塔体倾斜条件下船舶尾气SO2洗涤脱除强化

刘 昶,王丁振,张涌新,赵中阳,吴卫红,沈敏强,戴豪波,郑成航,高 翔*

塔体倾斜条件下船舶尾气SO2洗涤脱除强化

刘 昶1,王丁振1,张涌新1,赵中阳1,吴卫红1,沈敏强2,戴豪波3,郑成航1,高 翔1*

(1.浙江大学能源工程学院,能源清洁利用国家重点实验室,国家环境保护燃煤大气污染控制工程技术中心,浙江 杭州 310027；2.浙江浙能迈领环境科技有限公司,浙江 杭州 311202；3.浙江天地环保科技股份有限公司,浙江 杭州 311121)

针对恶劣海况下船舶洗涤塔倾斜的情况,利用船舶尾气净化小试试验台,开展了洗涤塔不同倾斜角度下对镁基吸收剂脱硫效率影响的实验,研究了液气比、入口SO2浓度、烟气量、浆液pH值、对洗涤塔内SO2脱除效率的影响.结果表明:脱硫效率随洗涤塔倾角度的增大而降低.脱硫效率随液气比的增大而升高,较低的液气比时倾斜角度对SO2脱除效率的影响更明显;脱硫效率随SO2入口浓度的增大而略微降低,入口SO2浓度较高时,SO2脱除效率的降低随倾斜角度的增加变化较为明显;相同液气比条件下,脱硫效率随塔内烟气量的增加而升高;脱硫效率随浆液pH值的增大而升高,低pH值时SO2脱除效率的降低随倾斜角度的增加变化较为明显.筛板-边壁环的加入可有效提高倾斜条件下洗涤塔的脱硫效率,倾斜角度为15°时,脱硫效率提高将约3%;倾斜角度为10°时,脱硫效率提高约5%;倾斜角度在5°以下时,脱硫效率可提高将近7%.

洗涤塔；倾斜；镁基吸收剂；脱硫效率；塔内构件

目前船舶尾气中硫的排放量已占全世界硫排放总量的13%左右[1],国际海事组织(IMO)也已制定了关于全球船舶尾气排放硫含量限值的规定[2].洗涤塔作为船舶尾气净化的主要设备可用作船舶尾气脱硫来达到日益严格的国际标准[3].镁基吸收剂脱硫是目前主流的船舶尾气洗涤技术,其基本原理是将氧化镁通过浆液制备系统制成氢氧化镁悬浮液[4],在洗涤塔内吸收尾气中的二氧化硫生成亚硫酸镁,系统可以长期可靠运行,能耗和成本均较低,适合船舶上应用[5].

由于镁基吸收剂脱硫具有独特优势,可以满足最严格的硫排放控制要求,因此研究镁基吸收剂船舶尾气洗涤技术具有重要的现实意义.有学者通过数学模型的构建对镁基吸收剂船舶尾气脱硫效率进行了研究.唐晓佳[6]通过统计软件建立镁基船舶尾气洗涤系统的脱硫效率模型,找出了影响显著的因素,并获得脱硫效率与影响因素之间的二阶数学关系,用于指导船舶尾气洗涤系统运行.

一些学者通过实验方法研究了关键因素对脱硫系统性能的影响[7-12].朱益民等[7]利用自主研发的镁基船舶尾气脱硫系统进行了实船试验,通过脱硫剂制备、洗涤水水质和运行压降的优化提高脱硫效率.李晓波等[8]利用I型镁基混合式船舶烟气洗涤系统试验台,开展了脱硫系统关键设计参数(液气比、气速和喷淋层)对脱硫效率和压损影响的试验研究.郝阳[9]利用自行搭建的一套最大处理风量10000m3/h的镁基船用脱硫系统在某集装箱船上开展试验,研究了关键因素对脱硫效率的影响,并采用正交法得出最优方案.

