CN102698583B - 用于船用燃机尾气处理的电解法海水脱硫方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于船用燃机尾气处理的电解法海水脱硫方法和装置,将除尘处理后的船舶烟气送入气-气换热器的第一通道降温后流经吸收塔;将天然海水由电解制氯设备电解产生次氯酸钠海水溶液;按一定的液气比将次氯酸钠海水溶液由喷淋泵打进吸收塔,在塔内形成雾状液滴,与烟气逆向流动脱SO2;脱硫后的烟气经气-气换热器的第二通道和烟囱排出。本发明利用电解海水产生的次氯酸钠溶液为吸附剂,替代原有的天然海水。次氯酸钠溶液将溶解于海水的亚硫酸根氧化为硫酸根,提高了海水对二氧化硫的吸收速度。不仅省却了现有技术的曝气池,同时提高了单位体积海水的SO2吸收效率,大大减少了吸收塔的体积,实现了海水脱硫工艺在船舶的应用。

Description

用于船用燃机尾气处理的电解法海水脱硫方法和装置
技术领域
本发明涉及一种可用于船舶尾气处理装置及工艺,属于船舶领域。
背景技术
SOX(包括SO2和SO3)的大量排放,会造成生态环境破坏和严重的酸雨现象。在船用燃机的尾气中,SO2和SO3含量分别为95%和5%,全部来源于化石燃料中的硫元素的燃烧。由于船用燃机所用燃油多为渣油,含硫量一般都在4.5%以上,更加重了船舶在航行过程中对大气的污染。随着商用船队船舶保有量的日益增加,国际海事组织对于SOx排放量的控制也日益严格。MARPOL公约规定,对于SOX的排放控制以控制船用燃油的硫含量为主要措施,也可使用SOx废气清洁系统(后处理装置)降低SOx排放量。然而,若采用低含硫量的燃油,必然会导致燃料成本的增加。实际情况是,随着石油价格的高企,即使是以高硫渣油为燃料,燃料费在船运的成本中已高达50%左右。因此,采用后处理装置对燃烧产生的SOX进行处理,达到MARPOL公约要求的排放标准,是市场的又一选择。
燃烧后脱硫,又称烟气脱硫技术。世界各国研究开发的烟气脱硫技术达200多种,但工业应用的不超过20种。按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿状态,烟气脱硫可分为湿法烟气脱硫技术、干法烟气脱硫技术和半干法烟气脱硫技术三类工艺。 
干法烟气脱硫技术是指加入的脱硫剂为干态,脱硫产物仍为干态的脱硫工艺,具有投资费用较低,设备不易腐蚀和结垢及堵塞等优点,包括电子束脱硫技术、荷电干式喷射脱硫技术、循环硫化床脱硫技术等。电子束脱硫技术主要是将烟气中的NO、O2和水蒸气等在高能电子束的照射下转化为自由基和离子,同SO2和NOx结合后形成硫酸与硝酸,最终与吸收剂氨作用形成硫酸铵和硝酸铵等铵盐的过程。其主要问题是耗电量较大,设备复杂。荷电干式喷射脱硫技术是指吸收剂在高速经过喷射单元产生的高压静电充电区时,得到强大的负电荷,形成均匀的悬浮状态,从而能提高SO2的脱除效率。通常使用的吸附剂是Ca(OH)2,但各自存在影响SO2扩散与所需烟道过长导致投资过大等问题,虽具有脱硫效率和高能耗少等优势,却仍无法成为主流的脱硫方法。循环流化床烟气脱硫技术是在床层适当位置喷入石灰石或白云石等脱硫剂,将烟气通入流化床后,使二者在床层中反应,最终达到脱硫的目的。脱硫剂在反应床层内可形成多次循环,使烟气与脱硫剂得到充分的接触,而脱硫剂被床层中的湍流不断破碎,为吸收SO2提供了更大的表面积,在提高了脱硫剂利用率的同时,也大幅提高了系统的脱硫率。该法具有投资小,整体运行费用较低等特点,比较适合我国旧电厂的改造。
半干法兼有干法与湿法的特点,主要区别是反应状态和再生状态下的干湿状态不同,大体上可以分为:脱硫剂在干燥状态下脱硫,在湿状态下再生;或者脱硫剂在湿状态下脱硫,在干燥状态下处理脱硫产物两种类型。由于同时包括气液固三种物质状态,因此在反应过程中伴随有较为复杂的传质传热过程。在脱硫剂为湿状态时,该法具有湿法脱硫反应速度快,脱硫效率高的优点,又具有干法无污水和废酸排出,脱硫后产物易于处理等优点。主要包括旋转喷雾半干法烟气脱硫技术以及炉内喷钙尾部增湿活化工艺等。
