唐漢成 陶漢中

南京工業(yè)大學能源科學與工程學院

0 引言

隨著經(jīng)濟全球化發(fā)展的日益深入，船舶航運成為長距離運輸?shù)淖钪匾ぞ?，在帶來便利的同時，船舶發(fā)動機排氣所引起的環(huán)境污染問題也是不可避免的[1-2]。船舶發(fā)動機的燃油通常采用重質(zhì)燃油，SO2是排氣的主要成分，對大氣和海洋會造成嚴重的污染。近年來，隨著國際相關(guān)法律法規(guī)的逐漸完備嚴格，船舶廢氣脫硫已不可或缺[3-4]。

與陸地電廠廢氣固定源脫硫不同的是，在船舶脫硫中，需要考慮有限的空間、系統(tǒng)資本成本、能耗以及安裝的復(fù)雜程度。因此，本文采用已成熟完備的電廠濕法脫硫工藝作為基礎(chǔ)依據(jù)[5]，設(shè)計了混合式船舶廢氣脫硫系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)不同海域需求，自由切換開環(huán)式模式與閉環(huán)式模式。通過參數(shù)模擬分析，確定最佳性能參數(shù)，并簡要分析系統(tǒng)能耗成本。

1 系統(tǒng)脫硫工藝

圖1 為混合式船舶廢氣脫硫系統(tǒng)工藝流程，系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)兩種模式，可根據(jù)需要自由切換。工藝流程過程闡述：切換到開環(huán)模式時，堿液單元關(guān)閉，打開海水泵，海水由泵機送至脫硫吸收塔，再通過噴嘴送至塔內(nèi)各噴淋層。煙氣經(jīng)煙氣冷卻器冷卻后，進入吸收塔，自下而上與吸收液逆向接觸，發(fā)生物理化學反應(yīng)。脫硫后的廢液出塔后進入氧化罐，此時打開風機，對廢液進行氧化處理，處理后的海水經(jīng)簡單調(diào)節(jié)溫度與pH 值后，直接排出舷外[6]。切換到閉環(huán)模式時，堿液單元開始運行，啟動循環(huán)回流泵。吸收過程與開環(huán)式相似，廢液出塔后經(jīng)過氧化處理后，進入緩沖罐，經(jīng)閃蒸處理一部分溶于液相的SO2氣體回到塔內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)，剩余廢液進入工藝水箱，一部分進入后處理單元，另一部分經(jīng)回流泵回到塔內(nèi)重復(fù)利用循環(huán)脫硫[6]。

圖1 混合式船舶廢氣脫硫工藝流程

2 工藝流程模擬

2.1 系統(tǒng)參數(shù)

本文研究滾裝貨船正常行駛時采用3.5%重質(zhì)燃油，根據(jù)理論計算[8]可得部分工程參數(shù)（表1、2）：

表1 煙氣成分

表2 煙氣性質(zhì)參數(shù)

表3 為設(shè)計吸收液模擬工程參數(shù)表：

表3 吸收液性質(zhì)參數(shù)

2.2 反應(yīng)過程

本文設(shè)計混合式船舶廢氣脫硫系統(tǒng)進行廢氣脫硫主要包含以下反應(yīng)式：

吸收塔內(nèi)主要發(fā)生式（1）～（4）反應(yīng)，廢液出塔后需要經(jīng)過曝氣氧化處理后方可排出，故式（5）主要發(fā)生在工藝系統(tǒng)氧化罐內(nèi)，同時可以根據(jù)模擬結(jié)果中SO32-的量計算得到氧化風機鼓風量，進而選型氧化風機。

2.3 模擬運行結(jié)果

通過對比軟件模擬兩種模式下系統(tǒng)脫硫前后煙氣參數(shù)的變化結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)采用鹽度為35‰海水pH值為8.175 作為脫硫劑時，設(shè)計液氣比為6L/m3，煙氣出口中SO2濃度低于200PPM，達到排放要求，此時脫硫后廢液的pH 值僅為2.27，需要進行曝氣氧化處理及調(diào)節(jié)pH 值后方可達標排放。

當采用了0.015mol/L 的鈉堿溶液作為脫硫劑時，設(shè)計液氣比為5.5L/m3，煙氣出口中SO2濃度只有53PPM，達到了排放的要求，此時脫硫后廢液的pH 值為6.0 以上，廢液依次進入氧化緩沖閃蒸循環(huán)后處理單元。

3 工藝參數(shù)靈敏度分析

3.1 開環(huán)式模式

3.1.1 液氣比對于系統(tǒng)脫硫效率的影響

液氣比是脫硫系統(tǒng)中重要的工藝參數(shù)，能夠迅速有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)整體脫硫效率。本文設(shè)計混合式船舶廢氣脫硫系統(tǒng)，切換為開環(huán)式模式時，煙氣SO2濃度3978 mg/m3，海水鹽度35，海水溫度20 ℃。具體如圖2所示開環(huán)式模式液氣比與系統(tǒng)脫硫效率及廢液pH 值關(guān)系。

