唐漢成 陶漢中

南京工業大學能源科學與工程學院

0 引言

隨著經濟全球化發展的日益深入，船舶航運成為長距離運輸的最重要工具，在帶來便利的同時，船舶發動機排氣所引起的環境污染問題也是不可避免的[1-2]。船舶發動機的燃油通常采用重質燃油，SO2是排氣的主要成分，對大氣和海洋會造成嚴重的污染。近年來，隨著國際相關法律法規的逐漸完備嚴格，船舶廢氣脫硫已不可或缺[3-4]。

與陸地電廠廢氣固定源脫硫不同的是，在船舶脫硫中，需要考慮有限的空間、系統資本成本、能耗以及安裝的復雜程度。因此，本文采用已成熟完備的電廠濕法脫硫工藝作為基礎依據[5]，設計了混合式船舶廢氣脫硫系統，該系統可根據不同海域需求，自由切換開環式模式與閉環式模式。通過參數模擬分析，確定最佳性能參數，并簡要分析系統能耗成本。

1 系統脫硫工藝

圖1 為混合式船舶廢氣脫硫系統工藝流程，系統分為開環和閉環兩種模式，可根據需要自由切換。工藝流程過程闡述：切換到開環模式時，堿液單元關閉，打開海水泵，海水由泵機送至脫硫吸收塔，再通過噴嘴送至塔內各噴淋層。煙氣經煙氣冷卻器冷卻后，進入吸收塔，自下而上與吸收液逆向接觸，發生物理化學反應。脫硫后的廢液出塔后進入氧化罐，此時打開風機，對廢液進行氧化處理，處理后的海水經簡單調節溫度與pH 值后，直接排出舷外[6]。切換到閉環模式時，堿液單元開始運行，啟動循環回流泵。吸收過程與開環式相似，廢液出塔后經過氧化處理后，進入緩沖罐，經閃蒸處理一部分溶于液相的SO2氣體回到塔內繼續反應，剩余廢液進入工藝水箱，一部分進入后處理單元，另一部分經回流泵回到塔內重復利用循環脫硫[6]。

圖1 混合式船舶廢氣脫硫工藝流程

2 工藝流程模擬

2.1 系統參數

本文研究滾裝貨船正常行駛時采用3.5%重質燃油，根據理論計算[8]可得部分工程參數（表1、2）：

表1 煙氣成分

表2 煙氣性質參數

表3 為設計吸收液模擬工程參數表：

表3 吸收液性質參數

2.2 反應過程

本文設計混合式船舶廢氣脫硫系統進行廢氣脫硫主要包含以下反應式：

吸收塔內主要發生式（1）～（4）反應，廢液出塔后需要經過曝氣氧化處理后方可排出，故式（5）主要發生在工藝系統氧化罐內，同時可以根據模擬結果中SO32-的量計算得到氧化風機鼓風量，進而選型氧化風機。

2.3 模擬運行結果

通過對比軟件模擬兩種模式下系統脫硫前后煙氣參數的變化結果，可發現采用鹽度為35‰海水pH值為8.175 作為脫硫劑時，設計液氣比為6L/m3，煙氣出口中SO2濃度低于200PPM，達到排放要求，此時脫硫后廢液的pH 值僅為2.27，需要進行曝氣氧化處理及調節pH 值后方可達標排放。

當采用了0.015mol/L 的鈉堿溶液作為脫硫劑時，設計液氣比為5.5L/m3，煙氣出口中SO2濃度只有53PPM，達到了排放的要求，此時脫硫后廢液的pH 值為6.0 以上，廢液依次進入氧化緩沖閃蒸循環后處理單元。

3 工藝參數靈敏度分析

3.1 開環式模式

3.1.1 液氣比對于系統脫硫效率的影響

液氣比是脫硫系統中重要的工藝參數，能夠迅速有效調節系統整體脫硫效率。本文設計混合式船舶廢氣脫硫系統，切換為開環式模式時，煙氣SO2濃度3978 mg/m3，海水鹽度35，海水溫度20 ℃。具體如圖2所示開環式模式液氣比與系統脫硫效率及廢液pH 值關系。

