I型镁基混合式船舶烟气脱硫系统试验

李晓波，涂世恩，张西兆，金圻烨，朱向利，沈飞翔

（1. 上海船用柴油机研究所，上海 200090；2. 船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 200090）

0 引 言

针对船舶硫氧化物（SOx）排放导致的环境污染问题，《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL公约）附则Ⅵ修正案对船用燃油的含硫量进行了严格限制，提出了分阶段、分区域的控制措施。船舶SOx排放量完全取决于燃料中的硫含量，目前主要有3种措施能用来减少船舶SOx排放，分别是采用低硫燃油、采用替代燃料和使用废气洗涤系统（Exhaust Gas Cleaning, EGC）。采用低硫燃油存在供应能力不足、不利于柴油机喷射和润滑及价格较高等问题；采用替代燃料存在加注困难和投资成本高等问题。相对而言，船舶废气洗涤技术具有运营成本低、回收快和经济效益显著等优点，是一种应用前景广阔的SOx排放控制技术[1-2]。

船舶废气洗涤技术按使用的脱硫剂划分，主要有海水法脱硫、钠碱法脱硫和镁法脱硫等3种，其中I型镁法脱硫技术具有占用空间小、主体设备投资费用少、脱硫剂资源丰富和工艺运行稳定可靠等优点[3]。对此，结合成熟的陆用镁法脱硫技术和实船应用环境，搭建一套I型镁基混合式船舶烟气脱硫系统试验台架，开展脱硫系统关键设计参数（液气比、气速和喷淋层）对系统脱硫效率和压损影响的试验研究，并对脱硫系统在自动模式下的工作性能进行验证。

1 I型镁基混合式船舶烟气脱硫系统原理和组成

I型镁基混合式船舶烟气脱硫系统原理见图1。该脱硫系统主要由氢氧化镁（Mg(OH)2）浆液制备单元、废气洗涤单元和洗涤废液处理单元等3部分组成[4-5]。

1) Mg(OH)2浆液制备单元中的氧化镁（MgO）粉由吨袋投料系统计量输送至Mg(OH)2浆液罐，再与加热后的海水混合，经过一定时间的搅拌之后生成Mg(OH)2浆液，由浆液输送泵加注至缓冲罐内，加注量根据循环洗涤液的pH值来调节。

2) 废气洗涤单元主要包括脱硫塔、喷嘴、循环泵和缓冲罐等。洗涤液由循环泵加压之后输送至脱硫塔的喷淋层，可根据需要采用开式（海水）模式或闭式（镁碱）模式。脱硫塔共设置6个喷淋层，从下至上依次为第1～6层，各喷淋层都布置有喷嘴。洗涤液经过喷嘴雾化之后形成均匀喷雾覆盖脱硫塔内部。柴油机的排烟从底部进入脱硫塔之后向上流动，与塔内逆向流动的喷雾接触，烟气中的SOx与喷雾中的碱性物质发生中和反应，生成洗涤废液进入废液处理系统，经处理达标之后排放至舷外。

3) 洗涤废液处理单元包括进料单元、过滤单元、浓缩装置和压滤装置。洗涤废液经进料单元输送至过滤单元，在滤膜的作用下分离出一部分净水，生成的净水经检测达标之后排放至舷外，剩余的含颗粒杂质废水先依次经浓缩装置和压滤机之后形成残渣，再进行无害化处理或回收利用。

图1 I型镁基混合式船舶烟气脱硫系统原理图

2 I型镁基混合式烟气脱硫系统试验台架

I型镁基混合式烟气脱硫系统试验台架（见图2）在上海海事大学机舱综合实验室内搭建，适用的柴油机型号为 6S35ME-B9，额定功率为 3250kW，额定转速为 132r/min，100%负荷工况下的排气流量为25932kg/h。试验设备和仪器规格见表1。

