基于電解海水法的船舶廢氣脫硫脫硝裝置設計

劉川風，趙 淼

（南通理工學院，江蘇南通 226002）

0 引言

在世界貨物運輸中，海洋運輸因具有運量大、安全、經濟等優勢而備受青睞，海運船舶數量隨之急增，繼而帶來了嚴重的大氣污染和海洋污染。由于船舶柴油機通常燃燒較為劣質的重油，會釋放出污染物成分復雜的尾氣，包括NO、SO、CO、HC和PM等，這些污染物主要以NO和SO為主，它們也被國際海事組織（International Maritime Organization，簡稱：IMO）列為首要控制的船舶尾氣污染物。尾氣中的NO主要包括NO、NO、NO、NO等，其中NO占90 %以上。NO在空氣中容易氧化為 NO，會對人體的心臟和肺產生毒害作用。SO中95 %為SO，SO僅占5 %。SO對人體健康有直接的損害，也是酸雨的主要成因，對生態環境有嚴重影響。

目前大多數船舶尾氣處理廠家開發的設備只能單獨脫硫或單獨脫硝，與傳統單一的脫硫或脫硝裝置相比，本文所述的設計將兩者相結合，將脫硫脫硝的反應過程集中在同一塔體內，不僅能夠達到改善空氣環境的目的，而且有效減少裝置的占地面積、解放空間、降低脫硫脫硝裝置的制作成本。

1 電解海水的原理

1.1 電解海水法脫硫

SO極其容易溶于水，進行水解反應時會產生HSO和 SO，接下來可繼續氧化成 SO，所以SO經過水解、氧化和吸收這3個步驟可以基本上被脫除掉，主要的反應方程式見表1。而且，海水中存在的固有堿度（HCIO）對廢氣中的SO也有比較好的脫除效果，具體的反應方程式見表1。

表1 電解海水法脫硫

1.2 電解海水法脫硝

NO由于溶解性小，氧化過程受其在液膜中吸收速率的控制，當被成功氧化為NO后，再經堿液吸收去除則非常容易，主要去除途徑見表2。

表2 電解海水法脫硝

1.3 電解海水裝置

電解海水的核心單元為隔膜電解槽。隔膜電解槽由隔膜、陰極腔以及陽極腔組成。考慮到腔體的材料需要有一定的化學穩定性以及耐候性，最終選擇有機玻璃作為腔體材料。陰極腔和陽極腔內分別固定陰、陽催化電極，電極有效面積均為150 mm×80 mm，陰極采用鎳電極，陽極材料采用涂釕鈦，因為它的電極很穩定，時間久了鍍液也無改變。陰極腔與陽極腔由隔膜分開，隔膜采用陽離子交換膜。

2 脫硫脫硝方案裝置設計方案

2.1 設計思路

本方案的脫硫脫硝裝置沿用傳統的脫硫塔形式，在此基礎上，為了達到既要脫硫又要脫硝的目的，選擇在塔體的中間設置一道中間隔板，塔體內隔板兩邊分別進行脫硫和脫硝，把脫硫脫硝反應集中在一個裝置內進行，從而實現一體化脫硫脫硝。另外，隔板的下端設有進氣口，使氣體能夠分別在左右兩個空間運動，從而使脫硫結束后的廢氣可以順著進氣口進入右側進行脫硝反應。

為了增加溶液與氣體的接觸面積，考慮將溶液霧化后再進行噴淋，因此需要設置噴淋層。霧化后的溶液收集于塔體下部的溶液收集室，采用不規則形狀，頂板設計成傾斜形式的板，在傾斜板的下端設有一個開關閥以便控制溶液的流出速度。

2.2 整體方案

脫硫脫硝一體化裝置的結構如圖1所示。

圖1 船舶廢氣脫硫脫硝裝置設計

2.3 實施步驟

首先海水淡化裝置同時產出淡水和濃縮的海水，濃縮的海水進入沉淀室進行沉淀，接著沉淀過的濃縮海水進入隔膜電解池，進行隔膜電解反應，生成氧化液和堿性溶液。這2種溶液分別進入儲液室。

船舶柴油機燃油燃燒產生的煙氣通過管道進入氣熱交換器，氣熱交換器給船舶廢氣降溫，船舶廢氣的溫度降到50 ℃～140 ℃，經過降溫后溫度達標的廢氣再經過除塵器，除去粉塵和顆粒物，隨后通過塔體左側上方的進氣管，進入塔體左半部分，此時第一噴淋層開始進行霧化，該噴淋層連接著由電解海水所生成的氧化液，大量的氧化液通過管道進入第一噴淋層，進入塔體左半部分與降溫后的廢氣進行化學反應，反應后的廢氣通過中間隔板處的進氣口進入塔體的右半部分，第二噴淋層開始工作，第二噴淋層連接著堿性溶液與廢氣進行反應。并且，第二噴淋層下方設有填料層，可增加廢氣與堿性溶液的接觸時間，提高反應效率。此時船舶廢氣的脫硫脫硝工作全部完成，廢氣繼續向上升，經過除霧器的除霧，使其變得干燥，最后達到排放標準，進行排放。

脫硫脫硝裝置工作時，第一開關閥與第二開關閥同時開啟，底部的傾斜隔板有利于提高廢液流進儲液室的速度。當廢液收集室灌滿后自動關閉開關閥，同時開啟第三開關閥，廢液排出。

該方案的實施流程如圖2所示。

圖2 船舶廢氣脫硫脫硝方案的實施流程

3 脫硫脫硝裝置內部結構

3.1 噴淋器的選擇

霧化后的液體可以增加與廢氣的反應時間，為了使廢氣能更好地與溶液發生反應，采用霧化噴淋器噴淋反應溶液。目前市面上的霧化噴淋器噴嘴主要有壓力式、旋轉式、氣泡式、靜電式等，見表3。

表3 噴嘴類型及特點

綜合各因素的考慮，最終選擇旋轉式噴淋器。旋轉式噴嘴如圖3所示。

圖3 旋轉式噴嘴

3.2 填料層的選擇

對比市場目前常見的填料，發現矩鞍環填料的結構有利于液體分布，并具有高密度特點和優異的耐酸、耐熱、耐腐蝕性能，因此，填料層選擇矩鞍環填料。

4 脫硫脫硝裝置的有益效果

該脫硫脫硝一體化裝置具備以下優勢：

1）能夠達到同時脫硫脫硝的效果，實現船舶尾氣的一體化處理；

2）成本低廉，經濟效益好，處理后的廢棄物均為無污染物，可排入海洋不造成污染；

3）一體化設計能減少占用空間，提高空間利用率；

4）采用噴淋和填料相混合的結構形式，提高脫除效果。

5 結論

這套方案將海水淡化、電解海水與廢氣的脫硫脫硝相結合，主體以塔式為主，通過在塔體中間設置中間隔板的方案，將脫硫脫硝的反應場所控制在同一裝置內，不僅有效減少脫硫脫硝裝置的占地面積，還減少裝置的制作成本。最后通過對內部結構的選擇，最終得到較為合理的基于電解海水的脫硫脫硝裝置。但是，面對目前的市場情況，基于電解海水發的脫硫脫硝裝置設計方案能否真正得到應用與實施，還需進一步研究。