计算流体力学方法相对于实验研究,可以直观地分析气液两相的运动情况,在烟气数值模拟优化方面正成为一种越来越成熟的手段[13],大量学者通过数值模拟的手段进行了塔内流场优化研究[14-17].鞠铠阳等[14]以某镁法洗涤塔为研究对象,针对入口烟道内存在的气流冲壁现象,对其进行了流场数值模拟,合理布置导流板优化了塔内流场的分布状况.刘全[15]基于雷诺平均N-S方程数值模拟塔内流场,优化了进气方向和喷嘴结构,可使塔内脱硫效率提高,并降低塔内压损.周密[16]对船用喷淋洗涤塔塔内流场进行模拟分析,分别对洗涤塔内的速度流场、压强分布和SO2浓度分布进行了模拟计算,为洗涤塔的结构优化提供了指导.

船舶在不同海况下航行会产生0～20°的倾斜,使洗涤塔的SO2脱除效率降低[18],主要原因有3个方面:造成吸收剂浆液贴壁率增加,液滴喷射覆盖范围减小[19],传质表面积减少;使流场分布不均[20];洗涤塔倾斜使液滴行程变短,减少了气液接触时间,从而导致SO2脱除效率下降.现有研究大多针对于船舶在平稳航行时的洗涤塔,关于倾斜条件下的镁基吸收剂脱硫研究较少.因此,本文为模拟船舶在恶劣海况下船身产生倾斜的情况,采用船舶尾气净化小试试验台,针对洗涤塔不同倾斜角度下对镁基吸收剂脱硫效率的影响开展了实验,研究了运行参数对船舶洗涤塔内SO2脱除效率的影响,及塔内构件强化SO2吸收脱除规律.

1 装置与方法

1.1 实验装置

为获得倾斜条件下洗涤塔的塔内运行状态和脱硫效果,搭建了船舶尾气净化小试试验台,如图1所示,在洗涤塔内设有筛板和边壁环.试验台主要由4部分构成,包括配气系统、洗涤塔本体、浆液系统和倾斜装置,主要参数见表1.配气系统由罗茨风机,转子流量计、质量流量计、纯度为99.99%的N2、SO2以及管道等组成;浆液系统主要由浆液池、给水泵、喷淋装置、液体转子流量计、球阀、pH计、给料装置、搅拌装置等组成;洗涤塔本体是一个气液传质设备,主要由塔体、多空筛板、边壁环组成;倾斜装置主要由千斤顶和牵引绳组成.浆液自洗涤塔上方4层喷嘴喷入,至塔底流回浆液池.含一定浓度SO2的烟气自洗涤塔下方进入,经过筛板、喷淋层,与液体逆向接触.

图1 船舶尾气净化小试试验台示意

表1 试验台参数

实验所用边壁环安装在每一喷淋层下方127.5mm处,筛板的安装位置在距烟气入口中心上方0.1m处,实验所用筛板开孔方式为正方形,其开孔率表达方式如下:

式中:为开孔率,%;为筛板所开孔的直径,mm;为筛板相邻两孔中心之间的距离,mm.

1.2 实验方法

塔体下方通过前部的支架与液压装置固定,塔身上侧通过绳索与固定杆相连,通过液压装置与绳索的调节可控制倾斜角度,通过测量装置测量塔身与垂直面的角度为0°、2°、5°、10°和15°.

实验中,脱硫剂为氢氧化镁浆液,初始氢氧化镁质量分数为2%,实验过程中通过添加氢氧化镁浆液调节脱硫浆液pH值,浆液pH值通过pH计实时在线监测.烟气中的SO2通过高纯SO2气体发生,SO2浓度通过质量流量计进行调节,调节范围为0～0.1%,并采用德国MRU的MGA5移动式烟气分析仪对洗涤塔出口烟气中的SO2浓度进行实时监测,可测量0～0.5%浓度范围的SO2.试验过程中的烟气量通过气体流量计进行调节,浆液循环量通过液体流量计进行调节.因此,实验中SO2脱除效率计算方式如下:

式中:为脱硫效率,%;SO2,in为进口SO2浓度, mg/m3;SO2,out为出口SO2浓度,mg/m3.

