劉國臣，李鎮(zhèn)宇，趙 超，王廷勇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101)

隨著國際社會海洋生態(tài)環(huán)境保護意識增強，相關(guān)船舶污染防治法規(guī)也日益嚴苛，根據(jù)國際海事組織(IMO)MARPOL 73/78公約附則VI《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》要求，2020年1月1日后在全球海域航行的船舶燃油硫含量不得超過0.5%，而在硫排放限制區(qū)(SECA)航行的船舶則不得超過0.1%[1]。

船舶廢氣脫硫系統(tǒng)(EGCS)作為符合“限硫令”規(guī)范要求的等效后處理技術(shù)，在船舶尾氣處理中得到了廣泛應(yīng)用，但由于脫硫塔在船舶領(lǐng)域應(yīng)用時間尚短，不可避免存在設(shè)計和運行問題，其中系統(tǒng)壓損問題，不僅會增大船舶主機的排氣背壓，降低燃燒效率，而且會影響柴油機運行安全，所以對系統(tǒng)壓損影響因素和控制措施的研究具有重要意義。

1 壓損問題分析

典型的復(fù)合濕法船舶廢氣脫硫系統(tǒng)如圖1所示，主要包括煙氣洗滌塔，洗滌水供應(yīng)單元，廢水處理單元，堿液供應(yīng)單元，排氣單元和水質(zhì)、煙氣分析儀器等。在開環(huán)運行模式下，洗滌液使用天然海水，閉環(huán)模式下使用NaOH堿液，船舶柴油機或鍋爐產(chǎn)生的煙氣流經(jīng)洗滌塔，經(jīng)吸收脫除硫氧化物(SOx)后排出。

圖1 船舶廢氣脫硫系統(tǒng)示意圖

在船舶廢氣脫硫系統(tǒng)臺架試驗中，樣機脫硫系統(tǒng)采用復(fù)合濕法脫硫技術(shù)，洗滌塔采用U型填料塔，測試采用鮑爾環(huán)和矩鞍環(huán)填料，并包括Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種規(guī)格尺寸(Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ)，試驗主機為MDT 6S35ME-B9.5型低速柴油機(3570kW@ 142RPM)。按照系統(tǒng)設(shè)計要求，系統(tǒng)最大壓損應(yīng)小于1500 Pa，且不高于適配主機允許排氣背壓，但在初期試驗中，采用800mm高度，Ⅰ型鮑爾環(huán)填料時，各運行負荷下系統(tǒng)壓損均高于理論計算值，且高負荷下超過主機允許排氣背壓，具體情況如表1所示。

表1 初始工況下脫硫系統(tǒng)壓損

在100%和75%主機負荷工況下，系統(tǒng)壓損均高于主機的允許排氣背壓，這會導致柴油機排氣阻力增大，排氣不暢而影響動力和經(jīng)濟性，使發(fā)動機燃燒效率下降，燃油消耗升高，排放質(zhì)量惡化。試驗系統(tǒng)通過引風機輔助排氣保證柴油機運行，但會增加系統(tǒng)能耗，影響塔內(nèi)流場，因此分析脫硫塔壓損影響因素，優(yōu)化控制措施，減小系統(tǒng)壓損至關(guān)重要。

2 壓損影響因素分析

相關(guān)研究表明，洗滌塔噴淋區(qū)和進出口區(qū)是脫硫系統(tǒng)壓損的主要區(qū)域[2]，洗滌塔類型、煙氣進出口形狀、除霧器結(jié)構(gòu)、填料層參數(shù)、霧化粒徑、煙氣流速、洗滌液成分和噴淋量等均是系統(tǒng)壓損的影響因素[3-4]。

2.1 洗滌塔結(jié)構(gòu)類型影響

陸用脫硫洗滌塔技術(shù)已日趨成熟，發(fā)展出多種工藝類型，但限于船舶廢氣脫硫系統(tǒng)存在空間和安裝受限，操作和維護困難等問題，目前常用的洗滌塔型式多為U型填料塔或I型噴淋塔。

