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      船舶廢氣脫硫系統(tǒng)壓損影響因素及控制措施分析

      2020-08-17 09:42:08劉國臣李鎮(zhèn)宇王廷勇
      山東化工 2020年14期
      關鍵詞:壓損洗滌液塔內(nèi)

      劉國臣,李鎮(zhèn)宇,趙 超,王廷勇

      (青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司,山東 青島 266101)

      隨著國際社會海洋生態(tài)環(huán)境保護意識增強,相關船舶污染防治法規(guī)也日益嚴苛,根據(jù)國際海事組織(IMO)MARPOL 73/78公約附則VI《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》要求,2020年1月1日后在全球海域航行的船舶燃油硫含量不得超過0.5%,而在硫排放限制區(qū)(SECA)航行的船舶則不得超過0.1%[1]。

      船舶廢氣脫硫系統(tǒng)(EGCS)作為符合“限硫令”規(guī)范要求的等效后處理技術,在船舶尾氣處理中得到了廣泛應用,但由于脫硫塔在船舶領域應用時間尚短,不可避免存在設計和運行問題,其中系統(tǒng)壓損問題,不僅會增大船舶主機的排氣背壓,降低燃燒效率,而且會影響柴油機運行安全,所以對系統(tǒng)壓損影響因素和控制措施的研究具有重要意義。

      1 壓損問題分析

      典型的復合濕法船舶廢氣脫硫系統(tǒng)如圖1所示,主要包括煙氣洗滌塔,洗滌水供應單元,廢水處理單元,堿液供應單元,排氣單元和水質、煙氣分析儀器等。在開環(huán)運行模式下,洗滌液使用天然海水,閉環(huán)模式下使用NaOH堿液,船舶柴油機或鍋爐產(chǎn)生的煙氣流經(jīng)洗滌塔,經(jīng)吸收脫除硫氧化物(SOx)后排出。

      圖1 船舶廢氣脫硫系統(tǒng)示意圖

      在船舶廢氣脫硫系統(tǒng)臺架試驗中,樣機脫硫系統(tǒng)采用復合濕法脫硫技術,洗滌塔采用U型填料塔,測試采用鮑爾環(huán)和矩鞍環(huán)填料,并包括Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種規(guī)格尺寸(Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ),試驗主機為MDT 6S35ME-B9.5型低速柴油機(3570kW@ 142RPM)。按照系統(tǒng)設計要求,系統(tǒng)最大壓損應小于1500 Pa,且不高于適配主機允許排氣背壓,但在初期試驗中,采用800mm高度,Ⅰ型鮑爾環(huán)填料時,各運行負荷下系統(tǒng)壓損均高于理論計算值,且高負荷下超過主機允許排氣背壓,具體情況如表1所示。

      表1 初始工況下脫硫系統(tǒng)壓損

      在100%和75%主機負荷工況下,系統(tǒng)壓損均高于主機的允許排氣背壓,這會導致柴油機排氣阻力增大,排氣不暢而影響動力和經(jīng)濟性,使發(fā)動機燃燒效率下降,燃油消耗升高,排放質量惡化。試驗系統(tǒng)通過引風機輔助排氣保證柴油機運行,但會增加系統(tǒng)能耗,影響塔內(nèi)流場,因此分析脫硫塔壓損影響因素,優(yōu)化控制措施,減小系統(tǒng)壓損至關重要。

      2 壓損影響因素分析

      相關研究表明,洗滌塔噴淋區(qū)和進出口區(qū)是脫硫系統(tǒng)壓損的主要區(qū)域[2],洗滌塔類型、煙氣進出口形狀、除霧器結構、填料層參數(shù)、霧化粒徑、煙氣流速、洗滌液成分和噴淋量等均是系統(tǒng)壓損的影響因素[3-4]。

      2.1 洗滌塔結構類型影響

      陸用脫硫洗滌塔技術已日趨成熟,發(fā)展出多種工藝類型,但限于船舶廢氣脫硫系統(tǒng)存在空間和安裝受限,操作和維護困難等問題,目前常用的洗滌塔型式多為U型填料塔或I型噴淋塔。