湿法烟气脱硫(WFGD)技术通过使用碱性液体作为吸收剂洗涤烟气,从而除去SO2。该技术的特点是整个脱硫系统位于锅炉的除尘系统之后、烟囱之前,脱硫过程在溶液中进行,脱硫剂和生成物均为湿态,其脱硫过程的反应温度低于露点,具有脱硫速度快,脱硫效率高和吸收剂利用率高等优点。目前国际上已实现工业应用的燃煤烟气脱硫技术中,湿法脱硫技术约占85%。  但该工艺系统安装复杂,装置设备庞大,耗水量大,投资与操作费用投资高。石灰石-石膏法是目前国外应用较为广泛且发展较为成熟的湿法烟气脱硫技术,脱硫率最高可达90%以上。该技术由于原料易得且成本低廉,普遍应用于国外的火力发电厂,其中以日本的应用最为广泛。该法利用石灰石/石灰的碱性脱除烟气中的SO2,并生成副产物二水石膏。另外,针对石灰-石膏法易在反应器内结垢的缺点,又发展了氧化镁法、双碱法等技术。
海水脱硫技术是湿法脱硫的一种,该技术以海水中的天然碱性物质作为脱硫剂,海水经升压泵加压后送至吸收塔顶部,与烟气接触进行脱硫。脱硫后的海水经曝气简单处理,即可直接排入大海。此方法多应用在滨海火电厂,技术已基本成熟。海水脱硫的主要反应式如下,其中(a)、(b)式为SO2的吸收过程,(c)、(d)、(e)为曝气过程:
SO2 (g) →SO2(l)                            (a)
SO2 (l)+H2O→SO3 2-+H+                                                (b)
CO3 2-+ H+→HCO3-                                                          (c)
HCO3-+H+→CO2+ H2O                           (d)
SO3 2-+1/2O2→SO4 2-+ H2O                        (e)
海水脱硫技术具有吸收剂易得,脱硫副产品易处理,当海水中的碱性物质满足要求时,不需另添加脱硫剂,以及系统简单,投资较少,电耗,运行费用少,脱硫效率可达90~95%等优点。
在上述的海水脱硫工艺中使用的两个主要设备是吸收塔和曝气池,两者的占地面积均很大。如果在陆上安装,那么设备占地面积对技术选型影响不大,但是由于船舶上空间有限,对脱硫设备的安装尺寸要求较为苛刻,这直接影响了海水脱硫在船舶领域的应用。因此,如何减少整个设备的体积是海水脱硫能否应用于船舶领域的关键问题。
发明内容
本本发明公开了一种用于船用燃机尾气处理的电解法海水脱硫方法和装置,用于处理船用燃机尾气中的SOX
本发明的技术方案是:一种可在船舶上应用的电解法海水脱硫方法,其特征在于,包括以下步骤:
a. 将船舶炉内烟气经除尘器处理后,由鼓风机送入气-气换热器的第一通道降温后从吸收塔的底部输入,从吸收塔的顶部输出;与此同时:
b.将天然海水或配制的盐水用水泵泵入电解制氯设备,电解产生浓度为3-15mg/L的次氯酸钠海水溶液;
c.根据烟气体积和SO2的浓度,按一定的液气比将所述的次氯酸钠海水溶液由喷淋泵打进吸收塔的顶部,并在吸收塔内形成雾状液滴,与吸收塔内的烟气逆向流动,从而脱除烟气中的SO2
d.脱硫后的烟气经所述的气-气换热器的第二通道加热后由烟囱排出。
所述的步骤a中烟气温度在气-气换热器的第一通道降至40-95℃。
所述的步骤b中配制的盐水为22-40 PSU(实际盐度标准)。
所述的步骤c中的液气比为1-8L/m3
一种实施所述的用于船用燃机尾气处理的电解法海水脱硫方法的装置,其特征在于,包括烟囱、挡板、气-气换热器、鼓风机、电解制氯设备、喷淋泵和吸收塔,通过管线连接为气路和液路,其中气路由依次连接的第一挡板、鼓风机、气-气换热器的第一通道、吸收塔的气体通道、气-气换热器的第二通道、第二挡板和烟囱;所述的液路由依次连接的电解制氯设备、喷淋泵、吸收塔的液体通道。
