馮森森，張尚文，文曉龍，王海鵬，張兵

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

從2019年1月1日起，我國(guó)將對(duì)整個(gè)領(lǐng)海的硫含量限制在0.5%以內(nèi)。特別是2018年10月1日起，長(zhǎng)三角領(lǐng)海（距海岸22.224 km）對(duì)船舶實(shí)施0.5%的硫排放上限要求[1-3]，全球各大船舶公司都在尋求解決辦法，其中，安裝脫硫系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)、最快捷的辦法。在海水脫硫系統(tǒng)中，吸收塔效率的高低決定該系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，所以填料塔的設(shè)計(jì)尤為重要。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于散堆填料都有相應(yīng)計(jì)算公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而對(duì)規(guī)整填料，尤其是對(duì)Mellapak的填料層高度計(jì)算較少。在國(guó)內(nèi)的相關(guān)填料手冊(cè)中[4-5]，均是首先針對(duì)填料塔類型、高度等方面進(jìn)行計(jì)算，而填料塔的傳質(zhì)過(guò)程多是針對(duì)設(shè)計(jì)好的填料塔進(jìn)行后評(píng)價(jià)，對(duì)調(diào)料本身的設(shè)計(jì)過(guò)程無(wú)參考價(jià)值。因此文中考慮填料的傳質(zhì)過(guò)程，就常壓塔Mellapak填料做了傳質(zhì)計(jì)算，對(duì)海水脫硫吸收塔做了合理設(shè)計(jì)，并同時(shí)考慮填料吸收和噴淋相結(jié)合的方式對(duì)噴淋塔的工藝進(jìn)行了分析。

1 海水脫硫吸收塔的工藝設(shè)計(jì)

從上述反應(yīng)可以看出，海水脫硫是基于海水堿度和海水酸堿平衡緩沖能力，將煙氣中的SO2最終以硫酸鹽的形式重新排向大海[10-11]。因此設(shè)計(jì)船舶煙氣海水脫硫吸收塔，對(duì)船舶海上煙氣脫硫處理具有十分重要的意義。

目前二氧化硫處理塔主要分為噴淋吸收塔、填料吸收塔、噴射鼓泡反應(yīng)器和雙回路塔四大類。本文中綜合考慮噴淋吸收塔和填料吸收塔兩種類型，從塔徑、填料層高度、噴嘴數(shù)量與布置方式、除霧裝置4個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1.1 物料守恒計(jì)算

海水的pH值一般為7.8～8.3，呈弱堿性，而海洋本身就是一個(gè)具有天然堿度的巨大酸堿平衡緩沖體。海水法煙氣脫硫工藝就是利用海水這一特質(zhì)脫除煙氣中的SO2，海水吸收煙氣中的SO2，海水的pH值下降，吸收SO2后的海水在吸收塔塔底進(jìn)行曝氣和水質(zhì)恢復(fù)，已恢復(fù)海水滿足海水達(dá)標(biāo)排放的要求，進(jìn)行排放[6-8]。

海水脫硫工藝主要由煙氣處理、曝氣及水質(zhì)恢復(fù)過(guò)程組成。海水吸收煙氣中的SO2，其化學(xué)反應(yīng)為：SO2+H2O→HSO3?+H3O+，HSO3?→SO32?+H3O+。因海水具有酸堿緩沖能力，所以脫硫后的海水在吸收塔底部或曝氣池中發(fā)生海水酸堿自調(diào)節(jié)反應(yīng)，海水的pH值逐漸恢復(fù)。反應(yīng)中產(chǎn)生的亞硫酸根離子，在吸收塔下部或曝氣池中，被鼓入的空氣氧化成穩(wěn)定的硫酸根離子[9]。

船舶煙氣主要成分及摩爾分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1，計(jì)算相關(guān)參數(shù)如下。

表1 煙氣成分以及摩爾分?jǐn)?shù) Tab.1 Flue gas composition and mole fraction

混合氣體的平均摩爾質(zhì)量：

混合氣體的平均密度：

式中：P為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；R為氣體的平衡常數(shù)；T為溫度。

吸收塔物料衡算示意見(jiàn)圖1。V和L分別為氣液摩爾流量，x和y分別為液體和氣體的摩爾濃度，y1和y2分別為氣相進(jìn)出口SO2的摩爾濃度，x2和x1分別為液相進(jìn)出口SO2的摩爾濃度，H為填料層高度。

