唐漢成 陶漢中

南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展的日益深入，船舶航運(yùn)成為長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)淖钪匾ぞ?，在帶?lái)便利的同時(shí)，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣所引起的環(huán)境污染問(wèn)題也是不可避免的[1-2]。船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油通常采用重質(zhì)燃油，SO2是排氣的主要成分，對(duì)大氣和海洋會(huì)造成嚴(yán)重的污染。近年來(lái)，隨著國(guó)際相關(guān)法律法規(guī)的逐漸完備嚴(yán)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(jì)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(kāi)環(huán)式模式與閉環(huán)式模式。通過(guò)參數(shù)模擬分析，確定最佳性能參數(shù)，并簡(jiǎn)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(kāi)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(guò)程闡述：切換到開(kāi)環(huán)模式時(shí)，堿液?jiǎn)卧P(guān)閉，打開(kāi)海水泵，海水由泵機(jī)送至脫硫吸收塔，再通過(guò)噴嘴送至塔內(nèi)各噴淋層。煙氣經(jīng)煙氣冷卻器冷卻后，進(jìn)入吸收塔，自下而上與吸收液逆向接觸，發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。脫硫后的廢液出塔后進(jìn)入氧化罐，此時(shí)打開(kāi)風(fēng)機(jī)，對(duì)廢液進(jìn)行氧化處理，處理后的海水經(jīng)簡(jiǎn)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(shí)，堿液?jiǎn)卧_(kāi)始運(yùn)行，啟動(dòng)循環(huán)回流泵。吸收過(guò)程與開(kāi)環(huán)式相似，廢液出塔后經(jīng)過(guò)氧化處理后，進(jìn)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(jìn)入工藝水箱，一部分進(jìn)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(shí)采用3.5%重質(zhì)燃油，根據(jù)理論計(jì)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(jì)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(guò)程

本文設(shè)計(jì)混合式船舶廢氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)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(guò)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(shí)可以根據(jù)模擬結(jié)果中SO32-的量計(jì)算得到氧化風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量，進(jìn)而選型氧化風(fēng)機(jī)。

2.3 模擬運(yùn)行結(jié)果

通過(guò)對(duì)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(shí)，設(shè)計(jì)液氣比為6L/m3，煙氣出口中SO2濃度低于200PPM，達(dá)到排放要求，此時(shí)脫硫后廢液的pH 值僅為2.27，需要進(jìn)行曝氣氧化處理及調(diào)節(jié)pH 值后方可達(dá)標(biāo)排放。

當(dāng)采用了0.015mol/L 的鈉堿溶液作為脫硫劑時(shí)，設(shè)計(jì)液氣比為5.5L/m3，煙氣出口中SO2濃度只有53PPM，達(dá)到了排放的要求，此時(shí)脫硫后廢液的pH 值為6.0 以上，廢液依次進(jìn)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(kāi)環(huán)式模式

3.1.1 液氣比對(duì)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(jì)混合式船舶廢氣脫硫系統(tǒng)，切換為開(kāi)環(huán)式模式時(shí)，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(kāi)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(kāi)環(huán)式下液氣比與脫硫效率及出塔廢液pH 值關(guān)系

當(dāng)液氣比極小時(shí)，海水堿度不足以脫除廢氣中大部分SO2，此時(shí)系統(tǒng)脫硫效率低。隨著液氣比增大，脫硫效率快速上升，當(dāng)L/G 達(dá)到6.5L/m3時(shí)，脫硫效率已經(jīng)逼近100%。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液氣比處于6～8之間時(shí)，這段曲線的斜率變化率很小，系統(tǒng)脫硫效率的增長(zhǎng)趨勢(shì)也趨于平緩，此時(shí)已經(jīng)達(dá)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(dāng)液氣比增大到某一定值時(shí)，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(kuò)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(duì)于系統(tǒng)脫硫效率的影響

船舶正常運(yùn)行時(shí)，海水溫度、鹽度是變化的，設(shè)計(jì)取定液氣比后，圖3、4 為研究海水溫度、鹽度對(duì)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(shì)，出口煙氣中SO2濃度呈上升趨勢(shì)。當(dāng)海水溫度為5 ℃時(shí)，脫硫效率達(dá)到最高，接近100%。而當(dāng)海水溫度為30 ℃時(shí)，脫硫效率僅為83%，此時(shí)脫硫效率最低。當(dāng)海水溫度高于20 ℃時(shí)，系統(tǒng)出口氣體中SO2的組分迅速升高，這是因?yàn)檩^高的海水溫度抑制了吸收塔內(nèi)SO2的物理吸收過(guò)程，同時(shí)這一變化趨勢(shì)也符合亨利定律。

