混合式船舶废气脱硫系统工艺研究

唐汉成 陶汉中

南京工业大学能源科学与工程学院

0 引言

随着经济全球化发展的日益深入，船舶航运成为长距离运输的最重要工具，在带来便利的同时，船舶发动机排气所引起的环境污染问题也是不可避免的[1-2]。船舶发动机的燃油通常采用重质燃油，SO2是排气的主要成分，对大气和海洋会造成严重的污染。近年来，随着国际相关法律法规的逐渐完备严格，船舶废气脱硫已不可或缺[3-4]。

与陆地电厂废气固定源脱硫不同的是，在船舶脱硫中，需要考虑有限的空间、系统资本成本、能耗以及安装的复杂程度。因此，本文采用已成熟完备的电厂湿法脱硫工艺作为基础依据[5]，设计了混合式船舶废气脱硫系统，该系统可根据不同海域需求，自由切换开环式模式与闭环式模式。通过参数模拟分析，确定最佳性能参数，并简要分析系统能耗成本。

1 系统脱硫工艺

图1 为混合式船舶废气脱硫系统工艺流程，系统分为开环和闭环两种模式，可根据需要自由切换。工艺流程过程阐述：切换到开环模式时，碱液单元关闭，打开海水泵，海水由泵机送至脱硫吸收塔，再通过喷嘴送至塔内各喷淋层。烟气经烟气冷却器冷却后，进入吸收塔，自下而上与吸收液逆向接触，发生物理化学反应。脱硫后的废液出塔后进入氧化罐，此时打开风机，对废液进行氧化处理，处理后的海水经简单调节温度与pH 值后，直接排出舷外[6]。切换到闭环模式时，碱液单元开始运行，启动循环回流泵。吸收过程与开环式相似，废液出塔后经过氧化处理后，进入缓冲罐，经闪蒸处理一部分溶于液相的SO2气体回到塔内继续反应，剩余废液进入工艺水箱，一部分进入后处理单元，另一部分经回流泵回到塔内重复利用循环脱硫[6]。

图1 混合式船舶废气脱硫工艺流程

2 工艺流程模拟

2.1 系统参数

本文研究滚装货船正常行驶时采用3.5%重质燃油，根据理论计算[8]可得部分工程参数（表1、2）：

表1 烟气成分

表2 烟气性质参数

表3 为设计吸收液模拟工程参数表：

表3 吸收液性质参数

2.2 反应过程

本文设计混合式船舶废气脱硫系统进行废气脱硫主要包含以下反应式：

吸收塔内主要发生式（1）～（4）反应，废液出塔后需要经过曝气氧化处理后方可排出，故式（5）主要发生在工艺系统氧化罐内，同时可以根据模拟结果中SO32-的量计算得到氧化风机鼓风量，进而选型氧化风机。

2.3 模拟运行结果

通过对比软件模拟两种模式下系统脱硫前后烟气参数的变化结果，可发现采用盐度为35‰海水pH值为8.175 作为脱硫剂时，设计液气比为6L/m3，烟气出口中SO2浓度低于200PPM，达到排放要求，此时脱硫后废液的pH 值仅为2.27，需要进行曝气氧化处理及调节pH 值后方可达标排放。

当采用了0.015mol/L 的钠碱溶液作为脱硫剂时，设计液气比为5.5L/m3，烟气出口中SO2浓度只有53PPM，达到了排放的要求，此时脱硫后废液的pH 值为6.0 以上，废液依次进入氧化缓冲闪蒸循环后处理单元。

3 工艺参数灵敏度分析

3.1 开环式模式

3.1.1 液气比对于系统脱硫效率的影响

液气比是脱硫系统中重要的工艺参数，能够迅速有效调节系统整体脱硫效率。本文设计混合式船舶废气脱硫系统，切换为开环式模式时，烟气SO2浓度3978 mg/m3，海水盐度35，海水温度20 ℃。具体如图2所示开环式模式液气比与系统脱硫效率及废液pH 值关系。

图2 开环式下液气比与脱硫效率及出塔废液pH 值关系

当液气比极小时，海水碱度不足以脱除废气中大部分SO2，此时系统脱硫效率低。随着液气比增大，脱硫效率快速上升，当L/G 达到6.5L/m3时，脱硫效率已经逼近100%。从图中还可以发现，当液气比处于6～8之间时，这段曲线的斜率变化率很小，系统脱硫效率的增长趋势也趋于平缓，此时已经达到脱硫极限。由此可知，液气比增大，系统脱硫效率显著提升，当液气比增大到某一定值时，脱硫效率趋于平稳在一定范围内，系统内部气液两相充分接触，传质面积基本不再扩大，系统整体脱硫效率受液气比影响减小。

3.1.2 海水温度、盐度对于系统脱硫效率的影响

船舶正常运行时，海水温度、盐度是变化的，设计取定液气比后，图3、4 为研究海水温度、盐度对系统脱离效率的影响。

图3 海水温度与脱硫效率关系

如图3 所示，随着海水温度升高，系统脱硫效率呈下降趋势，出口烟气中SO2浓度呈上升趋势。当海水温度为5 ℃时，脱硫效率达到最高，接近100%。而当海水温度为30 ℃时，脱硫效率仅为83%，此时脱硫效率最低。当海水温度高于20 ℃时，系统出口气体中SO2的组分迅速升高，这是因为较高的海水温度抑制了吸收塔内SO2的物理吸收过程，同时这一变化趋势也符合亨利定律。

除了海水温度，海水盐度对系统脱硫效率也具有影响。为了讨论海水盐度对于脱硫效率的影响，如图4可见，本文选取五种不同盐度的海水，当系统液气比变化时，研究海水盐度对系统废气脱硫效率的影响。显而易见，液气比取定后，盐度越高的海水脱硫性能越强。这是因为海水盐度更高时，海水中HCO3-的浓度更高，化学反应吸收过程更强，所以系统的脱硫效率更高。