圖2 開環(huán)式下液氣比與脫硫效率及出塔廢液pH 值關(guān)系

當液氣比極小時，海水堿度不足以脫除廢氣中大部分SO2，此時系統(tǒng)脫硫效率低。隨著液氣比增大，脫硫效率快速上升，當L/G 達到6.5L/m3時，脫硫效率已經(jīng)逼近100%。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當液氣比處于6～8之間時，這段曲線的斜率變化率很小，系統(tǒng)脫硫效率的增長趨勢也趨于平緩，此時已經(jīng)達到脫硫極限。由此可知，液氣比增大，系統(tǒng)脫硫效率顯著提升，當液氣比增大到某一定值時，脫硫效率趨于平穩(wěn)在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)部氣液兩相充分接觸，傳質(zhì)面積基本不再擴大，系統(tǒng)整體脫硫效率受液氣比影響減小。

3.1.2 海水溫度、鹽度對于系統(tǒng)脫硫效率的影響

船舶正常運行時，海水溫度、鹽度是變化的，設(shè)計取定液氣比后，圖3、4 為研究海水溫度、鹽度對系統(tǒng)脫離效率的影響。

圖3 海水溫度與脫硫效率關(guān)系

如圖3 所示，隨著海水溫度升高，系統(tǒng)脫硫效率呈下降趨勢，出口煙氣中SO2濃度呈上升趨勢。當海水溫度為5 ℃時，脫硫效率達到最高，接近100%。而當海水溫度為30 ℃時，脫硫效率僅為83%，此時脫硫效率最低。當海水溫度高于20 ℃時，系統(tǒng)出口氣體中SO2的組分迅速升高，這是因為較高的海水溫度抑制了吸收塔內(nèi)SO2的物理吸收過程，同時這一變化趨勢也符合亨利定律。

除了海水溫度，海水鹽度對系統(tǒng)脫硫效率也具有影響。為了討論海水鹽度對于脫硫效率的影響，如圖4可見，本文選取五種不同鹽度的海水，當系統(tǒng)液氣比變化時，研究海水鹽度對系統(tǒng)廢氣脫硫效率的影響。顯而易見，液氣比取定后，鹽度越高的海水脫硫性能越強。這是因為海水鹽度更高時，海水中HCO3-的濃度更高，化學反應(yīng)吸收過程更強，所以系統(tǒng)的脫硫效率更高。

圖4 海水堿度與脫硫效率關(guān)系

3.1.3 煙氣溫度、濃度對于系統(tǒng)脫硫效率的影響

煙氣溫度與煙氣中SO2濃度是會隨著環(huán)境影響而變化的工程參數(shù)，圖5、6 為研究煙氣溫度、SO2濃度對系統(tǒng)脫硫效率影響的關(guān)系圖。

圖5 煙氣溫度與脫硫效率關(guān)系

如圖5 所示，煙氣溫度范圍在120～190 ℃，系統(tǒng)脫硫效率呈線性下降趨勢，但波動范圍不大。當煙氣從120 ℃升高至190 ℃時，脫硫效率降低，這是因為SO2在海水中的溶解度與溫度呈線性負相關(guān)。由圖6 可知，隨著煙氣中SO2濃度升高，脫硫效率先是緩慢降低而后迅速下降。這是因為，SO2濃度升高時，其所占分壓強增大，物理吸收過程增強。此時SO2濃度繼續(xù)升高，但物理吸收已經(jīng)飽和，整體效率只由化學吸收（海水堿度）決定，故此時脫硫效率迅速下降。

圖6 煙氣中SO2 濃度與脫硫效率關(guān)系

3.2 閉環(huán)式模式

3.2.1 鈉堿溶液濃度對于脫硫效率的影響

本設(shè)計選取四種濃度鈉堿溶液，取定液氣比范圍在3～6 之間波動，圖7 為分析討論鈉堿溶液濃度對脫硫效率的影響。從圖7 可以看出，當液氣比相同時，更高濃度的鈉堿溶液具有更強的脫硫性能，對于同樣濃度的鈉堿溶液，系統(tǒng)脫硫效率一定范圍內(nèi)隨著液氣比的增大而增大。當液氣比取定5.5 時，此時三種濃度鈉堿溶液已經(jīng)達到脫硫極限。

圖7 鈉堿溶液濃度與脫硫效率關(guān)系

3.2.2 煙氣濃度對于脫硫效率的影響

從圖8 可以看出，選取三種濃度鈉堿溶液比較，隨著SO2濃度上升，整體系統(tǒng)脫硫效率呈下降趨勢，而濃度較高的鈉堿溶液受煙氣濃度變化影響更小。這是因為化學吸收過程要強于物理溶解吸收過程，與開環(huán)式海水法相比，閉環(huán)式鈉堿法的抗影響能力更強。