圖1 吸收塔物料衡算示意 Fig.1 Diagram of material balance in absorption tower

假設(shè)在初始時(shí)刻，液相中無(wú)SO2，塔底氣相入口處SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為y1=6.8×10?4。當(dāng)SO2的吸收效率η=96%，可得此時(shí)y2=2.72×10?5。

根據(jù)相平衡數(shù)據(jù)計(jì)算得相平衡曲線[12-13]，與y1=6.8×10?4相平衡的液相二氧化硫的摩爾分率x1=12.36×10?5，操作線為y=5.28x+2.72×10?5。

在低濃度吸收過(guò)程中，塔內(nèi)氣液濃度變化小，可以認(rèn)為氣體和液體沿塔高的流量變換不大，可用摩爾比來(lái)表示溶質(zhì)濃度[14-15]：

式中：L、G分別為液體、氣體的質(zhì)量流量，kg/h；

船舶柴油機(jī)的煙氣量為1.2×105kg/h，可求得液相流量L=628 760.33 kg/h。因此通過(guò)在操作線與平衡線之間的階梯圖解得：NT=2.6。

1.2 塔徑設(shè)計(jì)計(jì)算與校核

對(duì)于填料塔內(nèi)氣體的擴(kuò)散可根據(jù)貝恩-霍根公式計(jì)算[16]：

式中：ugf為泛點(diǎn)空塔氣速，ugf=3.06 m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；a/ε3為干填料因子，其中a=125 m2/m3，ε=98.5%；μl為液相黏度，文中海水（30 ℃）取μl=0.8 mPa·s；ρl、ρg分別為液體、氣體的密度，kg/m3；A為關(guān)聯(lián)系數(shù)，與填料塔形狀和材料有關(guān)，金屬孔板波紋填料A=0.291。

取空塔氣速為泛點(diǎn)氣速的80%，則u0=2.45 m/s，因此塔徑為[17]：

式中：VS為船舶柴油機(jī)的煙氣量。因此計(jì)算塔徑DT=3.76 m，取整為3.8 m。

通過(guò)塔器實(shí)際泛點(diǎn)率和噴淋密度進(jìn)行塔徑校核。

1）泛點(diǎn)率。計(jì)算實(shí)際空塔氣速u(mài)=2.02 m/s，因此校核實(shí)際泛點(diǎn)率為66.01%，滿足塔器設(shè)計(jì)要求（50%～80%）。

2）噴淋密度。對(duì)于光亮不銹鋼等金屬，最小噴淋密度Umin=3.0 m3/(m2·h)。計(jì)算該塔的噴淋密度[18]：

滿足最小噴淋密度要求。

經(jīng)以上校核可知，該塔直徑DT=3.8 m合適。

1.3 填料層高度計(jì)算

選擇合適的填料是填料塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，不僅需要符合工藝要求，而且要節(jié)省系統(tǒng)投資和工程成本。從填料傳質(zhì)效率、填料層通量、填料層壓降及操作性能等綜合考慮，選擇金屬孔板波紋填料，具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓降小、處理能力大、傳質(zhì)效率高和比表面積大等優(yōu)點(diǎn)[19]。

針對(duì)海水脫硫吸收塔，采用常壓金屬孔板波紋填料（Mellapak）塔，其中金屬孔板波紋填料為125Y，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)Rocha提出的SRP(II)模型[20-21]，計(jì)算金屬規(guī)整填料的等板高度（HETP）。

表2 Mellapak塔基本參數(shù) Tab.2 Basic parameters of Mellapak tower

計(jì)算填料塔內(nèi)氣膜傳質(zhì)系數(shù)：

式中：Uge為填料內(nèi)有效的氣相流速；Ule為填料內(nèi)有效的液相流速；Dg為氣相擴(kuò)散系數(shù)，SO2在混合氣體中的擴(kuò)散系數(shù)Dg=1.87×10?5m2/s。