图4 海水碱度与脱硫效率关系

3.1.3 烟气温度、浓度对于系统脱硫效率的影响

烟气温度与烟气中SO2浓度是会随着环境影响而变化的工程参数，图5、6 为研究烟气温度、SO2浓度对系统脱硫效率影响的关系图。

图5 烟气温度与脱硫效率关系

如图5 所示，烟气温度范围在120～190 ℃，系统脱硫效率呈线性下降趋势，但波动范围不大。当烟气从120 ℃升高至190 ℃时，脱硫效率降低，这是因为SO2在海水中的溶解度与温度呈线性负相关。由图6 可知，随着烟气中SO2浓度升高，脱硫效率先是缓慢降低而后迅速下降。这是因为，SO2浓度升高时，其所占分压强增大，物理吸收过程增强。此时SO2浓度继续升高，但物理吸收已经饱和，整体效率只由化学吸收（海水碱度）决定，故此时脱硫效率迅速下降。

图6 烟气中SO2 浓度与脱硫效率关系

3.2 闭环式模式

3.2.1 钠碱溶液浓度对于脱硫效率的影响

本设计选取四种浓度钠碱溶液，取定液气比范围在3～6 之间波动，图7 为分析讨论钠碱溶液浓度对脱硫效率的影响。从图7 可以看出，当液气比相同时，更高浓度的钠碱溶液具有更强的脱硫性能，对于同样浓度的钠碱溶液，系统脱硫效率一定范围内随着液气比的增大而增大。当液气比取定5.5 时，此时三种浓度钠碱溶液已经达到脱硫极限。

图7 钠碱溶液浓度与脱硫效率关系

3.2.2 烟气浓度对于脱硫效率的影响

从图8 可以看出，选取三种浓度钠碱溶液比较，随着SO2浓度上升，整体系统脱硫效率呈下降趋势，而浓度较高的钠碱溶液受烟气浓度变化影响更小。这是因为化学吸收过程要强于物理溶解吸收过程，与开环式海水法相比，闭环式钠碱法的抗影响能力更强。

图8 烟气浓度与脱硫效率关系

3.2.3 钠碱溶液温度对于脱硫效率的影响

由图9 可见，随着温度升高，系统脱硫效率呈下降趋势，但幅度不大，从整体来看，数值变化不明显。这就说明钠碱溶液作为脱硫吸收剂时，系统的稳定性更强，化学过程占主导，钠碱的脱硫高效性完全克服了温度对系统的影响。

图9 钠碱溶液温度与脱硫效率关系

4 脱硫工艺能耗成本分析

4.1 开环式能耗分析

开环式模式下，采用海水作为脱硫吸收液，由于海水的易获得性故系统内不设置循环子系统。此时，系统主要能耗设备包含海水泵，烟气风机，氧化风机和补给泵。软件模拟结果如表4 所示：

表4 开环式模式系统主要能耗设备

除了耗电设备外，系统包含一部分公用工程设备，包括烟气进口冷却器，烟气出口加热器，及系统中部分温控设备，10 图为这些设备的公用工程消耗量。全系统采用双公用工程，分别是冷公用工程：20 ℃冷却水，热公用工程：125 ℃低压过热蒸汽。

图10 公用工程设备耗能关系

4.2 闭环式能耗分析

闭环式模式采用配置钠碱溶液作为脱硫吸收液，钠碱本身昂贵的价格就占据了运行成本的一部分。在正常运行条件下，本设计系统选配0.015mol/L 的钠碱溶液作为脱硫吸收液，液气比定为5.5，表5 为工况下系统脱硫设备功耗，表6 为工况下公用工程设备总成本（冷热公用工程价格采用常规市场价格，20 ℃冷却水价格为0.0005$/kg，125 ℃低压过热蒸汽价格为17.15$/ton）。

表5 闭环式模式系统主要能耗设备

表6 闭环式模式公用工程设备总成本

4.3 成本分析

根据模拟结果，综合计算两种模式下每公斤脱硫运行成本，耗电设备电费按工业用电价格计算，结果列于表7。

表7 两种模式运行成本

如表7 所示，闭环式模式成本远高于开环式，这是因为闭环式引入了循环子系统，同时公用工程消耗量大大增加，并且钠碱溶液的价格也较为昂贵。但在实际工程中，低压蒸汽一般由船舶自身供暖锅炉提供，其生产成本远低于直接采购成本，因此采用本文设计混合式船舶废气脱硫系统，其运行成本是低于直接使用低硫油的运行成本。

5 结论

本文设计一种船舶混合式脱硫工艺系统，在开环式模式下，以海水为脱硫剂，运用灵敏度分析考虑液气比、烟气温度、烟气浓度、海水温度、盐度等因素对系统脱硫效率及废液pH 值的影响。在船舶发动机正常运行工况下，采用6L/m3液气比，既能满足排放要求，又具有最优经济性。对于出塔废液调节pH 值到5.5 即可排出，可有效保护海洋生态环境。在闭环式模式下，以钠碱溶液作为脱硫剂，根据参数分析，选取钠碱溶液浓度为0.015mol/L，液气比为5.5，循环流量大于95%，此时，系统的效益比最高。

根据能耗成本分析，开环式模式下海水法的成本最低，闭环式模式下钠碱法的成本远高于海水法，但脱硫性能与系统稳定性均强于开环式模式，但结合实际工程经验，钠碱法运行成本与直接燃用低硫油相比较低。

此外，船舶废气脱硫系统还有很多复杂的问题需要解决，其在未来仍然具有强劲的商业价值。