船舶煙氣海水脫硫吸收塔工藝研究與設計

馮森森，張尚文，文曉龍，王海鵬，張兵

（上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518）

從2019年1月1日起，我國將對整個領海的硫含量限制在0.5%以內。特別是2018年10月1日起，長三角領海（距海岸22.224 km）對船舶實施0.5%的硫排放上限要求[1-3]，全球各大船舶公司都在尋求解決辦法，其中，安裝脫硫系統是最經濟、最快捷的辦法。在海水脫硫系統中，吸收塔效率的高低決定該系統性能的優劣，所以填料塔的設計尤為重要。目前國內對于散堆填料都有相應計算公式和實驗結果，而對規整填料，尤其是對Mellapak的填料層高度計算較少。在國內的相關填料手冊中[4-5]，均是首先針對填料塔類型、高度等方面進行計算，而填料塔的傳質過程多是針對設計好的填料塔進行后評價，對調料本身的設計過程無參考價值。因此文中考慮填料的傳質過程，就常壓塔Mellapak填料做了傳質計算，對海水脫硫吸收塔做了合理設計，并同時考慮填料吸收和噴淋相結合的方式對噴淋塔的工藝進行了分析。

1 海水脫硫吸收塔的工藝設計

從上述反應可以看出，海水脫硫是基于海水堿度和海水酸堿平衡緩沖能力，將煙氣中的SO2最終以硫酸鹽的形式重新排向大海[10-11]。因此設計船舶煙氣海水脫硫吸收塔，對船舶海上煙氣脫硫處理具有十分重要的意義。

目前二氧化硫處理塔主要分為噴淋吸收塔、填料吸收塔、噴射鼓泡反應器和雙回路塔四大類。本文中綜合考慮噴淋吸收塔和填料吸收塔兩種類型，從塔徑、填料層高度、噴嘴數量與布置方式、除霧裝置4個方面進行了設計。

1.1 物料守恒計算

海水的pH值一般為7.8～8.3，呈弱堿性，而海洋本身就是一個具有天然堿度的巨大酸堿平衡緩沖體。海水法煙氣脫硫工藝就是利用海水這一特質脫除煙氣中的SO2，海水吸收煙氣中的SO2，海水的pH值下降，吸收SO2后的海水在吸收塔塔底進行曝氣和水質恢復，已恢復海水滿足海水達標排放的要求，進行排放[6-8]。

海水脫硫工藝主要由煙氣處理、曝氣及水質恢復過程組成。海水吸收煙氣中的SO2，其化學反應為：SO2+H2O→HSO3?+H3O+，HSO3?→SO32?+H3O+。因海水具有酸堿緩沖能力，所以脫硫后的海水在吸收塔底部或曝氣池中發生海水酸堿自調節反應，海水的pH值逐漸恢復。反應中產生的亞硫酸根離子，在吸收塔下部或曝氣池中，被鼓入的空氣氧化成穩定的硫酸根離子[9]。

船舶煙氣主要成分及摩爾分數見表1，計算相關參數如下。

表1 煙氣成分以及摩爾分數 Tab.1 Flue gas composition and mole fraction

混合氣體的平均摩爾質量：

混合氣體的平均密度：

式中：P為標準大氣壓；R為氣體的平衡常數；T為溫度。

吸收塔物料衡算示意見圖1。V和L分別為氣液摩爾流量，x和y分別為液體和氣體的摩爾濃度，y1和y2分別為氣相進出口SO2的摩爾濃度，x2和x1分別為液相進出口SO2的摩爾濃度，H為填料層高度。

圖1 吸收塔物料衡算示意 Fig.1 Diagram of material balance in absorption tower

假設在初始時刻，液相中無SO2，塔底氣相入口處SO2的摩爾分數為y1=6.8×10?4。當SO2的吸收效率η=96%，可得此時y2=2.72×10?5。

根據相平衡數據計算得相平衡曲線[12-13]，與y1=6.8×10?4相平衡的液相二氧化硫的摩爾分率x1=12.36×10?5，操作線為y=5.28x+2.72×10?5。

在低濃度吸收過程中，塔內氣液濃度變化小，可以認為氣體和液體沿塔高的流量變換不大，可用摩爾比來表示溶質濃度[14-15]：

式中：L、G分別為液體、氣體的質量流量，kg/h；

船舶柴油機的煙氣量為1.2×105kg/h，可求得液相流量L=628 760.33 kg/h。因此通過在操作線與平衡線之間的階梯圖解得：NT=2.6。

1.2 塔徑設計計算與校核

對于填料塔內氣體的擴散可根據貝恩-霍根公式計算[16]：

式中：ugf為泛點空塔氣速，ugf=3.06 m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；a/ε3為干填料因子，其中a=125 m2/m3，ε=98.5%；μl為液相黏度，文中海水（30 ℃）取μl=0.8 mPa·s；ρl、ρg分別為液體、氣體的密度，kg/m3；A為關聯系數，與填料塔形狀和材料有關，金屬孔板波紋填料A=0.291。

