低温等离子体联合电解海水法船舶尾气脱硫脱硝研究

摘要： 面对日益严格的船舶尾气排放标准，传统的、单一的船舶尾气处理方式很难达到要求。通过对低温等离子体技术、电解海水法应用于船舶尾气脱硫脱硝原理的阐述，设计了低温等离子体联合电解海水法船舶尾气脱硫脱硝的系统，详细分析了该系统的工作流程，并指出了该系统的优点，预测分析了该系统的前景。低温等离子体联合电解海水法脱硫脱硝系统可有效降低船舶尾气中NOx、SOx的排放量，并满足相关公约的要求，该联合脱硫脱硝技术在船舶领域具有良好的应用前景。

Abstract： In the face of increasingly stringent ship exhaust emission standards， it is difficult for traditional and single ship exhaust treatment methods to meet the requirements. By expounding the principle of low-temperature plasma technology and electrolytic seawater method applied to ship exhaust desulfurization and denitrification， a system of low-temperature plasma combined with electrolytic seawater desulfurization and denitrification of ship exhaust was designed， and the working process of the system was analyzed in detail， and the system was pointed out. The advantages of predictive analysis of the prospects of the system. The low-temperature plasma combined electrolysis seawater desulfurization and denitrification system can effectively reduce the emissions of NOx and SOx in ship tail gas and meet the requirements of related conventions. The combined desulfurization and denitrification technology has a good application prospect in the marine field.

關键词： 低温等离子体;电解海水法;联合脱硫脱硝;船舶

Key words： low temperature plasma;electrolysis of sea water;combined desulfurization and denitrification;ship

中图分类号：U664.121                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0212-03

0  引言

近年来，为了控制船舶大气排放污染，国际海事组织、美国船舶排放法规、欧盟法令等制定了日益严格的船舶排放法规，对船舶大气污染物提出了严格的排放限值要求。同时，我国政府也作出了打赢蓝天保卫战的重大决策部署，提出控制船舶废气排放，尤其控制硫的氧化物和氮的氧化物的排放，营造良好生态环境的重大方案。因此，船舶尾气脱硫脱硝技术的研究意义重大。

1  脱硫脱硝方法的基础

目前国内外对于船舶尾气脱硫脱硝技术的研究，主要方法有电解海水喷淋洗涤法脱硫脱硝、等离子体氧化、直接海水洗涤等方法。直接海水洗涤对于SO2的脱除效率较高，能达到90%或者90%以上，但是对于NO的脱除效率较低，只有10%左右。

电解海水法脱除船舶尾气中的SO2和NO比较高效，尤其是SO2，其脱除率可达到98%，NO的脱除率可达到84%。NO的脱除效率受外界因素影响较大，其随NO初始浓度、海水电解时间、氧化液有效氯浓度的提升而增大，随SO2初始浓度、气体流量的提升而减小。[1][2]

等离子体氧化技术利用等离子体反应器产生低温等离子体，利用低温等离子体中的高能电子参与一些物理、化学反应过程，解决普通气体难以解决的问题。在脱硫脱硝一体化系统中，可以选择用介质阻挡放电来产生等离子体，利用等离子体的特质促进一些物理、化学反应发生，达到氧化废气中NO气体和SO气体的目的。等离子体反应器如图1所示。[3]

基于以上研究，考虑将电解海水法湿法喷淋与等离子体技术结合起来联合脱硫脱硝。

2  等离子体技术与电解海水法联合脱硫脱硝的原理

2.1 低温等离子体氧化反应的原理

由介质阻挡放电（DBD）放电产生的高能电子直接作用于船舶尾气中的H2O、SO2、O2、N2分子。这些分子的化学共价键遭到破坏进而裂解、激发和电离，生成初始状态下的N2（C3U）、O（1D）、O（3P）、N（2D）、N、H、OH等活性粒子，这些活性粒子与气体发生碰撞并反应，产生新的分子和原子，涉及到的主要化学反应如表1所示。[3]

在放电过程中，这些反应在空间和时间上互相重叠、交织在一起，并没有明显的先后反应顺序。正是通过这些自由基、激发态的分子和原子、离子等的相互碰撞，完成了NO和SO的氧化。[3]

2.2 电解海水脱硫

SO2极其容易溶于水，进行水解反应时会产生HSO3-和SO32-[4-5]，接下来可继续氧化成SO42-，所以SOx经过水解、氧化和吸收这三个步骤可以基本上被脱除掉，主要的反应方程式见表2中的反应方程式（1）～（6）而且在这中，海水中存在的固有碱度（HCIO3-）对废气中的SO2也有

比较好的脱除效果，具体的反应方程式见表2中反应

式（7）。[4]

2.3 电解海水脱硝

NO 由于溶解性小，氧化过程受其在液膜中吸收速率的控制，当被成功氧化为NO2后，再经碱液吸收去除则非常容易，主要去除途径见表3中反应式（1）～式（5）。[2]

3  低温等离子体联合电解海水法脱硫脱硝系统

在以上原理的基础上，采用低温等离子技术与电解海水湿法喷淋相结合的技术方案，设计了一种船舶废气脱硫脱硝系统，该系统的组成如图2所示。

3.1 该系统的组成及特征

①系统组成。

船舶尾气脱硫脱硝系统，包括脱硫脱硝组件、海水电解组件及电气控制组件，其中：

脱硫脱硝组件用于同时处理船舶尾气中的NOx和SOx，所述脱硫脱硝组件包括低温等离子反应器、脱硫脱硝喷淋塔、旋转式雾化器及除雾器;