2 结果与讨论

2.1 液气比对脱硫效率的影响

研究了不同液气比条件下SO2脱除效率随倾斜角度增加的变化规律,如图2所示.在相同液气比的条件下,随着倾斜角度的增加,SO2脱除效率逐渐降低,原因在于塔体倾斜时浆液的贴壁几率大大增加,传质表面积减少,而且倾斜会使塔内流场分布不均匀性增加.同时,较低的液气比时倾斜角度对SO2脱除效率的影响更加明显,当液气比为10L/m3时,洗涤塔在最大倾斜角度脱硫效率下降了接近9%;高液气比时不同倾斜角度对SO2脱除效率的影响较小,当液气比为20L/m3时,洗涤塔在最大倾斜角度脱硫效率只下降了2%左右,原因在于高液气比时即使贴壁的浆液增多,塔内吸收液滴密度仍较高,仍能保持较好的SO2吸收效果.因此,在洗涤塔实际运行过程中,在保证运行经济性的同时,可提高液气比,增大吸收表面积的同时可以减少倾斜带来的脱硫效率下降.需要说明的是,由于试验台洗涤塔直径较小,造成液滴直接与壁面碰撞沿壁面下流的比例远高于实际工程应用的洗涤塔,因此,实验中采用的液气比高于实际工程应用的洗涤塔液气比.

图2 不同液气比条件下试验台倾角对脱硫效率影响的变化规律

2.2 入口SO2浓度对脱硫效率的影响

图3 不同入口SO­2浓度试验台倾角对脱硫效率影响的变化规律

液气比15L/m3;浆液pH6.5;烟气量100m3/h

在烟气量为100m3/h,浆液pH值为6.5,液气比为15L/m3的条件下,研究了入口烟气SO2浓度为1000～ 2900mg/m3,洗涤塔倾角为0～15°条件下脱硫效率变化规律,结果如图3所示.脱硫效率随着入口SO2的增加而降低,这是因为随着入口SO2的增加,能很快打破洗涤塔内化学反应的平衡,迅速消耗浆液的碱度,造成浆液中液滴吸收SO2的能力减弱.由图中还可以看出,在相同入口SO2浓度的条件下,随着倾斜角度的增加,SO2脱除效率逐渐降低.低入口SO2浓度时,SO2脱除效率的降低随倾斜角度的增加变化不明显,当入口SO2浓度为1000mg/m3时,洗涤塔在最大倾斜角度脱硫效率下降约2.5%左右;高入口SO2浓度时,SO2脱除效率的降低随倾斜角度的增加变化较为明显,当入口SO2浓度为2900mg/m3时,洗涤塔在最大倾斜角度脱硫效率下降超过5%,原因在于较低的入口SO2浓度具有较高的SO2脱除效率,倾斜条件下塔内没有贴壁的液滴依然具有较强的吸收SO2的能力.

2.3 烟气量对脱硫效率的影响

在入口烟气SO2浓度为2000mg/m3,浆液pH值为6.5,液气比为15L/m3的条件下,研究了烟气量为80～150m3/h,洗涤塔倾角为0～15°条件下脱硫效率变化规律,如图4所示.随着烟气量的增加,SO2脱除效率逐渐增加,原因在于烟气量的增加使烟气流速增加,增加了塔内的湍流度,强化了传质,同时可使液滴在塔内的停留时间增长,从而吸收更多的SO2.但烟气流量过大也会造成SO2的增加,脱硫负荷增大,并且增加烟气流速,缩短了化学反应时间.在相同烟气量条件下,随着倾斜角度的增加,SO2脱除效率逐渐降低.

