基于海水旋流霧化的船舶煙氣脫硫?qū)嶒炑芯?/h1>
2022-10-03 07:35:24吳澤豪劉定平鄧振興夏松
應(yīng)用化工 2022年8期
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實驗室 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?，廣東 廣州 510640)
隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，船舶的作用在國際貨運(yùn)中日益突出,但船舶煙氣污染形勢也日益嚴(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，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。本文通過實船安裝旋流霧化實驗，對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
利用海水實現(xiàn)高效旋流霧化脫硫是通過三個方面實現(xiàn)的，即高效霧化、流場優(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，旋流霧化技術(shù)對海水洗滌塔內(nèi)的流場均勻性進(jìn)行優(yōu)化。高效霧化的海水沿切向噴入塔內(nèi)，帶動煙氣螺旋上升形成旋流云動力場，煙氣沿圓周方向速度增大，旋流云動力場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)工況波動較大時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。但膜吸收法對中空膜材料要求較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大，“毛細(xì)現(xiàn)象”不可避免導(dǎo)致氣阻大，目前尚未實現(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改善了塔內(nèi)流場均勻性，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
2.1 船舶發(fā)動機(jī)基本設(shè)計參數(shù)
實驗船舶發(fā)動機(jī)組的主要參數(shù)見表3。
表3 船舶動力機(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
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驗
為測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%。實驗工況為正常運(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。海水實驗船舶裝有煙氣自動監(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)測點，對脫硫塔進(jìn)、出口SO2濃度進(jìn)行實時監(jiān)測。
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，考察液氣比對海水脫硫效果的影響，結(jié)果見圖3。
圖3 液氣比對脫硫效率的影響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，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
實驗結(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，單位時間內(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)時間不足的影響。同時，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)了氣液湍動效果，提高傳質(zhì)效率。
圖4 煙氣流速對脫硫效率的影響Fig.4 Effect of flue gas flow rate on desulfurization efficiency
3.3 霧化壓力的影響
實驗結(jié)果見圖5。
圖5 霧化壓力對脫硫效率的影響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，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，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，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
實驗結(jié)果見圖6。
圖6 脫硫塔入口煙氣溫度對脫硫效率的影響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，煙氣溫度對脫硫效率影響較小。入口煙氣溫度對脫硫效率的影響主要表現(xiàn)在對氣液反應(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平衡分壓的升高會降低氣液接觸面化學(xué)吸附的動力，從而降低脫硫效率。在多因素耦合作用下，煙氣溫度對海水脫硫性能的影響較小。
3.5 穩(wěn)定性實驗
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)行海水脫硫時脫硫效果不穩(wěn)定，系統(tǒng)的工況適應(yīng)能力差。本實驗將討論船舶動力機(jī)組負(fù)荷波動下，海水旋流霧化脫硫系統(tǒng)的高效性及工況適應(yīng)性。
穩(wěn)定性實驗在船舶動力機(jī)組燃用含硫率3.5%燃油下進(jìn)行，對機(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，實驗過程中，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%。在實驗第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)的時延性、遲滯性，將系統(tǒng)負(fù)荷變化起始后5個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，說明變工況運(yùn)行時，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%燃油對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)S/C為4.3%。穩(wěn)定性實驗結(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個即77.24%的樣本點小于4.3%，平均S/C為3.004%，未見長時間的S/C超標(biāo)，脫硫效果總體滿足公約規(guī)定。當(dāng)監(jiān)測到出口S/C 接近排放閾值時，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
針對大型遠(yuǎn)洋船舶動力燃用高硫油煙氣凈化問題，設(shè)計了一套新型海水旋流霧化煙氣脫硫裝置，并對某燃用含硫率3.5%重油船用柴油機(jī)進(jìn)行了實船實驗，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、縮短反應(yīng)時間及降低傳質(zhì)動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??；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)荷波動性能。在船舶動力系統(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)的各項指標(biāo)均可滿足MEPC.184(59)的限值。
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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，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。本文通過實船安裝旋流霧化實驗，對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
利用海水實現(xiàn)高效旋流霧化脫硫是通過三個方面實現(xiàn)的，即高效霧化、流場優(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，旋流霧化技術(shù)對海水洗滌塔內(nèi)的流場均勻性進(jìn)行優(yōu)化。高效霧化的海水沿切向噴入塔內(nèi)，帶動煙氣螺旋上升形成旋流云動力場，煙氣沿圓周方向速度增大，旋流云動力場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)工況波動較大時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。但膜吸收法對中空膜材料要求較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大，“毛細(xì)現(xiàn)象”不可避免導(dǎo)致氣阻大，目前尚未實現(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改善了塔內(nèi)流場均勻性，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
2.1 船舶發(fā)動機(jī)基本設(shè)計參數(shù)
實驗船舶發(fā)動機(jī)組的主要參數(shù)見表3。
表3 船舶動力機(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
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驗
為測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%。實驗工況為正常運(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。海水實驗船舶裝有煙氣自動監(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)測點，對脫硫塔進(jìn)、出口SO2濃度進(jìn)行實時監(jiān)測。
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，考察液氣比對海水脫硫效果的影響，結(jié)果見圖3。
圖3 液氣比對脫硫效率的影響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，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
實驗結(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，單位時間內(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)時間不足的影響。同時，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)了氣液湍動效果，提高傳質(zhì)效率。
圖4 煙氣流速對脫硫效率的影響Fig.4 Effect of flue gas flow rate on desulfurization efficiency
3.3 霧化壓力的影響
實驗結(jié)果見圖5。
圖5 霧化壓力對脫硫效率的影響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，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，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，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
實驗結(jié)果見圖6。
圖6 脫硫塔入口煙氣溫度對脫硫效率的影響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，煙氣溫度對脫硫效率影響較小。入口煙氣溫度對脫硫效率的影響主要表現(xiàn)在對氣液反應(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平衡分壓的升高會降低氣液接觸面化學(xué)吸附的動力，從而降低脫硫效率。在多因素耦合作用下，煙氣溫度對海水脫硫性能的影響較小。
3.5 穩(wěn)定性實驗
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)行海水脫硫時脫硫效果不穩(wěn)定，系統(tǒng)的工況適應(yīng)能力差。本實驗將討論船舶動力機(jī)組負(fù)荷波動下，海水旋流霧化脫硫系統(tǒng)的高效性及工況適應(yīng)性。
穩(wěn)定性實驗在船舶動力機(jī)組燃用含硫率3.5%燃油下進(jìn)行，對機(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，實驗過程中，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%。在實驗第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)的時延性、遲滯性，將系統(tǒng)負(fù)荷變化起始后5個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，說明變工況運(yùn)行時，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%燃油對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)S/C為4.3%。穩(wěn)定性實驗結(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個即77.24%的樣本點小于4.3%，平均S/C為3.004%，未見長時間的S/C超標(biāo)，脫硫效果總體滿足公約規(guī)定。當(dāng)監(jiān)測到出口S/C 接近排放閾值時，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
針對大型遠(yuǎn)洋船舶動力燃用高硫油煙氣凈化問題，設(shè)計了一套新型海水旋流霧化煙氣脫硫裝置，并對某燃用含硫率3.5%重油船用柴油機(jī)進(jìn)行了實船實驗，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、縮短反應(yīng)時間及降低傳質(zhì)動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??；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)荷波動性能。在船舶動力系統(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)的各項指標(biāo)均可滿足MEPC.184(59)的限值。
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