圖8 煙氣濃度與脫硫效率關(guān)系

3.2.3 鈉堿溶液溫度對于脫硫效率的影響

由圖9 可見，隨著溫度升高，系統(tǒng)脫硫效率呈下降趨勢，但幅度不大，從整體來看，數(shù)值變化不明顯。這就說明鈉堿溶液作為脫硫吸收劑時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強，化學過程占主導，鈉堿的脫硫高效性完全克服了溫度對系統(tǒng)的影響。

圖9 鈉堿溶液溫度與脫硫效率關(guān)系

4 脫硫工藝能耗成本分析

4.1 開環(huán)式能耗分析

開環(huán)式模式下，采用海水作為脫硫吸收液，由于海水的易獲得性故系統(tǒng)內(nèi)不設(shè)置循環(huán)子系統(tǒng)。此時，系統(tǒng)主要能耗設(shè)備包含海水泵，煙氣風機，氧化風機和補給泵。軟件模擬結(jié)果如表4 所示：

表4 開環(huán)式模式系統(tǒng)主要能耗設(shè)備

除了耗電設(shè)備外，系統(tǒng)包含一部分公用工程設(shè)備，包括煙氣進口冷卻器，煙氣出口加熱器，及系統(tǒng)中部分溫控設(shè)備，10 圖為這些設(shè)備的公用工程消耗量。全系統(tǒng)采用雙公用工程，分別是冷公用工程：20 ℃冷卻水，熱公用工程：125 ℃低壓過熱蒸汽。

圖10 公用工程設(shè)備耗能關(guān)系

4.2 閉環(huán)式能耗分析

閉環(huán)式模式采用配置鈉堿溶液作為脫硫吸收液，鈉堿本身昂貴的價格就占據(jù)了運行成本的一部分。在正常運行條件下，本設(shè)計系統(tǒng)選配0.015mol/L 的鈉堿溶液作為脫硫吸收液，液氣比定為5.5，表5 為工況下系統(tǒng)脫硫設(shè)備功耗，表6 為工況下公用工程設(shè)備總成本（冷熱公用工程價格采用常規(guī)市場價格，20 ℃冷卻水價格為0.0005$/kg，125 ℃低壓過熱蒸汽價格為17.15$/ton）。

表5 閉環(huán)式模式系統(tǒng)主要能耗設(shè)備

表6 閉環(huán)式模式公用工程設(shè)備總成本

4.3 成本分析

根據(jù)模擬結(jié)果，綜合計算兩種模式下每公斤脫硫運行成本，耗電設(shè)備電費按工業(yè)用電價格計算，結(jié)果列于表7。

表7 兩種模式運行成本

如表7 所示，閉環(huán)式模式成本遠高于開環(huán)式，這是因為閉環(huán)式引入了循環(huán)子系統(tǒng)，同時公用工程消耗量大大增加，并且鈉堿溶液的價格也較為昂貴。但在實際工程中，低壓蒸汽一般由船舶自身供暖鍋爐提供，其生產(chǎn)成本遠低于直接采購成本，因此采用本文設(shè)計混合式船舶廢氣脫硫系統(tǒng)，其運行成本是低于直接使用低硫油的運行成本。

5 結(jié)論

本文設(shè)計一種船舶混合式脫硫工藝系統(tǒng)，在開環(huán)式模式下，以海水為脫硫劑，運用靈敏度分析考慮液氣比、煙氣溫度、煙氣濃度、海水溫度、鹽度等因素對系統(tǒng)脫硫效率及廢液pH 值的影響。在船舶發(fā)動機正常運行工況下，采用6L/m3液氣比，既能滿足排放要求，又具有最優(yōu)經(jīng)濟性。對于出塔廢液調(diào)節(jié)pH 值到5.5 即可排出，可有效保護海洋生態(tài)環(huán)境。在閉環(huán)式模式下，以鈉堿溶液作為脫硫劑，根據(jù)參數(shù)分析，選取鈉堿溶液濃度為0.015mol/L，液氣比為5.5，循環(huán)流量大于95%，此時，系統(tǒng)的效益比最高。

根據(jù)能耗成本分析，開環(huán)式模式下海水法的成本最低，閉環(huán)式模式下鈉堿法的成本遠高于海水法，但脫硫性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性均強于開環(huán)式模式，但結(jié)合實際工程經(jīng)驗，鈉堿法運行成本與直接燃用低硫油相比較低。

此外，船舶廢氣脫硫系統(tǒng)還有很多復(fù)雜的問題需要解決，其在未來仍然具有強勁的商業(yè)價值。