图2 脱硫系统试验台架

表1 试验设备和仪器规格

脱硫系统开式模式试验使用的海水从洋山港西门塘岛处抽取，并由海水槽罐车运输至试验现场的海水池，供脱硫系统进行柴油机烟气洗涤使用。海水抽取点示意见图3，海水洗涤液的各项参数见表2。

图3 海水抽取点示意

表2 海水洗涤液的各项参数

I型镁基混合式烟气脱硫系统闭式模式试验采用的脱硫剂为Mg(OH)2浆液，由MgO粉加注海水洗涤液搅拌制成。试验所用的MgO为国产200目85%纯度的轻烧MgO粉，其主要化学成分见表3。

表3 MgO原料的主要化学成分

将含量为85%的MgO粉与海水按质量比1：4投入到Mg(OH)2浆液制备罐中，水化温度控制在45℃，搅拌3h制成Mg(OH)2浆液[6-7]。

3 关键设计参数对脱硫系统性能的影响

为优化脱硫系统的工作性能，对I型镁基混合式脱硫系统的脱硫系统液气比、塔内气速和喷淋层等关键设计参数进行试验验证。

图4 液气比对脱硫系统性能的影响

3.1 液气比对脱硫系统性能的影响

将脱硫系统切换至开式脱硫模式，柴油机工况稳定在100%负荷，使经过脱硫系统的烟气流量一定。通过改变脱硫系统的喷淋量来控制脱硫系统的液气比，脱硫系统的液气比分别调整为 0L/(N·m³)、7.0L/(N·m³)、8.0L/(N·m³)、9.0L/(N·m³)和 9.5L/(N·m³)，其中液气比为 0L/(N·m³)代表脱硫系统未喷淋，即对应柴油机原机SO2/CO2排放值，试验结果见图4。

从图4中可看出，随着脱硫系统液气比增加，脱硫塔出口烟气 SO2/CO2变少，脱硫效率提高。当液气比为9.5L/(N·m³)时，脱硫塔出口烟气SO2/CO2为2.06，脱硫效率达到98%以上。液气比增加可增大喷淋液中的碱性物质与烟气中SOx的接触面积，延长接触时间，提高脱硫效率。当液气比由9.0L/(N·m³)增加到9.5L/(N·m³)时，脱硫塔出口烟气中的SO2/CO2并无增加，这是由于随着液气比持续增加，喷淋液中碱性物质的量已超过烟气中SOx反应所需的量，因而继续增加液气比，脱硫效率提高程度变小。此外，液气比增加，脱硫塔内部的洗涤液喷淋量变大，向上流动的烟气遇到的逆向阻力增大，造成脱硫系统压损增大。

3.2 塔内气速对脱硫系统性能的影响

在开式脱硫模式下，保持脱硫系统的液气比为8.0L/(N·m³)，通过改变柴油机的负荷来调整脱硫系统的烟气量，进而改变脱硫系统的气速，不同烟气流速下脱硫系统的性能对比见图5。

由图 5可知，脱硫塔内烟气流速增加，脱硫效率由94.24%提高至96.04%，压损增加456Pa。气速增加可提升烟气中 SO2和喷淋液的气膜传质速率，加快喷淋液中碱性物质与烟气中 SO2的吸收反应，提高系统的脱硫效率；同时，气速增加会使脱硫塔内烟气向上流动的阻力增大，造成脱硫系统压损增加。

3.3 喷淋层对脱硫系统性能的影响

为探究喷淋层数量对脱硫系统的影响，将柴油机负荷控制在75%工况，保持液气比为9.5L/(N·m³)，改变喷淋层数量，对比分析脱硫塔出口烟气 SO2/CO2和脱硫系统压损，试验结果见图6。

由图6可知，喷淋层数由4层增加至5层，脱硫效率由95.9%提高至97.2%，脱硫系统烟气压损增加297Pa。在洗涤液喷淋量相同的条件下，喷淋层数量增加可改善脱硫塔内洗涤液喷淋的均匀性，增大柴油机烟气中 SO2与洗涤液中碱性物质反应的概率，提高脱硫效率。