圖2 開環式下液氣比與脫硫效率及出塔廢液pH 值關系

當液氣比極小時，海水堿度不足以脫除廢氣中大部分SO2，此時系統脫硫效率低。隨著液氣比增大，脫硫效率快速上升，當L/G 達到6.5L/m3時，脫硫效率已經逼近100%。從圖中還可以發現，當液氣比處于6～8之間時，這段曲線的斜率變化率很小，系統脫硫效率的增長趨勢也趨于平緩，此時已經達到脫硫極限。由此可知，液氣比增大，系統脫硫效率顯著提升，當液氣比增大到某一定值時，脫硫效率趨于平穩在一定范圍內，系統內部氣液兩相充分接觸，傳質面積基本不再擴大，系統整體脫硫效率受液氣比影響減小。

3.1.2 海水溫度、鹽度對于系統脫硫效率的影響

船舶正常運行時，海水溫度、鹽度是變化的，設計取定液氣比后，圖3、4 為研究海水溫度、鹽度對系統脫離效率的影響。

圖3 海水溫度與脫硫效率關系

如圖3 所示，隨著海水溫度升高，系統脫硫效率呈下降趨勢，出口煙氣中SO2濃度呈上升趨勢。當海水溫度為5 ℃時，脫硫效率達到最高，接近100%。而當海水溫度為30 ℃時，脫硫效率僅為83%，此時脫硫效率最低。當海水溫度高于20 ℃時，系統出口氣體中SO2的組分迅速升高，這是因為較高的海水溫度抑制了吸收塔內SO2的物理吸收過程，同時這一變化趨勢也符合亨利定律。

除了海水溫度，海水鹽度對系統脫硫效率也具有影響。為了討論海水鹽度對于脫硫效率的影響，如圖4可見，本文選取五種不同鹽度的海水，當系統液氣比變化時，研究海水鹽度對系統廢氣脫硫效率的影響。顯而易見，液氣比取定后，鹽度越高的海水脫硫性能越強。這是因為海水鹽度更高時，海水中HCO3-的濃度更高，化學反應吸收過程更強，所以系統的脫硫效率更高。

圖4 海水堿度與脫硫效率關系

3.1.3 煙氣溫度、濃度對于系統脫硫效率的影響

煙氣溫度與煙氣中SO2濃度是會隨著環境影響而變化的工程參數，圖5、6 為研究煙氣溫度、SO2濃度對系統脫硫效率影響的關系圖。

圖5 煙氣溫度與脫硫效率關系

如圖5 所示，煙氣溫度范圍在120～190 ℃，系統脫硫效率呈線性下降趨勢，但波動范圍不大。當煙氣從120 ℃升高至190 ℃時，脫硫效率降低，這是因為SO2在海水中的溶解度與溫度呈線性負相關。由圖6 可知，隨著煙氣中SO2濃度升高，脫硫效率先是緩慢降低而后迅速下降。這是因為，SO2濃度升高時，其所占分壓強增大，物理吸收過程增強。此時SO2濃度繼續升高，但物理吸收已經飽和，整體效率只由化學吸收（海水堿度）決定，故此時脫硫效率迅速下降。

圖6 煙氣中SO2 濃度與脫硫效率關系

3.2 閉環式模式

3.2.1 鈉堿溶液濃度對于脫硫效率的影響

本設計選取四種濃度鈉堿溶液，取定液氣比范圍在3～6 之間波動，圖7 為分析討論鈉堿溶液濃度對脫硫效率的影響。從圖7 可以看出，當液氣比相同時，更高濃度的鈉堿溶液具有更強的脫硫性能，對于同樣濃度的鈉堿溶液，系統脫硫效率一定范圍內隨著液氣比的增大而增大。當液氣比取定5.5 時，此時三種濃度鈉堿溶液已經達到脫硫極限。