取空塔氣速為泛點氣速的80%，則u0=2.45 m/s，因此塔徑為[17]：

式中：VS為船舶柴油機的煙氣量。因此計算塔徑DT=3.76 m，取整為3.8 m。

通過塔器實際泛點率和噴淋密度進行塔徑校核。

1）泛點率。計算實際空塔氣速u=2.02 m/s，因此校核實際泛點率為66.01%，滿足塔器設計要求（50%～80%）。

2）噴淋密度。對于光亮不銹鋼等金屬，最小噴淋密度Umin=3.0 m3/(m2·h)。計算該塔的噴淋密度[18]：

滿足最小噴淋密度要求。

經以上校核可知，該塔直徑DT=3.8 m合適。

1.3 填料層高度計算

選擇合適的填料是填料塔設計的關鍵，不僅需要符合工藝要求，而且要節省系統投資和工程成本。從填料傳質效率、填料層通量、填料層壓降及操作性能等綜合考慮，選擇金屬孔板波紋填料，具有結構緊湊、壓降小、處理能力大、傳質效率高和比表面積大等優點[19]。

針對海水脫硫吸收塔，采用常壓金屬孔板波紋填料（Mellapak）塔，其中金屬孔板波紋填料為125Y，相關參數見表2。根據Rocha提出的SRP(II)模型[20-21]，計算金屬規整填料的等板高度（HETP）。

表2 Mellapak塔基本參數 Tab.2 Basic parameters of Mellapak tower

計算填料塔內氣膜傳質系數：

式中：Uge為填料內有效的氣相流速；Ule為填料內有效的液相流速；Dg為氣相擴散系數，SO2在混合氣體中的擴散系數Dg=1.87×10?5m2/s。

計算有效加速度：

計算操作持液量：

式中：Uls為空塔液相流速，Uls=0.015 m/s。

因此計算填料塔內有效的氣相和液相流速：

式中：Ugs為空塔氣相流速，Ugs=4.1 m/s。

因此，填料塔內氣膜傳質系數為：

液膜傳質系數為：

填料塔有效比表面積可通過式（14）計算：

式中：Fse為填料因表面溝槽、突起等導致的表面增強因子，對于常壓金屬孔板波紋填料，Fse=0.35；γ為固液間接觸角度，與液體的表面張力有關，這里取值：cosγ=0.9（σ<0.055 N/m），cosγ=5.211×10?16.835σ（σ>0.055 N/m）。

因此填料塔有效比表面積ae=168 m2/m3。

填料的總傳質高度為：

因此最終確定填料等板高度為：

式中：λ為平衡線斜率與操作斜率之比。

1.4 液體噴嘴數量計算

為了在填料表面形成液膜，提供氣液傳質表面，在填料塔填料層上部安裝了噴淋裝置。與管式和槽式噴淋裝置相比，噴嘴式噴淋裝置具有結構簡單，液體分布性能好、能耗低、操作簡單等優點。脫硫填料塔的噴淋裝置選擇噴嘴式的噴淋清洗煙氣。

噴嘴數量計算：

式中：ψ為覆蓋率，取200%或220%；d為噴嘴在噴射距離1m處的噴射直徑，m。

計算噴嘴數量可得，n=8.8，通過圓整，填料塔內選用9個噴嘴。

1.5 除霧裝置設計

氣體離開填料塔，會攜帶一部分液沫，因此在氣體出口處安裝除霧裝置。折形葉片除霧器因壓降小，除霧效率高，用于脫硫塔煙氣清洗后除霧，垂直流過折形葉片的最大氣速：

式中：u為通過折形葉片的最大氣速，m/s；k為速度常數，通常取0.085～0.107。文中取k=0.107，則通過折形葉片的最大氣速u=3.06 m/s，計算所需除霧板組的橫截面積為9 m2。

根據上述計算，最終確定文中船舶煙氣海水脫硫吸收塔的設計參數和工藝參數見表3。

表3 船舶煙氣海水脫硫吸收塔的設計參數和工藝參數 Tab.3 Design and technical parameters of ship flue gas desulfurization absorption tower

