.34 MPa，脫硫效率上升0.53%達(dá)到99.51%，說明當(dāng)霧化壓力繼續(xù)上升到一定程度時(shí)，雖然海水被霧化為粒徑更小的液滴，但液相的活性物質(zhì)總量有限，與活性物質(zhì)接觸反應(yīng)的SO2量達(dá)到該反應(yīng)條件下的閾值。當(dāng)霧化壓力為0.30 MPa時(shí)，繼續(xù)增大壓力值，脫硫效率增幅不顯著，系統(tǒng)能耗反而增加。

3.4 脫硫塔入口煙氣溫度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 脫硫塔入口煙氣溫度對(duì)脫硫效率的影響Fig.6 Influence of flue gas temperature at inlet of desulfurization tower on desulfurization efficiency

由圖6可知，當(dāng)其他工況條件不變，隨著入口煙氣溫度的升高，脫硫效率下降。入口煙氣溫度由130 ℃升高至233 ℃，其脫硫效率由99.94%下降至98.74%，變化幅度為1.2%。與其他參數(shù)相比，煙氣溫度對(duì)脫硫效率影響較小。入口煙氣溫度對(duì)脫硫效率的影響主要表現(xiàn)在對(duì)氣液反應(yīng)系統(tǒng)吸收溫度的影響。一方面，SO2的溶解度隨溫度上升而降低[13]，高溫?zé)煔馀c常溫海水同時(shí)進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱過程，氣液摻混使液相溫度上升，SO2溶解性降低，活性物質(zhì)與SO2碰撞概率減少，表征為脫硫效率下降，但此時(shí)溶解的SO2分子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，在一定程度上促進(jìn)傳質(zhì)反應(yīng)的進(jìn)行。另一方面，隨著煙氣溫度的升高，SO2平衡分壓隨之升高，但SO2平衡分壓的升高會(huì)降低氣液接觸面化學(xué)吸附的動(dòng)力，從而降低脫硫效率。在多因素耦合作用下，煙氣溫度對(duì)海水脫硫性能的影響較小。

3.5 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

由于海水pH值呈弱堿性(pH值在7.8～8.3之間)，且具有一定的含鹽量，使得傳統(tǒng)的海水脫硫裝置對(duì)SO2的吸收容量較小，無法處理高含硫煙氣，且采用傳統(tǒng)噴淋工藝進(jìn)行海水脫硫時(shí)脫硫效果不穩(wěn)定，系統(tǒng)的工況適應(yīng)能力差。本實(shí)驗(yàn)將討論船舶動(dòng)力機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)下，海水旋流霧化脫硫系統(tǒng)的高效性及工況適應(yīng)性。

穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)在船舶動(dòng)力機(jī)組燃用含硫率3.5%燃油下進(jìn)行，對(duì)機(jī)組負(fù)荷及脫硫系統(tǒng)進(jìn)出口SO2濃度連續(xù)取樣，450 min運(yùn)行時(shí)間內(nèi)船舶機(jī)組負(fù)荷和脫硫效率的變化結(jié)果見圖7。

由圖7可知，實(shí)驗(yàn)過程中，機(jī)組負(fù)荷的變化范圍為21.4%～41.7%，平均負(fù)荷為34.14%，脫硫效率為92.96%～100%，平均脫硫效率96.7%。在實(shí)驗(yàn)第160 min(樣本48)和390 min(樣本277)，機(jī)組負(fù)荷變化分別從28.7%上升到35.9%和從32.8%下降到25.5%，考慮到脫硫系統(tǒng)的時(shí)延性、遲滯性，將系統(tǒng)負(fù)荷變化起始后5個(gè)樣本的脫硫效率平均值(ADE)作為依據(jù)，以分析機(jī)組負(fù)荷對(duì)脫硫效率的影響。脫硫效率分別從99.18%下降到98.74%(ADE)，從96.22%上升到98.91%(ADE)，未見脫硫效率有明顯波動(dòng)，說明變工況運(yùn)行時(shí)，海水旋流霧化脫硫系統(tǒng)效率高，工況適應(yīng)能力強(qiáng)。

MEPC.184(59)規(guī)定了采用SO2/CO2比值(S/C)度量脫硫后煙氣含硫量，含硫率0.1%燃油對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)S/C為4.3%。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 脫硫塔出口尾氣S/C比值Fig.8 S/C ratio of tail gas at the outlet of desulfurization tower

動(dòng)力機(jī)組燃用含硫率3.5%高硫油條件下，系統(tǒng)出口S/C有217個(gè)即77.24%的樣本點(diǎn)小于4.3%，平均S/C為3.004%，未見長(zhǎng)時(shí)間的S/C超標(biāo)，脫硫效果總體滿足公約規(guī)定。當(dāng)監(jiān)測(cè)到出口S/C 接近排放閾值時(shí)，可以通過增大海水泵流量或霧化壓力的方式促進(jìn)脫硫過程的進(jìn)行，降低S/C以滿足公約規(guī)定。

3.6 洗滌水水質(zhì)

MEPC.184(59)同樣對(duì)入海洗滌水的pH，PAH和濁度做出嚴(yán)格限制：排放的洗滌水pH值應(yīng)高于6.5,且進(jìn)出口pH差不超過2個(gè)pH單位：洗滌水中的最大連續(xù)PAH濃度不應(yīng)高于進(jìn)水PAH 50 μg/L(海水流量45 t/(MW·h)；最大連續(xù)濁度不高于進(jìn)水濁度25 FNU。洗滌排放廢水水質(zhì)指標(biāo)見表4，均滿足排放要求。

表4 洗滌海水水質(zhì)Table 4 Washing seawater quality

4 結(jié)論

針對(duì)大型遠(yuǎn)洋船舶動(dòng)力燃用高硫油煙氣凈化問題，設(shè)計(jì)了一套新型海水旋流霧化煙氣脫硫裝置，并對(duì)某燃用含硫率3.5%重油船用柴油機(jī)進(jìn)行了實(shí)船實(shí)驗(yàn)，研究了各參數(shù)和變工況條件下的海水脫硫特性及性能，結(jié)論如下：

(1)液氣比的增大使反應(yīng)所需活性物質(zhì)相對(duì)增多，脫硫效率隨液氣比增大而增大；煙氣流速通過強(qiáng)化氣液湍動(dòng)、縮短反應(yīng)時(shí)間及降低傳質(zhì)動(dòng)力等多因素耦合作用影響脫硫效果，脫硫效率隨煙氣流速增大而減小；霧化壓力大小影響海水粒徑，改變SO2與海水中活性物質(zhì)反應(yīng)的總接觸面積，脫硫效率隨霧化壓力增大而增大；煙氣溫度主要通過改變氣液反應(yīng)系統(tǒng)的吸收溫度和SO2的平衡分壓影響脫硫性能，脫硫效率隨煙氣溫度增大而減小。

(2)海水旋流霧化系統(tǒng)脫硫效率高、運(yùn)行壓降低、占地面積小，具有較好的抗負(fù)荷波動(dòng)性能。在船舶動(dòng)力系統(tǒng)燃用高硫油且系統(tǒng)負(fù)荷劇烈變化下，采用海水旋流霧化噴淋工藝后，出口煙氣S/C平均值3.004 (mg/m3)/%，進(jìn)出口洗滌水pH差值1.29，PAH差值36.9 μg/L，濁度差值6.8 FNU，船舶尾氣SO2及洗滌廢水水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足MEPC.184(59)的限值。