图4 不同烟气量塔体倾斜角度对SO2脱除效率影响规律

2.4 浆液pH值对脱硫效率的影响

在入口烟气SO2浓度为2000mg/m3,液气比为15L/m3,烟气量为100m3/h,洗涤塔倾角为0～15°条件下研究脱硫效率变化规律,如图5所示.脱硫效率随着浆液pH值的增加而增加,原因在于反应离子体系中存在HSO3-和SO32-的平衡,当pH值较高时,SO32-占主导,更有利于吸收SO2,但pH值不能一味提高,一方面过高的pH值消耗更多的吸收剂造成经济性受损,另一方面使设备结垢严重,且增加后续废液处理的困难.在相同浆液pH值的条件下,随着倾斜角度的增加,SO2脱除效率逐渐降低.由图中还可以看出,低pH值时,SO2脱除效率的降低随倾斜角度的增加变化较为明显,当浆液pH值为5.5时,洗涤塔在倾斜15°时脱硫效率下降4%以上;高pH值时,SO2脱除效率的降低随倾斜角度的增加变化较小,当浆液pH值为8时,洗涤塔在倾斜15°时脱硫效率下降小于1.5%.

图5 不同浆液pH值条件下试验台倾角对脱硫效率的影响

2.5 塔内构件对脱硫效率的影响

为解决洗涤塔倾斜导致SO2脱除效率降低的问题,实现倾斜条件下的高效稳定脱除,提出筛板-边壁环耦合强化气液混合实现SO2强化吸收的方法.实验中,烟气量为100m3/h,入口SO2浓度为2000mg/m3,液气比为15L/m3,研究了采用构件强化前后,洗涤塔倾角为0～15°条件下SO2脱除效率变化规律,结果如图6所示.可以看出采用筛板-边壁环耦合的方法后,倾斜角度为15°时,脱硫效率提高约3%,出口SO2浓度从118mg/m3降低至98mg/m3,降低了16.9%;倾斜角度为10°时,脱硫效率提高约5%,出口SO2浓度从113mg/m3降低至80mg/m3,降低了29.2%;倾斜角度在5°时,脱硫效率提高将近7%,出口SO2浓度从100mg/m3降低至46mg/m3,降低了54.0%.以上结果表明,筛板-边壁环的加入可有效提高洗涤塔的脱硫效率,并且对于倾斜角度较小时,作用更为明显,原因在于筛板抵消了部分进口由于倾斜产生的气液分布不均和漩涡对流场的不利影响,在其上方形成激烈湍流,强化了SO2向浆液的传质;边壁环防止了烟气因倾斜造成边壁逃逸,提高了边壁浆液的利用率,缓解了吸收区因倾斜造成的汽液接触面积减少.

针对日趋严格的船舶尾气排放标准,需要对船舶尾气洗涤净化系统进行优化.对液气比、浆液pH值等操作参数的精细化控制,可使脱硫效率达到99%以上.海上恶劣海况造成洗涤塔倾斜,一方面通过船舶减摇装置直接减少晃动幅度,另一方面筛板-边壁环等塔内构件的应用也可以一定程度缓解脱硫效率的下降.

图6 筛板-边壁环耦合强化后SO2脱除效率的影响规律

3 结论

3.1 脱硫效率随洗涤塔倾角度的增大而降低.脱硫效率随液气比的增大而升高,较低的液气比时倾斜角度对SO2脱除效率的影响更加明显.脱硫效率随SO2入口浓度的增大而略微降低,高入口SO2浓度时,SO2脱除效率的降低随倾斜角度的增加变化较为明显.相同液气比条件下,塔内烟气量越大,脱硫效率越高.脱硫效率随浆液pH值的增大而升高,低pH值时SO2脱除效率的降低随倾斜角度的增加变化较为明显.

3.2 采用筛板-边壁环耦合的方法后,倾斜角度为15°时,脱硫效率提高将约3%;倾斜角度为10°时,脱硫效率提高约5%;倾斜角度在5°以下时,脱硫效率可提高将近7%.筛板-边壁环的加入可有效提高倾斜条件下洗涤塔的脱硫效率.

[1] Sofiev M, Winebrake J J, Johansson L, et al. Cleaner fuels for ships provide public health benefits with climate tradeoffs [J]. Nature Communications, 2018,9(1):406.

