船舶尾氣海水脫硫模擬實驗研究

摘" " 要：文章采用實驗柴油機產生含硫尾氣模擬實船柴油發動機尾氣并以海水為去硫介質的方法，獲取脫硫裝置的脫硫功效變化曲線。本實驗脫硫裝置采用由文丘里初洗器和主塔區兩部分結構組成的噴淋塔，通過實驗觀察改變脫硫塔結構對脫硫效率產生的影響，以及海水PH值、液-氣比對于脫硫效率的作用。實驗發現，安裝文丘里初洗器可在初洗區脫除部分二氧化硫；加裝兩塊節流孔板后，其脫硫效率分別比加裝一塊和未加裝節流孔板時高5%與25%；海水PH值越大、液-氣比越高，脫硫效率越好。實驗結果表明安裝文丘里初洗器、增設雙層節流孔板、調整海水PH值均能提高脫硫效果；提高液-氣比也有助于提升脫硫效率，但其提升速率曲線上通常有一個拐點。

關鍵詞：船舶尾氣；海水脫硫；脫硫實驗

中圖分類號：U664.81 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Experimental Study on Desulfurization of Ship

Exhaust Gas with Seawater

ZHAO Wei，" JIANG Xiaoting，" ZHU Linglong

（ Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.，" Shanghai 200129 ）

Abstract： This article uses a diesel engine combustion tail to simulate ship exhaust， and uses a spray tower as a desulfurization device to explore the impact of changes in the structure of the desulfurization tower on desulfurization efficiency. Furthermore， the influence of seawater PH value and liquid to gas ratio on desulfurization efficiency is analyzed. Research has found that installing a Venturi primary scrubber can remove some sulfur dioxide in the primary scrubbing area. After adding two perforated gas distribution plates， the desulfurization efficiency is 5% and 25% higher than when adding one or no increase， respectively. Moreover， the higher the PH value of seawater， the larger the liquid to gas ratio， and the higher the desulfurization efficiency. Installing a Venturi primary scrubber， adding double-layer orifice gas distribution plates， and adjusting the PH value of seawater can all improve desulfurization efficiency. When the oxygen content in the exhaust gas is high， increasing the liquid to gas ratio also helps to improve desulfurization efficiency.

Key words： ship exhaust gas;" desulfurization of seawater;" desulfurization experiment

1" " "引言

船舶所需發動機功率往往比陸上運輸裝置大得多，因此其對大氣環境造成的污染相對更為嚴重。柴油機排放的尾氣中含有大量的硫氧化物，這是一種刺激性強、沒有顏色的有毒有害性氣體，易與血液及黏性液體結合，從而導致人員或動物慢性中毒，破壞其感覺器官。若此種氣體濃度達到一定值亦會損害呼吸系統，并引起酸雨，破壞生態系統平衡等問題，對農、林、漁業產生較強負面影響。而海水脫硫法是船舶使用的最簡易可行的方法之一。為掌握其脫硫規律，提高脫硫效果，有必要開展脫硫模擬實驗進行相關方面的研究。

2" " 實驗裝置

2.1" "供氣裝置

因燃油含有一定量的硫化物質，船舶運行時，其柴油發動機尾氣中含有相當量的硫氧化物氣體，其中二氧化硫氣體占比最大。本文選用R180型柴油機，配置引風機、輸送管道組成煙氣供應系統。柴油機將含硫量為51.6%的二甲基硫醚以及0#柴油作為燃料，產生與實船含硫尾氣濃度相當的煙氣。所選柴油機是單缸、臥式、水冷型發動機，渦流式燃燒室，缸徑與行程均為80 mm，排量為0.402 L，標定功率為5.67 kW，標定轉速是2 600 r/min。

2.2" "脫硫裝置

本次實驗脫硫裝置為噴淋塔結構，由文丘里初洗器和主塔兩部分組成，二者通過彎管相連。文丘里初洗器內設有一個噴頭，而主塔內則設有兩個噴頭，利用螺紋連接噴嘴及接管[1]。脫硫塔高1 341 mm，外徑與壁厚分別是230 mm與7 mm，主塔區尾氣進口外徑及出口外徑分別是110 mm與40 mm。主塔呈圓形，主塔內距其底部約286 mm、736 mm處分別設置一塊節流孔板，用螺栓固定在塔內支撐板之上，孔板直徑約為216 mm，其上分布約37個孔徑13 mm的圓孔。文丘里初洗器高度為1 020 mm，管徑最大值為110 mm，噴管管徑為55 mm，變徑角度為8°。主塔內向下噴射海水，海水與煙氣逆向相流，使其相互更充分接觸產生化學反應，實現高效硫脫。噴淋塔基本結構圖如圖1所示。