2 煙氣流量對液體噴嘴布置的影響

2.1 物理模型和數學模型建立

計算域為豎直入口煙道至脫硫塔出口區域，按照填料塔的設計參數，建立全尺寸的三維模型。底部設計進氣管路，塔中填料層用多孔介質代替，考慮其整流作用和壓降，幾何模型如圖2a所示。采用 Ansys Fluent Meshing 網格工具，進行多面體網格劃分，并對噴淋層及噴嘴區域進行局部網格加密，對不同網格數量（27萬、32萬和45萬）進行網格獨立性測試，最終確定網格數量為32萬，如圖2b所示。

圖2 填料塔模型及網格劃分 Fig.2 Packed tower model and grid division: a) geometric model; b) meshing

模型選取和邊界條件設置時，考慮以下幾點：選用 standardk-ε模型模擬塔內的湍流流動；多相流模型選取歐拉模型；選用組分輸運模型計算煙氣中的輸運和擴散；填料層采用各向異性多孔介質模型進行簡化；煙氣入口設置為質量入口條件，出口設置為壓力出口條件；海水噴淋選用離散相模型進行模擬；由于流速較快，在求解過程中選用耦合進湍流求解模塊。

2.2 噴嘴開啟方式分析

船舶柴油機的煙氣量為1.2×105kg/h，入口煙氣溫度為 120～130 ℃，入口煙氣速度為 2.6 m/s，每個噴嘴的最小噴淋密度為3.0 m3/(m2·h)。考慮到煙氣中SO2濃度的變化，并且保證SO2處理徹底，因此在整個塔中設置4層液體噴嘴。

根據脫硫塔的設計結果，計算塔內壓力分布。

除霧器阻力為：

總壓降為：

在船舶鍋爐中，如果選擇含硫量較低的煤，或者摻雜其他優質燃料，那么文中所處理的煙氣含硫量必然會大幅度降低。因此，設置含硫量濃度降低為原來的1/2，即1000 mg/(N·m3)（SO2摩爾分數為3.4×10?4），進行脫硫工況模擬，優化噴淋層的啟停工藝，從而降低船舶脫硫的運行費用。

不同噴淋層投用情況組合及噴淋量對脫硫效果的影響如圖3所示。當不改變每層的噴淋量而關閉噴淋層時，出口處SO2的濃度為60～100 mg/Nm3。其中投用第1、3層時，效果最好，而投用第3、4層時，效果最差。同時，從理論上來說，當增加噴淋量時， 能夠有效降低二氧化硫濃度。從數值計算結果可以看出，當噴淋量提高10%時，脫硫塔出口SO2濃度降低至40 mg/(N·m3)；而當提高20%時，投用1、3或1、2層，均能滿足35 mg/(N·m3)的排放指標，但是投用3、4層時，排放值仍高達70 mg/(N·m3)。

圖3 投用層組合與噴淋量對脫硫效果的影響 Fig.3 Influence of combination of operating layer and spraying amount on desulfurization effect

投用不同噴淋層產生的脫硫效率差異可以通過塔內流場分布來分析。不同噴淋層投用方式下，塔內SO2濃度分布和速率分布云如圖4和圖5所示。當投用第3、4層時，塔內SO2濃度分布非常不均勻，在偏離進口煙道的區域，SO2濃度過高。原因是當使用1/2層噴淋層時，脫硫塔下部噴霧對煙氣的均流作用變差，導致煙氣在塔內速度分布不均，外側煙氣流速過高，因此該區域煙氣停留時間縮短，使脫硫效果惡化。當投用第1、3層時，由于第1層的漿液噴霧首先對煙氣進行了均流，流場分布均勻性比投用第3、4層時大幅提高。此時，塔內SO2能夠被均勻脫除，達到較高的脫硫效率。

圖4 投用不同噴淋層時SO2濃度分布 Fig.4 Distribution of SO2 concentration when applying different spray layers: a) applying 3rd and 4th tayers; b) applying 1st and 3td tayers

圖5 投用不同噴淋層時流速分布 Fig.5 Distribution of flow velocity when applying different spray layers: a) applying 3rd and 4th tayers; b) applying 1st and 3td tayers

3 結論

1）在船舶柴油機的煙氣量為1.2×105kg/h、SO2的摩爾分數為6.8×10?4的條件下，從塔徑（3.8 m）、填料層類型（Mellapak）和高度（1.01 m）、液體噴嘴數量（9個）、除霧裝置（9 m2）4個方面對船舶海上用填料塔進行了相關參數設計和計算，設計得到的填料塔總壓降為961 Pa，除霧器阻力為122 Pa。

2）如果脫硫塔入口SO2摩爾分數降低為3.4× 10?4，則可以只投用第1、3層，或第1、2層，并將每層噴淋量增加20%，可使排放值低于35 mg/(N?m3)。