由于U型填料塔采用了U型副塔結(jié)構(gòu)，會影響煙氣的自由流動路徑，一定程度上存在壓損偏大問題；同時塔內(nèi)填料的存在，也會增大系統(tǒng)壓損，由填料層產(chǎn)生的壓損是造成系統(tǒng)壓損的主要因素。但實船經(jīng)驗表明，由于脫硫系統(tǒng)具有煙氣洗滌過程短，船舶晃蕩擾動塔內(nèi)環(huán)境，功率負荷變化導致煙氣量多變等特點，會大大影響I型噴淋塔流場分布，進而影響脫硫效果穩(wěn)定性。另外，由于噴淋塔需要多層高效霧化噴頭，設(shè)計復(fù)雜，存在除霧困難，硫氧化物再析出等問題。

U型填料塔利用填料層上形成的液膜吸收煙氣中硫氧化物，因此具有更高的脫除效率，同時具有設(shè)計簡單，預(yù)冷控制方便，煙氣分布均勻和脫硫效果穩(wěn)定等優(yōu)點，更適用于船舶廢氣脫硫系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^改進主副塔連接結(jié)構(gòu)形狀，以減小煙氣經(jīng)過時由于擴張、轉(zhuǎn)向和收縮造成的局部阻力，優(yōu)化塔內(nèi)流場，從而減小塔內(nèi)局部壓損。

2.2 塔內(nèi)構(gòu)件影響

洗滌塔內(nèi)部構(gòu)件壓損是造成系統(tǒng)壓損的關(guān)鍵因素，其中除霧器和填料層是產(chǎn)生阻力的主要部件，除霧器的類型和尺寸，填料的類型、規(guī)格和填料層高度等均會影響系統(tǒng)的壓損情況。

研究表明，在陸用脫硫塔系統(tǒng)中，改變除霧器的結(jié)構(gòu)類型，能夠明顯影響系統(tǒng)壓降[5-6]。但船用脫硫塔受高度限制，頂部空間有限，多采用傳統(tǒng)的平板式除霧器，結(jié)構(gòu)尺寸簡單，阻力壓損較小，試驗中采用葉片間距30mm的一級平板式除霧器，設(shè)計壓損僅為20 Pa，對系統(tǒng)壓損影響很小。

臺架試驗結(jié)果表明填料層的壓損，是造成系統(tǒng)壓損的主要因素，通過優(yōu)化填料類型、規(guī)格和填料層高度，均能減小系統(tǒng)壓損。如圖2所示，洗滌塔在初步改造后采用1300mm高度，Ⅱ型鮑爾環(huán)填料時，各負荷工況下系統(tǒng)壓損均有明顯降低，100%負荷下的系統(tǒng)壓損也接近設(shè)計要求的低于1500 Pa標準，但在100%和75%負荷下系統(tǒng)壓損仍略高于配套主機的允許排氣背壓。

圖2 填料優(yōu)化前后系統(tǒng)壓損比較情況

臺架試驗也分別測試了100%負荷下，填料類型、填料規(guī)格和填料層高度對系統(tǒng)壓損的影響情況，不同填料參數(shù)下具體對比結(jié)果如圖3所示。比較1500mm填料層高度下，采用Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型規(guī)格鮑爾環(huán)時的系統(tǒng)壓損可以看出，填料規(guī)格對系統(tǒng)壓損影響較大，系統(tǒng)壓損隨填料規(guī)格減小而增大，特別是在Ⅰ型規(guī)格時壓損增加明顯，因此在維持足夠比表面積，以保持脫硫效率的情況下，適當增大填料規(guī)格有利于減小系統(tǒng)壓損。在填料類型和規(guī)格相同情況下，比較不同填料層高度下系統(tǒng)壓損可以看出，減小填料層高度有利于減小系統(tǒng)壓損，但同時需要保證有足夠的填料表面來附著液膜，以保證脫硫效率。此外，分別對比采用Ⅱ型規(guī)格下鮑爾環(huán)和矩鞍環(huán)填料時的系統(tǒng)壓損可以證明，矩鞍環(huán)填料結(jié)構(gòu)具有更小的壓損。