[2] 曾凡涛,吕 靖.厦门港船舶排放清单及港口生态效率评价[J]. 中国环境科学, 2020,40(5):2304-2311.

Zeng F T, Lv J. Ship emission inventory and valuation of eco- efficiency in Xiamen Port [J]. China Environmental Science, 2020, 40(5):2304-2311.

[3] 任 远.应对IMO2015硫排放新规范的减排方案的比较研究[D]. 杭州:浙江大学, 2016.

Ren Y. Comparison study on the sulphur abatement solutions in compliance with IMO 2015 sulphur regulations [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2016.

[4] Shen Z G, Guo S P, Kang W Z, et al. Kinetics and mechanism of sulfite oxidation in the magnesium-based wet flue gas desulfurization process [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(11):4192–4198.

[5] 张 欢,钟鹭斌,陈进生,等.船舶尾气脱硫脱硝技术研究进展[J]. 化工进展, 2016,35(11):3650-3657.

Zhang H, Zhong L B, Chen J S, et al. Review on desulfurization and denitration technologies for ship exhaust gas treatment [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2016,35(11):3650-3657.

[6] 唐晓佳.船舶废气镁基脱硫系统优化研究[D].大连:大连海事大学, 2014.

Tang X J. Optimization study on magnesium-base desulphurization system for marine exhaust gases [D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2014.

[7] 朱益民,郭 琳,唐晓佳,等.镁基-海水法船舶废气脱硫技术性能分析 [J]. 环境工程学报, 2016,10(12):7173-7178.

Zhu Y M, Guo L, Tang X J, et al. Technical performance analysis of magnesium-base seawater desulfurization system for marine exhaust gas [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016,10(12): 7173-7178.

[8] 李晓波,涂世恩,张西兆,等.Ⅰ型镁基混合式船舶烟气脱硫系统试验[J]. 船舶与海洋工程, 2020,36(3):34-39.

Li X B, Tu S E, Zhang X Z, et al. Bench test for type I magnesium- based hybrid marine flue gas desulfurization system [J]. Naval Architecture and Ocean Engineering, 2020,36(3):34-39.

[9] 郝 阳.镁基-海水法船用废气脱硫效率研究[D]. 大连:大连海事大学, 2011.

Hao Y. Removal efficiency of magnesium base-seawater desulfurization for marine flue gas [D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2011.

[10] 赵良庆,潘利祥,史利芳,等.镁法烟气脱硫副产物生产硫酸镁工艺研究[J]. 环境工程, 2014,32(2):91-94.

Zhao L Q, Pan L X, Shi L F, et al. Research on the production of magnesium sulfate by desulfurization by-product of magnesium oxide [J]. Environmental Engineering, 2014,32(2):91-94.

[11] Qu L T, Li C T, Li C, et al. Evaluation of ultralow emission performance of magnesium oxide (MgO) wet flue gas desulfurization unit for coal-fired units [J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019,267(6):062045.

[12] Guo R T, Pan W G, Zhang X B, et al. Dissolution rate of magnesium hydrate for wet flue gas desulfurization [J]. Fuel, 2011,90(1):7-10.

[13] 钟 毅,高 翔,王惠挺,等.基于CFD技术的湿法烟气脱硫系统性能优化[J]. 中国电机工程学报, 2008,28(32):18-23.

Zhong Y, Gao X, Wang H T, et al. Performance optimization of wet flue gas desulphurization system based on CFD technology [J]. Proceedings of The Chinese Society for Electrical Engineering, 2008, 28(32):18-23.

[14] 鞠铠阳,李 威,王 欣,等.基于CFD技术的镁法脱硫塔入口烟道流场优化分析[J]. 东北电力大学学报, 2017,37(1):29-33.

Ju K Y, Li W, Wang X, et al. Optimization on the entry section of magnesium desulfurization scrubber based on CFD [J]. Journal of Northeast Dianli University (Natural Science Edition), 2017,37(1): 29-33.