2.3" "測量裝置

實驗時需調整各個實驗裝置運行參數，并對其適時檢測。海水供給量可調節，其由流量計檢測；海水PH則使用PH計檢測，常用型號是CT-6 023，其測量范圍是0～14 ，精度誤差為±0.02；煙氣參數變化監測建議選用GH-62型多功能煙氣測試儀，此設備體積小、攜帶方便，可基于定位電解原理對煙道中存在的有害氣體進行檢測，能一體化監測煙氣溫度、流速以及流量等多種工況參數，可自動完成大氣壓測量，數據存儲容量可高達一萬組，并具備數據報表打印功能。

2.4" " 海水供給與廢水處理系統

海水供給系統組成：海水泵，海水儲槽，噴嘴及輸送管道。其功能是輸送海水作為脫硫裝置的脫硫劑。基于條件限制，本實驗采用人工海水替代天然海水，即按照相應比例在淡水中添加硫酸鎂、氯化鈉、氯化鈣等多種化學元素，調配出鹽度為3.34%的人工海水[2]。實驗之后，還需對廢水進行環保處理，滿足當地政府的環保規定。

3" " "實驗

3.1" "節流孔板影響

設置脫硫塔中節流孔板，可改善塔內尾氣分布情況。設置此結構有助于優化尾氣分布，降低尾氣在塔內的流速，提高氣-液融合度。

節流孔板與脫硫效率間的關聯性實驗。取脫硫塔的參數為：噴淋量3 L/min、煙氣進氣速度6.5 m/s，入口煙氣二氧化硫含量1 000 mg/m。在此條件下，可得到節流孔板設置數量與脫硫效率的對比關系圖（見圖2）。圖中顯示，安裝一塊或兩塊節流孔板，海水脫硫效率均有所提升，且安裝兩塊節流孔板后，海水脫硫效率提升幅度較大，整體上比未安裝時效率提高了25%，但比安裝一塊節流孔板時效率僅提高了5%。其原因可能是由于安裝兩塊節流孔板后，尾氣速度較之前更低，氣-液接觸的時間有所延長，氣-液兩相接合度更高，使脫硫效率得以提升。此外，所噴淋的海水在節流孔板上方形成了液膜，煙氣通過液膜進入脫硫區后，與海水之間的接觸面、接觸時間均有所增長，從而提高了海水吸收二氧化硫的效率。

3.2" "文丘里初洗器影響

脫硫裝置配置文丘里初洗器的目的是取代原始氣-氣換熱器結構，以減少結構尺寸，簡化尾氣處理系統，降低制作成本。因氣-氣換熱器的結構由多層導熱性良好的材質疊合而成，其由多層壓制有凹痕的導熱性好的金屬板片組裝在換熱器的內部，有兩路管道回路，一側管道通入熱源，另一側管道進入被加熱氣體，其整個結構比較龐大，制作成本也比較高。

在脫硫塔中安裝文丘里初洗器可以對進入脫硫塔的含硫氣體進行初步洗滌，去除其中較大顆粒的雜質和部分硫化物，減輕后續處理環節的負荷。降低氣體的溫度，使其達到更適合后續脫硫反應的溫度范圍，有利于提高脫硫效率，另可使氣體能夠更均勻地進入脫硫塔內部，保證脫硫反應在整個塔內均勻進行，提高處理效果的穩定性。采用安裝文丘里初洗器可促進氣-液接觸，降低壓損，且能提高除塵效果[3]。為掌握此結構與脫硫效率間的關系，可采用不同的二氧化硫初始添加濃度，對比初洗、一級脫硫、二級脫硫三個區的脫硫效果。

海水PH值一定時，海水量與尾氣出塔二氧化硫濃度之間呈反比關系，說明合理增大噴淋量利于提高脫硫效率。但噴淋量大于某值后，其對脫硫效率提升速度會逐步降低，這是由于海水吸收能力趨向于飽和[4]。

1）海水噴淋量影響

煙氣流量為32 m3/h，其初始二氧化硫濃度為2200mg/m3的條件下，對比各區脫硫效率發現，噴淋量越大，脫硫效率越高（見圖3）。這是由于噴灑量增大后，提高了液-氣比，氣相與液相可充分接觸反應，因而脫硫效果更佳。其中，二級脫硫區的脫硫效果最佳，這是由于二級脫硫區噴嘴單獨開啟，氣-液兩相接觸的時間更長，反應更加徹底，因而脫硫效率更高。圖中顯示，初洗區與一級脫硫區的脫硫曲線擬合度較高，說明二者脫硫效率差異不大。在噴淋量為3 L/min時，脫硫效率均達到65%左右。

