基于PLC船舶尾氣脫硫裝置的優化設計*

林型平

(浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316000)

0 引 言

目前，國際海事組織(IMO)船舶硫氧化物排放控制標準以及MARPOL 73/78公約附則VI第14條分別針對普通水域的船用燃油硫含量和IMO硫排放控制區水域的船用燃油硫含量提出了限值要求。確定了2020年在全球海域實行船舶燃油0.5%含硫上限的規定,在特定的排放控制區仍然實行0.1%的限制，并且至2012年1月1日起，必須使用質量分數不高于0.1%的清潔燃油，這就使得船舶運輸行業中船舶尾氣的排放面臨著很大的挑戰。

現如今傳統船舶尾氣脫硫除硫處理裝置中施工難度大、技術要求較高，而且脫硫脫硫除硫結束后殘存的含硫油氣會排入海洋環境和大氣，排放的含硫氣體濃度較高對環境造成嚴重的污染等問題[1-5]，在全球大力提倡節能環保綠，保護地球共同的家園背景下，研究一種高效脫硫環保節能的脫硫裝置尤為迫切，筆者根據以往船舶尾氣脫硫裝置所存的優缺點，加以歸納，并參考其他處理裝置的設計等資料[5-12]，確立了船舶尾氣脫硫處理裝置的優化設計要求，為更好的達到降硫除硫的效果、使船舶尾氣排放符合環保要求提出新的解決途徑。

1 船舶尾氣脫硫處理裝置的設計要求

傳統的船舶在作業過程中排放的含硫尾氣很少經過脫硫處理,或者只是進行簡單的脫硫處理,大多數脫硫方案一般采用化學反應進行脫硫降硫處理,其過程繁瑣、復雜，費時費力，且除硫降硫效果不佳，而且存在二次污染的可能等，結合傳統船舶尾氣除硫降硫的現狀，現設計出船舶尾氣脫硫處理裝置的新要求,具體有：①機械化程度高，操作簡單，科學安全；②智能化程度高,節省人工成本和時間成本；③脫硫除硫效果明顯，可有效船舶尾氣含硫量；④節能環保，無二次污染。

2 船舶尾氣脫硫處理裝置的工作原理分析

船舶尾氣脫硫處理，首先經過預脫硫處理，然后再進行除硫降硫，如圖1所示為預脫硫處理結構示意圖。

圖1 預脫硫處理結構示意圖1.船舶尾氣脫硫裝置 2.傳熱電阻管 3.液壓泵 4.船舶燃油進口 5.導流管 6.液壓泵 7.油氣混合物回流管 8.排油管 9.加熱管 10.燃油脫硫第一產品 11.燃油脫硫第二產品 12.熱交換器 13.油氣混合物導管 14.分隔板 15.精餾塔 16.燃油脫硫除硫裝置 17.冷凝器 18.氮氣進口 19.PLC控制面板 20.燃油進口

(1) 預脫硫處理階段

船舶含硫燃油首先經過船舶尾氣脫硫裝置1的預脫硫處理過程，含硫燃油在船舶尾氣脫硫裝置1經過冷凝器17的初級冷凝，使傳熱電阻管2溫度降低，進而降低含硫燃油的溫度，使船舶含硫燃油處于一種油液氣混合物狀態，PLC控制面板19可以控制燃油進口20的燃油的流量，也可以控制氮氣進口18的氮氣的體積，通過PLC控制面板19的合理控制，使燃油進口20的燃油以及氮氣進口18的氮氣按照一定的比例進入船舶尾氣脫硫裝置(防止油氣混合發生爆炸現象的發生)，經過一段時間的均勻加熱，船舶含硫燃油油液氣混合物通過液壓泵3的抽壓作用，將船舶含硫燃油油液氣混合物通過船舶燃油進口4進入燃油脫硫除硫裝置16。

(2) 燃油脫硫階段

船舶含硫燃油油液氣混合物通過船舶燃油進口4進入燃油脫硫階段，由于船舶含硫燃油油液氣混合物的密度、沸點和濃度的不同，導致含硫燃油油液氣混合物會分為以下幾種方式的脫硫，第一部分含硫燃油油液氣混合物通過分隔板14分隔作用，然后進入精餾塔15的精細分餾，通過油氣混合物導管13的傳到輸送，以及熱交換器12熱交換作用使產生的燃油脫硫第二產品11進入燃油脫硫除硫裝置16。

第二部分含硫燃油油液氣混合物通過導流管5的導輸流通作用和液壓泵6的抽壓作用，通過排油管8排入以及油氣混合物回流管7的油氣混合物回流作用。然后通過加熱管9的合理加熱，使產生的燃油脫硫第一產品10進入燃油脫硫除硫裝置16。