[15] 刘 全.镁基船舶废气脱硫塔内流场及反应过程研究[D]. 大连:大连海事大学, 2017.

Liu Q. Research on flow field and reactions in magnesium-based marine exhaust gases desulphurization tower [D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2017.

[16] 周 密.镁法船用废气脱硫塔仿真优化研究[D]. 镇江:江苏科技大学, 2019.

Zhou M. Research on simulation optimization of magnesium process marine waste gas desulfurization tower [D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2019.

[17] 徐宏建,张 超,葛红花.镁法烟气脱硫工艺的实验室模拟及其优化[J]. 上海电力学院学报, 2010,26(2):145-147,156.

Xu H J, Zhang C, Ge H H. Simulation and optimation of processes of magnesia flue gas desulfurization [J]. Journal of Shanghai University of Electric Power, 2010,26(2):145-147,156.

[18] 马 洁,杨 鹏,李国斌.高海情下船舶运动规律及减摇技术仿真研究[J]. 船舶工程, 2006,28(2):24-28.

Ma J, Yang P, Li G B. Simulation study of ship's movement regularity and anti-rolling technology under high-wave-level environment [J]. Ship Engineering, 2006,28(2):24-28.

[19] 闫超星,张 翼,刘成洋,等.喷淋液滴在空气环境下的运动特性[J]. 原子能科学技术, 2020,54(1):66-71.

Yan C X, Zhang Y, Liu C Y, et al. Motion characteristic of spray droplet in air environment [J]. Atomic Energy Science and Technology, 2020,54(1):66-71.

[20] 郭瑞堂,高 翔,王 君,等.液柱塔内流场和SO2吸收的CFD模拟和优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2007,41(3):494-498,503.

Guo R T, Gao X, Wang J, et al. CFD simulation and optimization of flow field and SO2absorption in impinging stream scrubber [J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2007,41(3): 494-498,503.

Investigation of SO2removal enhancement from marine flue gas under scrubber swing condition.

LIU Chang1, WANG Ding-zhen1, ZHANG Yong-xin1, ZHAO Zhong-yang1, WU Wei-hong1, SHEN Min-qiang2, DAI Hao-bo3, ZHENG Cheng-hang1, GAO Xiang1*

(1.National Environmental Protection Coal-fired Air Pollution Control Engineering Technology Center, State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China；2.Zhejiang Energy Marine Environmental Technology Co., LTD., Hangzhou 311202, China；3.Zhejiang Tiandi Environmental Protection Technology Co.Ltd., Hangzhou 311121, China)., 2021,41(6)：2571～2576

The SO2removal efficiency of magnesia-based absorbent for different absorber inclined angles was investigated, aiming at desulfurization enhancement of the swing condition of ship absorber under severe sea conditions. The effects of liquid-gas ratio, inlet SO2concentration, flow gas flow rate, pH value on desulphurization efficiency in scrubber tower were studied. The results showed that the desulfurization efficiency decreased with the increasing of inclined angle and the decreasing of the liquid-gas ratio, and the influence of inclined angle on desulfurization efficiency was more obvious at lower liquid-gas ratio. The desulfurization efficiency increased with the increasing of flue gas flow rate and pH value. For different pH values & inlet SO2concentrations, the variation range of desulfurization efficiency caused by inclined angles was different. The sieve tray and distribution ring improved the desulfurization efficiency of the absorber under swing condition effectively. When the inclined angle was 15°, the desulfurization efficiency increased by about 3%, while the desulfurization efficiency increased by about 5% at the inclined angle of 10°. When the inclined angle was below 5°, the desulfurization efficiency could be improved by nearly 7%.

scrubber；inclination；magnesia-based absorbent；desulfurization efficiency；internals

X511

A

1000-6923(2021)06-2571-06

2020-10-15

国家自然科学基金资助项目(U1609212,51621005)

* 责任作者, 教授,xgao1@zju.edu.cn

刘 昶(1997-),男,北京人,浙江大学能源工程学院博士研究生,主要研究方向为大气环境污染治理.发表论文1篇.