海水电解组件用于电解海水获得碱性溶液和氧化性溶液，再分别被泵入到脱硫脱硝喷淋塔中发生化学反应，所述海水电解组件包括电解电源、阴极区、阳极区、隔膜及海水过滤器;

电气控制组件用于判断脱硫脱硝组件处理后的气体是否满足排放要求并执行相应操作，所述电气控制组件包括控制器和废气检测装置。

②主要特征。

低温等离子反应器的进气口连通于船舶尾气的排放口，低温等离子反应器的出气口连通于脱硫脱硝喷淋塔的下部，所述脱硫脱硝喷淋塔的顶部和底部分别设有气体排放口和液体排放口，所述旋转式雾化器位于脱硫脱硝喷淋塔的内侧并安装于脱硫脱硝喷淋塔的上部，所述旋转式雾化器分别与阴极区和阳极区相连通。

述隔膜位于阴极区和阳极区之间，所述阴极区和阳极区中分别设有阴极材料和阳极材料，所述阴极材料和阳极材料分别电性连接于电解电源的阴极和阳极，所述海水过滤器的进水端浸没于海水中，所述海水过滤器的出水端分别与阴极区和阳极区相连通。

所述控制器与废气检测装置之间电性连接，所述废气处理装置的底部和顶部分别设有导入口和导出口，所述导入口与气体排放口相导通，所述除雾器连通于导入口与气体排放口之间，所述废气处理装置的旁侧设有导回口，所述导回口与低温等离子反应器相导通。

3.2 系统的运行流程

步骤1：低温等离子反应器通过空气放电，产生能够氧化SO和NO的超氧化氢、臭氧、氧自由基或羟基等氧化性基，在一定条件下，将柴油机尾气中的SO和NO分别氧化成SO2和NO2;

步骤2：海水经海水过滤器进入到阴极区和阳极区，在接通电解电源的情况下，在阴极区生成碱性溶液，碱性成分以NaOH为主，在阳极区生成酸性溶液，氧化性成分以HClO为主;

步骤3：让步骤1中氧化后的废气从脱硫脱硝喷淋塔的下部进入并向上运动，让步骤2中生成的碱性溶液和氧化性溶液分别泵入到旋转式雾化器中，雾化后向下运动，废气和两种溶液形成对流，使得废气中的NO2会被碱性溶液吸收去除，使得废气中的SO2会被氧化性溶液吸收

去除;

步骤4：让步骤3中充分反应后的废气先通过除雾器，通过除雾器去除废气中夹杂的水分，然后进入废气检测装置内，通过废气检测装置检测其中的污染物含量，若污染物含量满足排放要求，则将废气直接排出，若污染物含量超过规定值，则将废气导回到温等离子反应器中，重新进行脱硫脱硝等工作。

4  系统的应用效果分析

①低温等离子反应器内有介质阻挡放电，当船舶尾气经过管道进入到低温等离子反应器内，经过介质阻挡放电，生成氧化后的废气，之后再经过管道进入脱硫脱硝喷淋塔中，与通过旋转式雾化喷头喷出并雾化的氧化性溶液和碱性溶液进行充分的反应，以达到良好的脱硫脱硝

效果。

②海水先经海水过滤器进入到阴极区和阳极区，再经电解后，在阴极区会形成碱性溶液，在阳极区会形成氧化性溶液，之后再分别被泵入到脱硫脱硝喷淋塔中发生化学反应。

③在控制器的控制下，充分反应后的废气经气体排放口进入除雾器，通过除雾器将夹杂的水分进行去除，然后经导入口进入废气检测装置內，通过废气检测装置检测其中的污染物含量，若污染物含量满足排放要求，则让导出口开启，导回口闭合，废气由导出口完成排放，若污染物含量超过规定值，则让导出口闭合，导回口开启，废气由导回口再次进入低温等离子反应器，重新进行脱硫脱硝等工作。

5  结语

本文从船舶尾气脱硫脱硝方法入手，做了如下工作：

①分析了船舶尾气脱硫脱硝的主要方法，并通过对低温等离子体技术、电解海水法应用于船舶尾气脱硫脱硝原理的阐述，设计了低温等离子体联合电解海水法船舶尾气脱硫脱硝的系统;

②详细分析了低温等离子体联合电解海水法船舶尾气脱硫脱硝的系统的工作流程，并指出了该系统的优点，预测分析了该系统的前景。

参考文献：

[1]杨少龙.基于紫外/电解海水的船舶废气脱硝性能与机理研究[D].大连海事大学，2017.

[2]张欢，钟鹭斌，苑志华，陈进生，郑煜铭.隔膜电解海水氧化耦合吸收脱硫脱硝净化船舶尾气技术[J].环境工程学报，2018，12（01）：164-171.

[3]莫覃博雅.船舶柴油机脱硫脱硝一体化系统控制装置设计[D].武汉理工大学，2018.

[4]刘川风，赵淼.基于电解海水法的船舶废气脱硫脱硝装置设计[J].船舶标准化工程师，2021，54（02）：33-36，49.