兩層噴淋的反應區容積與脫硫效率關系值可知，兩層噴淋層的脫硫效率均大于65%。隨著反應區容積增大，脫硫效率增加速率沒有單層噴淋明顯。

對比相關噴淋條件，增加反應區容積可以使監測平面流場更加均勻，但同時噴淋層內的噴霧液滴的相互影響也會增加，從而影響脫硫效率提高。

噴淋層高度對脫硫率的影響有兩個因素：一是對流場的擾動；二是漿液滴的運動。首先，噴淋層高度越高，反應區容積變大，漿液在下降過程中，對流場擾動降低，造成流場均勻，這會使得脫硫效率提高。其次，漿液噴淋一段距離后，噴霧速度影響逐漸變小，從而呈現在重力與煙氣作用下的阻尼運動，其運動受到煙氣流動的影響將會變強，容易被煙氣攜帶而碰到壁面，也就是噴淋層過高將會導致漿液的利用效率下降，噴淋層高度的增加有可能會使二氧化硫的吸收降低。

鑒于以上二個因素，設計時應適當縮小主塔外形尺寸，降低主塔高度，可以提高脫硫效率。

2）工作模式影響

煙氣流量為32 m3/h，其初始二氧化硫濃度為1410mg/m3條件下，對比兩個脫硫區霧化噴嘴混合工作及單獨工作情況下脫硫效率的變化（見圖4，圖中混合工作工況是指初洗區、第一脫硫區和第二脫硫區同時工作的情況）。在氣體二氧化硫濃度和海水噴淋量恒定時，兩個噴嘴混合工作工況的脫硫效率最高，然后依次是第二脫硫區、初洗區與第一脫硫區。在海水噴淋量提升至3 L/min之前，初洗區的脫硫效率不如第一脫硫區高，而噴淋量高于該值后，初洗區的脫硫效率反超第一脫硫區，這是由于噴淋量增大后，文丘里湍流增長，增加了氣相與液相的接觸表面，為此提高了脫硫效率。實驗結果表明，設置文丘里初洗結構，對于脫硫效率具有提升作用。

3.3" "海水PH值影響

海水堿度PH值是影響脫硫效率的重要因素之一。碳酸氫根與碳酸根含量之和決定著海水堿度值。如果海水呈堿性，說明兩種離子出現了水解，如果海水堿度下降，則意味著海水PH值下降，說明脫硫效率也有所下降[5]。為清晰了解海水PH值對脫硫效率的影響進行了相關試驗，在初始二氧化硫濃度設為1590mg/m3、煙氣流量仍為32 m3/h的條件下展開試驗，得出海水PH值不同時脫硫效率變化曲線（見圖5）。圖中顯示，增大海水PH值，脫硫效率同步增長。在海水噴淋量在3 L/min以下時，海水PH越大，脫硫效率越快，而在海水噴淋量繼續增大后，脫硫效率的增漲幅度有所降低，這是由于液-氣比達到某值后，海水對二氧化碳的吸收能力將增強，從而影響海水脫硫提升幅度。

3.4" "液-氣比影響

在初始二氧化硫濃度取1 590 mg / m3、煙氣流量分別為25 m3 / h、32 m3 / h條件下，以人工海水作為脫硫劑。人工海水配方見表1所示。

在海水噴淋量相同時，煙氣量逐步增大，使液-氣比逐漸降低，此時脫硫效率也出現了同步降低的變化趨勢（見圖6）。當海水噴淋量不大于4 L/min，其脫硫效率的提升速度快，如繼續提高海水噴淋量，脫硫效率逐漸趨于穩定，增幅緩慢。這是由于煙氣量不變，海水噴淋量增加，液-氣比有所提高，增大了二氧化硫氣體與海水的接觸面積，二者反應更充分，因而脫硫效率更高。實驗數據顯示，在海水噴淋量由1 L/min提高至4 L/min時，液-氣比從1.875 L/m提高至7.5 L/m，此時脫硫率則由62.9%提升至98.5%。當噴淋量高于4 L/min后，雖然液-氣比繼續增大，但脫硫效率卻未出現明顯增長。因此，適當選用液-氣比，對提高脫硫裝置的最佳工作效率具有重要的作用。本實驗表明7.5 L/m是脫硫反應時的最佳液-氣比。

4" " "結語

本文采用模擬實船海水煙氣脫硫裝置，通過實驗獲取相關數據，從中分析、探索海水脫硫效率的影響因素，驗證設置節流孔板和加裝文丘里初洗器的作用。實驗結果表明，設置上述附屬設施均可提高脫硫效果，從而可減少主塔外型尺寸，特別是其高度，有助于提高該裝置的實用性。此外，增加海水的PH值、增加海水量均對脫硫效率有提升作用，但其脫硫效率-PH值和脫硫效率-海水量的關系曲線上均有一個拐點。如以該拐點作為脫硫裝置設計點，有益提高裝置工作能效。

參考文獻

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