計(jì)算有效加速度：

計(jì)算操作持液量：

式中：Uls為空塔液相流速，Uls=0.015 m/s。

因此計(jì)算填料塔內(nèi)有效的氣相和液相流速：

式中：Ugs為空塔氣相流速，Ugs=4.1 m/s。

因此，填料塔內(nèi)氣膜傳質(zhì)系數(shù)為：

液膜傳質(zhì)系數(shù)為：

填料塔有效比表面積可通過(guò)式（14）計(jì)算：

式中：Fse為填料因表面溝槽、突起等導(dǎo)致的表面增強(qiáng)因子，對(duì)于常壓金屬孔板波紋填料，F(xiàn)se=0.35；γ為固液間接觸角度，與液體的表面張力有關(guān)，這里取值：cosγ=0.9（σ<0.055 N/m），cosγ=5.211×10?16.835σ（σ>0.055 N/m）。

因此填料塔有效比表面積ae=168 m2/m3。

填料的總傳質(zhì)高度為：

因此最終確定填料等板高度為：

式中：λ為平衡線斜率與操作斜率之比。

1.4 液體噴嘴數(shù)量計(jì)算

為了在填料表面形成液膜，提供氣液傳質(zhì)表面，在填料塔填料層上部安裝了噴淋裝置。與管式和槽式噴淋裝置相比，噴嘴式噴淋裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液體分布性能好、能耗低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。脫硫填料塔的噴淋裝置選擇噴嘴式的噴淋清洗煙氣。

噴嘴數(shù)量計(jì)算：

式中：ψ為覆蓋率，取200%或220%；d為噴嘴在噴射距離1m處的噴射直徑，m。

計(jì)算噴嘴數(shù)量可得，n=8.8，通過(guò)圓整，填料塔內(nèi)選用9個(gè)噴嘴。

1.5 除霧裝置設(shè)計(jì)

氣體離開(kāi)填料塔，會(huì)攜帶一部分液沫，因此在氣體出口處安裝除霧裝置。折形葉片除霧器因壓降小，除霧效率高，用于脫硫塔煙氣清洗后除霧，垂直流過(guò)折形葉片的最大氣速：

式中：u為通過(guò)折形葉片的最大氣速，m/s；k為速度常數(shù)，通常取0.085～0.107。文中取k=0.107，則通過(guò)折形葉片的最大氣速u(mài)=3.06 m/s，計(jì)算所需除霧板組的橫截面積為9 m2。

根據(jù)上述計(jì)算，最終確定文中船舶煙氣海水脫硫吸收塔的設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 船舶煙氣海水脫硫吸收塔的設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù) Tab.3 Design and technical parameters of ship flue gas desulfurization absorption tower

2 煙氣流量對(duì)液體噴嘴布置的影響

2.1 物理模型和數(shù)學(xué)模型建立

計(jì)算域?yàn)樨Q直入口煙道至脫硫塔出口區(qū)域，按照填料塔的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立全尺寸的三維模型。底部設(shè)計(jì)進(jìn)氣管路，塔中填料層用多孔介質(zhì)代替，考慮其整流作用和壓降，幾何模型如圖2a所示。采用 Ansys Fluent Meshing 網(wǎng)格工具，進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)噴淋層及噴嘴區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量（27萬(wàn)、32萬(wàn)和45萬(wàn)）進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為32萬(wàn)，如圖2b所示。

圖2 填料塔模型及網(wǎng)格劃分 Fig.2 Packed tower model and grid division: a) geometric model; b) meshing

模型選取和邊界條件設(shè)置時(shí)，考慮以下幾點(diǎn)：選用 standardk-ε模型模擬塔內(nèi)的湍流流動(dòng)；多相流模型選取歐拉模型；選用組分輸運(yùn)模型計(jì)算煙氣中的輸運(yùn)和擴(kuò)散；填料層采用各向異性多孔介質(zhì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化；煙氣入口設(shè)置為質(zhì)量入口條件，出口設(shè)置為壓力出口條件；海水噴淋選用離散相模型進(jìn)行模擬；由于流速較快，在求解過(guò)程中選用耦合進(jìn)湍流求解模塊。

2.2 噴嘴開(kāi)啟方式分析

船舶柴油機(jī)的煙氣量為1.2×105kg/h，入口煙氣溫度為 120～130 ℃，入口煙氣速度為 2.6 m/s，每個(gè)噴嘴的最小噴淋密度為3.0 m3/(m2·h)?？紤]到煙氣中SO2濃度的變化，并且保證SO2處理徹底，因此在整個(gè)塔中設(shè)置4層液體噴嘴。