      由于U型填料塔采用了U型副塔結構,會影響煙氣的自由流動路徑,一定程度上存在壓損偏大問題;同時塔內(nèi)填料的存在,也會增大系統(tǒng)壓損,由填料層產(chǎn)生的壓損是造成系統(tǒng)壓損的主要因素。但實船經(jīng)驗表明,由于脫硫系統(tǒng)具有煙氣洗滌過程短,船舶晃蕩擾動塔內(nèi)環(huán)境,功率負荷變化導致煙氣量多變等特點,會大大影響I型噴淋塔流場分布,進而影響脫硫效果穩(wěn)定性。另外,由于噴淋塔需要多層高效霧化噴頭,設計復雜,存在除霧困難,硫氧化物再析出等問題。

      U型填料塔利用填料層上形成的液膜吸收煙氣中硫氧化物,因此具有更高的脫除效率,同時具有設計簡單,預冷控制方便,煙氣分布均勻和脫硫效果穩(wěn)定等優(yōu)點,更適用于船舶廢氣脫硫系統(tǒng)??梢酝ㄟ^改進主副塔連接結構形狀,以減小煙氣經(jīng)過時由于擴張、轉向和收縮造成的局部阻力,優(yōu)化塔內(nèi)流場,從而減小塔內(nèi)局部壓損。

      2.2 塔內(nèi)構件影響

      洗滌塔內(nèi)部構件壓損是造成系統(tǒng)壓損的關鍵因素,其中除霧器和填料層是產(chǎn)生阻力的主要部件,除霧器的類型和尺寸,填料的類型、規(guī)格和填料層高度等均會影響系統(tǒng)的壓損情況。

      研究表明,在陸用脫硫塔系統(tǒng)中,改變除霧器的結構類型,能夠明顯影響系統(tǒng)壓降[5-6]。但船用脫硫塔受高度限制,頂部空間有限,多采用傳統(tǒng)的平板式除霧器,結構尺寸簡單,阻力壓損較小,試驗中采用葉片間距30mm的一級平板式除霧器,設計壓損僅為20 Pa,對系統(tǒng)壓損影響很小。

      臺架試驗結果表明填料層的壓損,是造成系統(tǒng)壓損的主要因素,通過優(yōu)化填料類型、規(guī)格和填料層高度,均能減小系統(tǒng)壓損。如圖2所示,洗滌塔在初步改造后采用1300mm高度,Ⅱ型鮑爾環(huán)填料時,各負荷工況下系統(tǒng)壓損均有明顯降低,100%負荷下的系統(tǒng)壓損也接近設計要求的低于1500 Pa標準,但在100%和75%負荷下系統(tǒng)壓損仍略高于配套主機的允許排氣背壓。

      圖2 填料優(yōu)化前后系統(tǒng)壓損比較情況

      臺架試驗也分別測試了100%負荷下,填料類型、填料規(guī)格和填料層高度對系統(tǒng)壓損的影響情況,不同填料參數(shù)下具體對比結果如圖3所示。比較1500mm填料層高度下,采用Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型規(guī)格鮑爾環(huán)時的系統(tǒng)壓損可以看出,填料規(guī)格對系統(tǒng)壓損影響較大,系統(tǒng)壓損隨填料規(guī)格減小而增大,特別是在Ⅰ型規(guī)格時壓損增加明顯,因此在維持足夠比表面積,以保持脫硫效率的情況下,適當增大填料規(guī)格有利于減小系統(tǒng)壓損。在填料類型和規(guī)格相同情況下,比較不同填料層高度下系統(tǒng)壓損可以看出,減小填料層高度有利于減小系統(tǒng)壓損,但同時需要保證有足夠的填料表面來附著液膜,以保證脫硫效率。此外,分別對比采用Ⅱ型規(guī)格下鮑爾環(huán)和矩鞍環(huán)填料時的系統(tǒng)壓損可以證明,矩鞍環(huán)填料結構具有更小的壓損。