如圖2中，關閉PLC自動閘口40，經過預脫硫階段的處理，使燃油脫硫第一產品10和燃油脫硫第二產品11進入燃油脫硫除硫裝置16，通過含硫油氣混合物進口21進入除硫降硫階段，含硫油氣混合物經過壓縮機22是將低壓含硫油氣提升為高壓含硫油氣的一種從動的流體機械，它從吸氣管吸入低溫低壓的含硫油氣，通過電機運轉帶動活塞對其進行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的含硫油氣，而熱交換器23則是通過傳熱板交換熱量，經過壓縮機22以及熱交換器23可以使含硫油氣混合物溫度下降，經過冷凝器24是由高壓氣體變成低壓氣體的特點吸收熱量，然后進入含硫油氣處理器25，由于含硫油氣處理器25可以與含硫物質發生化學反應從而降低硫的含量，從而達到除硫降硫的功效，為了進一步達到除硫降硫的效果，再次剩余的含硫油氣混合物經過壓縮機22將低壓含硫油氣提升為高壓含硫油氣的作用，從吸氣管吸入低溫低壓的含硫油氣，通過電機運轉帶動活塞對其進行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的含硫油氣，然后進入含硫油氣處理器28，使含硫油氣混合物進一步再次聚集轉換，分離剩余后的含硫濕油氣混合物通過干燥器29凈化得到干燥油氣混合物。

圖2 含硫油氣混合物除硫降硫示意圖21.含硫油氣混合物進口 22,26.壓縮機 23,33.熱交換器 24，27，34.冷凝器 25,28.含硫油氣處理器 29.干燥器 30.廢氣處理裝置 31.含硫廢氣管道 32.壓縮膨脹機 35.初級含硫油氣處理器 36，41.含硫濃度檢測儀 37，40.PLC自動閘口 38.次級含硫油氣處理器 39.含硫廢氣排放口

此時一般已處理降低了大部分含硫油氣混合物的濃度，可以通過含硫濃度檢測儀41檢測硫的含量，若燃燒含硫量等于或小于0.10% (m/m)的低硫燃油，同時允許船只使用經批準的減排技術，條件是SO2排放等效于燃燒等于或小于0.10%的低硫燃油，符合國家環保要求，而這其中的含硫廢氣混合物則可以通過a排放通道由廢氣處理裝置30再次處理之后，由含硫廢氣管道31排出即可。

在除硫的過程中，每隔3 h，對進氣口含硫量和出氣口含硫量進行測試，并計本裝置的脫硫效率(脫硫效率=進氣口含硫量-出氣口含硫量/進氣口含硫量)，如表1及圖3所示。

圖3 進、出氣口含硫量及脫硫率分析

表1 進、出氣口含硫量及脫硫率分析

由以上幾組數據分析表明，進氣口含硫量一般高于環保要求的(含硫油氣混合物濃度小于35 mg/L，即小于0.10%(m/m))，但是經過除硫降硫設備的吸收、轉化，大大降低了混合物中含硫油氣的濃度。根據出氣口含硫量測試表明，處理后的混合物中含硫油氣的濃度已經很接近環保要求的低于35 mg/L，此時脫硫效率均在40%以上。

若含硫油氣混合物沒有降低到小于0.10% (m/m)，達到國家環保要求，可進一步進行除硫降硫處理，關閉PLC自動閘口42，打開PLC自動閘口40，將含硫油氣混合物通過b通道進入該階段，由于壓縮膨脹機32是通過壓縮含硫油氣混合物膨脹降壓，向外輸出機械功使含硫油氣混合物溫度降低以獲得冷量，含硫油氣混合物，經過熱交換器33可以使含硫油氣混合物溫度下降，經過冷凝器34是由高壓氣體變成低壓氣體的特點吸收熱量，然后進入初級含硫油氣處理器35進行除硫降硫處理，處理后的初級含硫油氣混合物可以通過含硫濃度檢測儀36檢測硫的含量，若含硫油氣混合物已降低到小于35 mg/L，符合國家環保要求，即可通過含硫廢氣排放口39排放，若含硫油氣混合物沒有降低到小于0.10% (m/m)，此時關閉閘口37，還可以再次進行除硫降硫處理，將含硫油氣混合物通過次級含硫油氣處理器38，再次除硫降硫處理，然后循環處理含硫油氣混合物，直至處理后的初級含硫油氣混合物的含硫濃度通過含硫濃度檢測儀36檢測硫的含量已降低到小于0.10%(m/m)為止，根據分析知二次及多次循環處理后的結果一定可以達到環保要求；本次一二次循環為例，如下表2及圖4所示。

圖4 二次及多次循環處理后的混合物含硫量分析

表2 次循環處理后的混合物含硫量分析

經過二次處理，可知含硫混合物中，含硫油氣混合物已經可以降低到小于0.10% (m/m)，達到國家環保要求，即可通過含硫廢氣排放口排放，倘若含硫油氣混合物依然沒有降低到小于0.10% (m/m)，則需要再次循環處理含硫油氣混合物，直至處理后的初級含硫油氣混合物的含硫濃度通過含硫濃度檢測儀檢測硫的含量已降低到小于0.10% (m/m)為止。

3 設計創新性及優勢分析

3.1 結構創新性及優勢分析

(1) 燃油預脫硫處理

燃油預脫硫處理過程，采用冷凝器的初級冷凝，降低了傳熱電阻管的溫度，進而降低含硫燃油的溫度，使船舶含硫燃油處于一種油液氣混合物狀態，然后，通過PLC控制面板控制燃油進口的燃油的流量以及氮氣進口氮氣體積，使燃油進口的燃油以及氮氣進口的氮氣按照一定的比例進入船舶尾氣脫硫裝置，可有效防止油氣混合發生爆炸。