根據(jù)脫硫塔的設(shè)計(jì)結(jié)果，計(jì)算塔內(nèi)壓力分布。

除霧器阻力為：

總壓降為：

在船舶鍋爐中，如果選擇含硫量較低的煤，或者摻雜其他優(yōu)質(zhì)燃料，那么文中所處理的煙氣含硫量必然會(huì)大幅度降低。因此，設(shè)置含硫量濃度降低為原來(lái)的1/2，即1000 mg/(N·m3)（SO2摩爾分?jǐn)?shù)為3.4×10?4），進(jìn)行脫硫工況模擬，優(yōu)化噴淋層的啟停工藝，從而降低船舶脫硫的運(yùn)行費(fèi)用。

不同噴淋層投用情況組合及噴淋量對(duì)脫硫效果的影響如圖3所示。當(dāng)不改變每層的噴淋量而關(guān)閉噴淋層時(shí)，出口處SO2的濃度為60～100 mg/Nm3。其中投用第1、3層時(shí)，效果最好，而投用第3、4層時(shí)，效果最差。同時(shí)，從理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)增加噴淋量時(shí)， 能夠有效降低二氧化硫濃度。從數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)噴淋量提高10%時(shí)，脫硫塔出口SO2濃度降低至40 mg/(N·m3)；而當(dāng)提高20%時(shí)，投用1、3或1、2層，均能滿足35 mg/(N·m3)的排放指標(biāo)，但是投用3、4層時(shí)，排放值仍高達(dá)70 mg/(N·m3)。

圖3 投用層組合與噴淋量對(duì)脫硫效果的影響 Fig.3 Influence of combination of operating layer and spraying amount on desulfurization effect

投用不同噴淋層產(chǎn)生的脫硫效率差異可以通過(guò)塔內(nèi)流場(chǎng)分布來(lái)分析。不同噴淋層投用方式下，塔內(nèi)SO2濃度分布和速率分布云如圖4和圖5所示。當(dāng)投用第3、4層時(shí)，塔內(nèi)SO2濃度分布非常不均勻，在偏離進(jìn)口煙道的區(qū)域，SO2濃度過(guò)高。原因是當(dāng)使用1/2層噴淋層時(shí)，脫硫塔下部噴霧對(duì)煙氣的均流作用變差，導(dǎo)致煙氣在塔內(nèi)速度分布不均，外側(cè)煙氣流速過(guò)高，因此該區(qū)域煙氣停留時(shí)間縮短，使脫硫效果惡化。當(dāng)投用第1、3層時(shí)，由于第1層的漿液噴霧首先對(duì)煙氣進(jìn)行了均流，流場(chǎng)分布均勻性比投用第3、4層時(shí)大幅提高。此時(shí)，塔內(nèi)SO2能夠被均勻脫除，達(dá)到較高的脫硫效率。

圖4 投用不同噴淋層時(shí)SO2濃度分布 Fig.4 Distribution of SO2 concentration when applying different spray layers: a) applying 3rd and 4th tayers; b) applying 1st and 3td tayers

圖5 投用不同噴淋層時(shí)流速分布 Fig.5 Distribution of flow velocity when applying different spray layers: a) applying 3rd and 4th tayers; b) applying 1st and 3td tayers

3 結(jié)論

1）在船舶柴油機(jī)的煙氣量為1.2×105kg/h、SO2的摩爾分?jǐn)?shù)為6.8×10?4的條件下，從塔徑（3.8 m）、填料層類型（Mellapak）和高度（1.01 m）、液體噴嘴數(shù)量（9個(gè)）、除霧裝置（9 m2）4個(gè)方面對(duì)船舶海上用填料塔進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)和計(jì)算，設(shè)計(jì)得到的填料塔總壓降為961 Pa，除霧器阻力為122 Pa。

2）如果脫硫塔入口SO2摩爾分?jǐn)?shù)降低為3.4× 10?4，則可以只投用第1、3層，或第1、2層，并將每層噴淋量增加20%，可使排放值低于35 mg/(N?m3)。