      圖3 不同填料參數(shù)下系統(tǒng)壓損

      2.3 洗滌液影響

      洗滌液成分和質量也是影響系統(tǒng)壓損的因素,研究表明,洗滌液存在易結垢成分或油污雜質過多時,會導致局部結垢阻塞,從而增大系統(tǒng)壓損[7],樣機脫硫系統(tǒng)采用海水和NaOH堿液作為洗滌液,均未發(fā)生明顯結垢,但閉環(huán)模式下循環(huán)運行時,應定期置換部分洗滌液,防止積累大量煙灰和油污等雜質,造成填料層攔液。噴淋液的霧化粒徑也會影響系統(tǒng)壓降,霧化效果較差時會使液膜分布不均勻,導致局部氣阻,不僅會影響脫除效率,擾亂塔內(nèi)煙氣流場,同時會增大系統(tǒng)壓損。

      此外,噴淋量也是影響系統(tǒng)壓損的主要因素[8],雖然增大噴淋量在一定程度上能夠提高洗滌吸收效率,但噴淋量過大會增加系統(tǒng)能耗,同時若形成填料層局部積液,也會導致系統(tǒng)壓損增大。如圖4所示,臺架試驗中在采用800 mm高度,Ⅰ型鮑爾環(huán)填料情況下,各負荷工況下系統(tǒng)壓損均隨噴淋量增大而增加,在高負荷工況下尤為明顯,因此在保證脫除效率的基礎上,應盡量減小噴淋量以減小系統(tǒng)壓損。

      圖4 不同噴淋量下系統(tǒng)壓損

      2.4 煙氣流速影響

      研究表明,隨著煙氣流速增大,動能損失會增加,更多的動能轉化為勢能(壓力能),使脫硫塔壓降升高[2]。在臺架試驗中,洗滌塔中煙氣流速主要與煙氣流量和風機風量有關,上述試驗數(shù)據(jù)也可以看出,隨主機負荷增大,煙氣量增加,系統(tǒng)壓損也明顯增大。

      在初期試驗中,系統(tǒng)采用50Hz工頻風機,且風機風量偏大,后改造為變頻風機,并控制優(yōu)化各工況下風量,優(yōu)化前后系統(tǒng)壓損變化如圖5所示??梢钥闯觯?300 mm高度,Ⅱ型鮑爾環(huán)填料情況下,通過變頻控制減小風機風量,從而減小塔內(nèi)氣體流速,能夠有限控制系統(tǒng)壓損,且在高負荷下主機煙氣量大,此時風機風量對系統(tǒng)壓損影響更明顯。

      圖5 風機優(yōu)化前后系統(tǒng)壓損比較情況

      3 壓損控制措施總結

      通過對船舶廢氣脫硫系統(tǒng)壓損主要影響因素進行分析,并采用一系列壓損控制措施,在臺架試驗中,最終系統(tǒng)整體壓損減小60%以上,在100%,75%,50%和25%主機負荷下,分別降低至775,557,261和143 Pa(如圖5所示),遠小于系統(tǒng)設計壓損要求和配套發(fā)動機允許排氣背壓,總結有效控制措施主要包括:

      (1)通過優(yōu)化U型洗滌塔結構設計,改進洗滌塔塔徑,優(yōu)化煙氣進出口和主副塔連接結構形狀,盡量減小煙氣流經(jīng)時的局部損失,優(yōu)化塔內(nèi)流場,能夠有效減小壓損。

      (2)在同等規(guī)格和堆填高度情況下,采用矩鞍環(huán)填料比鮑爾環(huán)填料具有更小的壓損;在保證有效脫硫效率情況下,通過選擇大規(guī)格尺寸填料,或降低填料層高度,可以減小填料層壓損。對除霧器等塔內(nèi)構件設計選型時,應充分考慮減小壓力損失需要,并定期安排沖洗除霧器,防止除霧器堵塞。

      (3)在滿足洗滌塔脫除效率的前提下,適當減小洗滌液的噴淋量,能夠減小系統(tǒng)壓損,并降低系統(tǒng)能耗。通過優(yōu)化洗滌液組分,保證洗滌液質量,并定期沖洗填料塔,可以避免造成填料層局部阻塞,防止系統(tǒng)壓損增大。

      (4)通過排氣風機變頻控制,優(yōu)化各工況下風機風量,以減小塔內(nèi)煙氣流速,從而降低煙氣動能損失,能夠減小系統(tǒng)壓損。

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