圖7 鈉堿溶液濃度與脫硫效率關系

3.2.2 煙氣濃度對于脫硫效率的影響

從圖8 可以看出，選取三種濃度鈉堿溶液比較，隨著SO2濃度上升，整體系統脫硫效率呈下降趨勢，而濃度較高的鈉堿溶液受煙氣濃度變化影響更小。這是因為化學吸收過程要強于物理溶解吸收過程，與開環式海水法相比，閉環式鈉堿法的抗影響能力更強。

圖8 煙氣濃度與脫硫效率關系

3.2.3 鈉堿溶液溫度對于脫硫效率的影響

由圖9 可見，隨著溫度升高，系統脫硫效率呈下降趨勢，但幅度不大，從整體來看，數值變化不明顯。這就說明鈉堿溶液作為脫硫吸收劑時，系統的穩定性更強，化學過程占主導，鈉堿的脫硫高效性完全克服了溫度對系統的影響。

圖9 鈉堿溶液溫度與脫硫效率關系

4 脫硫工藝能耗成本分析

4.1 開環式能耗分析

開環式模式下，采用海水作為脫硫吸收液，由于海水的易獲得性故系統內不設置循環子系統。此時，系統主要能耗設備包含海水泵，煙氣風機，氧化風機和補給泵。軟件模擬結果如表4 所示：

表4 開環式模式系統主要能耗設備

除了耗電設備外，系統包含一部分公用工程設備，包括煙氣進口冷卻器，煙氣出口加熱器，及系統中部分溫控設備，10 圖為這些設備的公用工程消耗量。全系統采用雙公用工程，分別是冷公用工程：20 ℃冷卻水，熱公用工程：125 ℃低壓過熱蒸汽。

圖10 公用工程設備耗能關系

4.2 閉環式能耗分析

閉環式模式采用配置鈉堿溶液作為脫硫吸收液，鈉堿本身昂貴的價格就占據了運行成本的一部分。在正常運行條件下，本設計系統選配0.015mol/L 的鈉堿溶液作為脫硫吸收液，液氣比定為5.5，表5 為工況下系統脫硫設備功耗，表6 為工況下公用工程設備總成本（冷熱公用工程價格采用常規市場價格，20 ℃冷卻水價格為0.0005$/kg，125 ℃低壓過熱蒸汽價格為17.15$/ton）。

表5 閉環式模式系統主要能耗設備

表6 閉環式模式公用工程設備總成本

4.3 成本分析

根據模擬結果，綜合計算兩種模式下每公斤脫硫運行成本，耗電設備電費按工業用電價格計算，結果列于表7。

表7 兩種模式運行成本

如表7 所示，閉環式模式成本遠高于開環式，這是因為閉環式引入了循環子系統，同時公用工程消耗量大大增加，并且鈉堿溶液的價格也較為昂貴。但在實際工程中，低壓蒸汽一般由船舶自身供暖鍋爐提供，其生產成本遠低于直接采購成本，因此采用本文設計混合式船舶廢氣脫硫系統，其運行成本是低于直接使用低硫油的運行成本。

5 結論

本文設計一種船舶混合式脫硫工藝系統，在開環式模式下，以海水為脫硫劑，運用靈敏度分析考慮液氣比、煙氣溫度、煙氣濃度、海水溫度、鹽度等因素對系統脫硫效率及廢液pH 值的影響。在船舶發動機正常運行工況下，采用6L/m3液氣比，既能滿足排放要求，又具有最優經濟性。對于出塔廢液調節pH 值到5.5 即可排出，可有效保護海洋生態環境。在閉環式模式下，以鈉堿溶液作為脫硫劑，根據參數分析，選取鈉堿溶液濃度為0.015mol/L，液氣比為5.5，循環流量大于95%，此時，系統的效益比最高。

根據能耗成本分析，開環式模式下海水法的成本最低，閉環式模式下鈉堿法的成本遠高于海水法，但脫硫性能與系統穩定性均強于開環式模式，但結合實際工程經驗，鈉堿法運行成本與直接燃用低硫油相比較低。

此外，船舶廢氣脫硫系統還有很多復雜的問題需要解決，其在未來仍然具有強勁的商業價值。