(2) 尾氣脫硫降硫

尾氣脫硫降硫過程，可依據燃油尾氣混合物的密度、沸點和濃度的不同，采用分級處理，第一部分含硫燃油尾氣混合物通過分隔板分隔作用，然后進入精餾塔的精細分餾，通過油氣混合物導管的傳到輸送，以及熱交換器熱交換作用使產生的燃油脫硫第二產品進入燃油脫硫除硫裝置。第二部分含硫燃油油液氣混合物通過導流管的導輸流通作用和液壓泵的抽壓作用，通過排油管排入以及尾氣混合物回流管的回流作用。最后通過加熱管的加熱，使產生的燃油脫硫第一產品進入燃油脫硫除硫裝置，有效的增加了降硫除硫的效果。

3.2 技術創新性及優勢分析

在除硫降硫的過程中，通過燃油預脫硫處理，可有效的降低燃油脫硫第一產品和燃油脫硫第二產品的含硫量，利用壓縮機、電機、熱交換器、冷凝器等功能優勢，以及除硫環節中與含硫物質發生化學反應等特性，從而進一步降低船舶尾氣的含硫量，達到除硫降硫的功效。此外，為了進一步提升除硫降硫的效果，再次剩余的含硫油氣混合物經過壓縮機將低壓含硫油氣提升為高壓含硫油氣的作用，從吸氣管吸入低溫低壓的含硫油氣，通過電機運轉帶動活塞對其進行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的含硫油氣，然后進入含硫油氣處理器，使含硫油氣混合物進一步再次聚集轉換，分離剩余后的含硫濕油氣混合物通過干燥器凈化得到干燥油氣混合物，此時一般已處理降低了大部分含硫油氣混合物的濃度，可以通過含硫濃度檢測儀檢測硫的含量，若含硫油氣混合物已降低到小于0.10% (m/m)，符合國家環保要求，而這其中的含硫廢氣混合物則可以通過a排放通道由廢氣處理裝置再次處理之后，由含硫廢氣管道排出即可，此技術可有效的降低船舶尾氣的含硫量，且操作簡單，方便高效。

若含硫油氣混合物沒有降低到小于0.10% (m/m)，達到國家環保要求，可進一步進行除硫降硫處理，關閉a通道PLC自動閘口，打開b通道PLC自動閘口，將含硫油氣混合物通過b通道進一步除硫降硫，處理后的初級含硫油氣混合物可以通過含硫濃度檢測儀檢測硫的含量，若含硫油氣混合物已降低到小于0.10% (m/m)，符合國家環保要求，即可通過含硫廢氣排放口排放，若含硫油氣混合物沒有降低到小于0.10% (m/m)，此時關閉閘口，還可以再次進行除硫降硫處理，將含硫油氣混合物通過次級含硫油氣處理器，再次除硫降硫處理，然后循環處理含硫油氣混合物，直至處理后的初級含硫油氣混合物的含硫濃度通過含硫濃度檢測儀檢測硫的含量已降低到小于0.10% (m/m)為止，此技術可有效的保證排放的尾氣含硫量低于0.10% (m/m)，符合國家環保要求。

3.3 操作創新性及優勢分析

該船舶尾氣脫硫處理裝置所需要的組成構件大多數是標準通用件，操作簡單、科學安全且省時省力，同時該裝置的一些組成設備裝有PLC控制面板、壓縮機、熱交換器、冷凝器、含硫濃度檢測儀、PLC自動閘口等自動化元件，對相應設備起著自動控制，有效地減少了該裝置操作的工作量。

對于PLC控制面板、壓縮機、熱交換器、冷凝器、燃油脫硫除硫裝置、含硫油氣處理器、廢氣處理裝置、初級含硫油氣處理器、含硫濃度檢測儀、PLC自動閘口、次級含硫油氣處理器等自動控制部件，不但起著安全保護作用，而且還可以有效的避免壓力過高、氧氣濃度過高發生爆炸或火災等事故。

3.4 經濟創新性及優勢分析

該船舶尾氣脫硫處理裝置的工藝流程以及成本是可以估算及控制的，通過預脫硫處理、尾氣脫硫降硫處理以及多次循環除硫降硫處理，可以極大的降低尾氣中的含硫量，而且減少了每年因含硫環境污染治理的費用以及人工成本、機器成本的總費用，極大的節省了海洋環境治理的經濟支出。

4 結 語

現階段船舶燃料燃燒后仍有大量殘存的含硫油尾氣會排入大氣環境，嚴重影響大氣和海洋環境，以船舶尾氣脫硫裝置設計為研究對象，從船舶脫硫的技術角度分析，設計出了一種多級循環的脫硫降硫處理方式，經試驗驗證脫硫效果良好，可以有效的降低船舶尾氣中的含硫濃度，而且操作簡單，經濟環保。本文在含硫油氣混合物的智能化操作方面以及在燃燒供熱源循環利用方面仍需要進一步完善。