图5 烟气流速对脱硫系统性能的影响

图6 喷淋层数量对脱硫系统性能的影响

4 自动模式下脱硫系统台架性能测试

根据关键设计参数对脱硫系统性能影响的试验结果优化脱硫系统的运行策略和控制参数，并对脱硫系统在自动模式下的工作性能进行验证，验证过程分为开式脱硫运行模式和闭式脱硫运行模式。

4.1 开式脱硫系统工作性能

图7为开式脱硫运行模式下脱硫系统的喷淋量和脱硫塔出口烟气SO2/CO2随柴油机负荷的变化过程。试验过程中脱硫系统的液气比维持在8.5L/(N·m³)左右，柴油机工况由怠速升至100%负荷。脱硫系统开始喷淋之后，烟气的SO2/CO2由104.30下降至4.26以下。随着柴油机工况的调整，脱硫系统的喷淋量及时自动调整，并稳定在4.30以下，喷淋过程中脱硫效率维持在95%以上。根据MEPC.184(59)的要求，采用SO2/CO2比值的方法确定废气中的硫含量，燃油含硫质量分数0.1%对应的SO2/CO2值为4.3[8]。脱硫系统运行过程中，脱硫塔出口烟气SO2/CO2远小于4.30，能达到规范对限值的要求。试验过程中，柴油机在不同负荷工况下运行，脱硫系统的压损均小于1500Pa。

图7 开式脱硫运行模式下脱硫系统的喷淋量和脱硫塔出口烟气SO2/CO2随柴油机负荷的变化过程

在开式脱硫模式下，分别对脱硫系统的进口海水和出口海水进行取样测试，结果显示，系统洗涤液排放满足法规要求（见表4）。

表4 开式脱硫进口海水与出口海水的水质对比

4.2 闭式脱硫系统工作性能

图8为闭式脱硫系统运行模式下洗涤液喷淋量和脱硫塔出口烟气SO2/CO2的变化过程。试验过程中，柴油机工况保持在75%负荷，液气比维持在 6L/(N·m³)左右，通过自动控制策略调整浆液加注量，将缓冲罐内喷淋液的pH值控制在7.1附近。试验过程中，当脱硫系统开始喷淋之后，脱硫塔出口烟气SO2/CO2由初始时的104.32显著下降，最终稳定在3.50左右，喷淋过程中脱硫效率维持在96%以上。闭式脱硫系统运行过程中，脱硫塔出口烟气SO2/CO2一直低于规范要求的限值4.3。

图8 闭式脱硫系统运行模式下洗涤液喷淋量和脱硫塔出口烟气SO2/CO2的变化过程

在闭式脱硫模式下，缓冲罐内的烟气洗涤废液经废液处理装置处理之后的 pH值为 7.1，PAH为18.1μg/L，浊度为4FNU，满足规范的排放限值要求。

5 结 语

1) 脱硫系统液气比增加，脱硫效率和压损都增大，当喷淋量达到柴油机排烟中SO2反应所需的碱性物质的量之后，继续增加液气比，脱硫效率趋于稳定，但会造成压损增大。

2) 增大脱硫塔内烟气的流速可改善脱硫塔内烟气中SO2与喷淋液中碱性物质的气膜传质速率，加快中和反应速率，提高脱硫系统的脱硫效率，增加脱硫系统烟气压损。

3) 脱硫系统喷淋层数增加，脱硫塔内洗涤液喷淋的均匀性提高，可加快SO2与碱性物质的反应速率，提高脱硫效率，但会增加脱硫系统的压损。

4) I型镁基混合式船舶烟气脱硫系统性能良好，在开式运行模式和闭式运行模式下均能有效脱除柴油机排烟中的SOx，脱硫效率达95%以上，脱硫处理之后的废气排放和废液排放满足规范规定的限值要求，且喷淋过程中脱硫系统的压损较少。