圖3 不同填料參數(shù)下系統(tǒng)壓損

2.3 洗滌液影響

洗滌液成分和質(zhì)量也是影響系統(tǒng)壓損的因素，研究表明，洗滌液存在易結(jié)垢成分或油污雜質(zhì)過多時，會導致局部結(jié)垢阻塞，從而增大系統(tǒng)壓損[7]，樣機脫硫系統(tǒng)采用海水和NaOH堿液作為洗滌液，均未發(fā)生明顯結(jié)垢，但閉環(huán)模式下循環(huán)運行時，應(yīng)定期置換部分洗滌液，防止積累大量煙灰和油污等雜質(zhì)，造成填料層攔液。噴淋液的霧化粒徑也會影響系統(tǒng)壓降，霧化效果較差時會使液膜分布不均勻，導致局部氣阻，不僅會影響脫除效率，擾亂塔內(nèi)煙氣流場，同時會增大系統(tǒng)壓損。

此外，噴淋量也是影響系統(tǒng)壓損的主要因素[8]，雖然增大噴淋量在一定程度上能夠提高洗滌吸收效率，但噴淋量過大會增加系統(tǒng)能耗，同時若形成填料層局部積液，也會導致系統(tǒng)壓損增大。如圖4所示，臺架試驗中在采用800 mm高度，Ⅰ型鮑爾環(huán)填料情況下，各負荷工況下系統(tǒng)壓損均隨噴淋量增大而增加，在高負荷工況下尤為明顯，因此在保證脫除效率的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減小噴淋量以減小系統(tǒng)壓損。

圖4 不同噴淋量下系統(tǒng)壓損

2.4 煙氣流速影響

研究表明，隨著煙氣流速增大，動能損失會增加，更多的動能轉(zhuǎn)化為勢能(壓力能)，使脫硫塔壓降升高[2]。在臺架試驗中，洗滌塔中煙氣流速主要與煙氣流量和風機風量有關(guān)，上述試驗數(shù)據(jù)也可以看出，隨主機負荷增大，煙氣量增加，系統(tǒng)壓損也明顯增大。

在初期試驗中，系統(tǒng)采用50Hz工頻風機，且風機風量偏大，后改造為變頻風機，并控制優(yōu)化各工況下風量，優(yōu)化前后系統(tǒng)壓損變化如圖5所示?？梢钥闯觯?300 mm高度，Ⅱ型鮑爾環(huán)填料情況下，通過變頻控制減小風機風量，從而減小塔內(nèi)氣體流速，能夠有限控制系統(tǒng)壓損，且在高負荷下主機煙氣量大，此時風機風量對系統(tǒng)壓損影響更明顯。

圖5 風機優(yōu)化前后系統(tǒng)壓損比較情況

3 壓損控制措施總結(jié)

通過對船舶廢氣脫硫系統(tǒng)壓損主要影響因素進行分析，并采用一系列壓損控制措施，在臺架試驗中，最終系統(tǒng)整體壓損減小60%以上，在100%，75%，50%和25%主機負荷下，分別降低至775，557，261和143 Pa(如圖5所示)，遠小于系統(tǒng)設(shè)計壓損要求和配套發(fā)動機允許排氣背壓，總結(jié)有效控制措施主要包括：

(1)通過優(yōu)化U型洗滌塔結(jié)構(gòu)設(shè)計，改進洗滌塔塔徑，優(yōu)化煙氣進出口和主副塔連接結(jié)構(gòu)形狀，盡量減小煙氣流經(jīng)時的局部損失，優(yōu)化塔內(nèi)流場，能夠有效減小壓損。

(2)在同等規(guī)格和堆填高度情況下，采用矩鞍環(huán)填料比鮑爾環(huán)填料具有更小的壓損；在保證有效脫硫效率情況下，通過選擇大規(guī)格尺寸填料，或降低填料層高度，可以減小填料層壓損。對除霧器等塔內(nèi)構(gòu)件設(shè)計選型時，應(yīng)充分考慮減小壓力損失需要，并定期安排沖洗除霧器，防止除霧器堵塞。

(3)在滿足洗滌塔脫除效率的前提下，適當減小洗滌液的噴淋量，能夠減小系統(tǒng)壓損，并降低系統(tǒng)能耗。通過優(yōu)化洗滌液組分，保證洗滌液質(zhì)量，并定期沖洗填料塔，可以避免造成填料層局部阻塞，防止系統(tǒng)壓損增大。

(4)通過排氣風機變頻控制，優(yōu)化各工況下風機風量，以減小塔內(nèi)煙氣流速，從而降低煙氣動能損失，能夠減小系統(tǒng)壓損。