除了海水溫度，海水鹽度對(duì)系統(tǒng)脫硫效率也具有影響。為了討論海水鹽度對(duì)于脫硫效率的影響，如圖4可見(jiàn)，本文選取五種不同鹽度的海水，當(dāng)系統(tǒng)液氣比變化時(shí)，研究海水鹽度對(duì)系統(tǒng)廢氣脫硫效率的影響。顯而易見(jiàn)，液氣比取定后，鹽度越高的海水脫硫性能越強(qiáng)。這是因?yàn)楹Ｋ}度更高時(shí)，海水中HCO3-的濃度更高，化學(xué)反應(yīng)吸收過(guò)程更強(qiáng)，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(duì)于系統(tǒng)脫硫效率的影響

煙氣溫度與煙氣中SO2濃度是會(huì)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(duì)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(shì)，但波動(dòng)范圍不大。當(dāng)煙氣從120 ℃升高至190 ℃時(shí)，脫硫效率降低，這是因?yàn)镾O2在海水中的溶解度與溫度呈線性負(fù)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?yàn)?，SO2濃度升高時(shí)，其所占分壓強(qiáng)增大，物理吸收過(guò)程增強(qiáng)。此時(shí)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(xué)吸收（海水堿度）決定，故此時(shí)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(duì)于脫硫效率的影響

本設(shè)計(jì)選取四種濃度鈉堿溶液，取定液氣比范圍在3～6 之間波動(dòng)，圖7 為分析討論鈉堿溶液濃度對(duì)脫硫效率的影響。從圖7 可以看出，當(dāng)液氣比相同時(shí)，更高濃度的鈉堿溶液具有更強(qiáng)的脫硫性能，對(duì)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(dāng)液氣比取定5.5 時(shí)，此時(shí)三種濃度鈉堿溶液已經(jīng)達(dá)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(duì)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(shì)，而濃度較高的鈉堿溶液受煙氣濃度變化影響更小。這是因?yàn)榛瘜W(xué)吸收過(guò)程要強(qiáng)于物理溶解吸收過(guò)程，與開(kāi)環(huán)式海水法相比，閉環(huán)式鈉堿法的抗影響能力更強(qiáng)。

圖8 煙氣濃度與脫硫效率關(guān)系

3.2.3 鈉堿溶液溫度對(duì)于脫硫效率的影響

由圖9 可見(jiàn)，隨著溫度升高，系統(tǒng)脫硫效率呈下降趨勢(shì)，但幅度不大，從整體來(lái)看，數(shù)值變化不明顯。這就說(shuō)明鈉堿溶液作為脫硫吸收劑時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)，化學(xué)過(guò)程占主導(dǎo)，鈉堿的脫硫高效性完全克服了溫度對(duì)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(kāi)環(huán)式能耗分析

開(kāi)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(shí)，系統(tǒng)主要能耗設(shè)備包含海水泵，煙氣風(fēng)機(jī)，氧化風(fēng)機(jī)和補(bǔ)給泵。軟件模擬結(jié)果如表4 所示：

表4 開(kāi)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(jìn)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(guò)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(jià)格就占據(jù)了運(yùn)行成本的一部分。在正常運(yùn)行條件下，本設(shè)計(jì)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(jià)格采用常規(guī)市場(chǎng)價(jià)格，20 ℃冷卻水價(jià)格為0.0005$/kg，125 ℃低壓過(guò)熱蒸汽價(jià)格為17.15$/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(jì)算兩種模式下每公斤脫硫運(yùn)行成本，耗電設(shè)備電費(fèi)按工業(yè)用電價(jià)格計(jì)算，結(jié)果列于表7。

表7 兩種模式運(yùn)行成本

如表7 所示，閉環(huán)式模式成本遠(yuǎn)高于開(kāi)環(huán)式，這是因?yàn)殚]環(huán)式引入了循環(huán)子系統(tǒng)，同時(shí)公用工程消耗量大大增加，并且鈉堿溶液的價(jià)格也較為昂貴。但在實(shí)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(yuǎn)低于直接采購(gòu)成本，因此采用本文設(shè)計(jì)混合式船舶廢氣脫硫系統(tǒng)，其運(yùn)行成本是低于直接使用低硫油的運(yùn)行成本。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種船舶混合式脫硫工藝系統(tǒng)，在開(kāi)環(huán)式模式下，以海水為脫硫劑，運(yùn)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(duì)系統(tǒng)脫硫效率及廢液pH 值的影響。在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)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(jì)性。對(duì)于出塔廢液調(diào)節(jié)pH 值到5.5 即可排出，可有效保護(hù)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(shí)，系統(tǒng)的效益比最高。

根據(jù)能耗成本分析，開(kāi)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(yuǎn)高于海水法，但脫硫性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性均強(qiáng)于開(kāi)環(huán)式模式，但結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，鈉堿法運(yùn)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(wèn)題需要解決，其在未來(lái)仍然具有強(qiáng)勁的商業(yè)價(jià)值。