在所述的第一挡板的入口与烟囱的入口之间连接一个烟气短路通道,并在该烟气短路通道上安装第三挡板。
本发明的优点是:采用电解海水产生的次氯酸钠溶液为吸附剂,代替了原有海水脱硫工艺中所使用的天然海水。一方面,次氯酸钠溶液可加快溶解入海水的亚硫酸根离子向硫酸根的转化,降低了水中亚硫酸根的浓度,改变了二氧化硫在海水中的溶解平衡,减少了海水用量,降低了液气比,从而使吸收塔的体积大大减少;另一方面,由于洗涤烟气后的海水中的亚硫酸根已经被氧化为硫酸根,因此在工艺上可以省略曝气池,减少了设备的占地面积。
如果船上已装备电解法压载水处理系统或电解法生活污水处理系统,那么可利用其电解能力为本设备提供次氯酸钠海水溶液,与原海水脱硫工艺相比,本工艺不会额外增加设备。即使船上没有以上设备,与曝气池相比,电解设备占地面积也较小,对设备安装位置要求不高。
该方法基本技术成熟,在处理浓度在5000mg/m3以下的SO2时,脱硫率可保持在90%以上。
附图说明
图1是本发明的工艺流程和处理设备构成的示意图。
具体实施方式
参见图1,本发明一种用于船用燃机尾气处理的电解法海水脱硫装置,包括烟囱1、挡板、气-气换热器4、鼓风机5、电解制氯设备6、喷淋泵7和吸收塔8,上述各部件通过管线2连接为气路和液路,其中气路由依次连接(也是烟气的流通路径)的第一挡板31、鼓风机5、气-气换热器4的第一通道、吸收塔8的气体通道、气-气换热器4的第二通道、第二挡板32和烟囱1。使用时第一挡板31的一端与船舶排放的烟气出口连接,第一挡板31的另一端与鼓风机5的入口连接。
所述的液路由依次连接的电解制氯设备6、喷淋泵7、吸收塔8的液体通道,电解制氯设备6的出口通过喷淋泵7与吸收塔8顶端的液体入口连接,吸收塔8底端的液体出口作为反应后的海水排出。使用时,电解制氯设备6的入口用水泵泵入海水。其中吸收塔8为脱除烟气中SO 2所使用的填料塔,为常规技术。
还可在所述的第一挡板31的入口与烟囱1的入口之间连接一个烟气短路通道,并在该烟气短路通道上安装第三挡板33。在特殊情况下开启第三挡板33将烟气直接通过烟囱1排放。
本发明的工艺流程(亦即上述设备的工作过程)是:
a.炉内烟气经除尘器处理后,沿所述的气路依次流经第一挡板31、鼓风机5、气-气换热器4的第一通道、吸收塔8的气体通道、气-气换热器4的第二通道、第二挡板32和烟囱1。烟气在气-气换热器4的第一通道将温度降至40-95℃后再进入吸收塔8底部的气体入口。
b.将天然海水或配制的盐水(22-40 PSU)用水泵泵入电解制氯设备6,选择合适的电解电流强度(常规技术)产生浓度为3-15mg/L的次氯酸钠海水溶液。
c.根据烟气体积和SO2的浓度,按液气比1-8L/m3将所述的次氯酸钠海水溶液由喷淋泵7打进吸收塔8顶部的液体入口,并在吸收塔8内形成雾状液滴,与吸收塔8内烟气逆向流动,从而脱除烟气中的SO2
d.脱硫后的烟气经气-气换热器4的第二通道加热后由烟囱1排出。
下面是本发明的几个具体实施例。
实施例 1:
烟气中SO2浓度为4900 mg/m3, 进塔温度为40℃;天然海水电解产生的NaClO浓度为6 mg/L,液气比为2.5 L/m3时,其脱硫效率为94%。
实施例 2 :
烟气中SO2浓度为2300 mg/m3,进塔温度为75℃;天然海水电解产生的NaClO浓度为10 mg/L,液气比为4.4 L/m3时,其脱硫效率为91%。
实施例 3 :
烟气中SO2浓度为1300 mg/m3,进塔温度为95℃; 盐度为35PSU的盐水电解产生的NaClO浓度为15 mg/L,液气比为6.1 L/m3时,其脱硫效率为96%。
本发明利用电解海水产生的次氯酸钠溶液,替代原有的天然海水做为吸附剂。次氯酸钠溶液将溶解于海水的亚硫酸根氧化为硫酸根,改变了二氧化硫与海水的溶解平衡,提高了了海水对二氧化硫的吸收速度。采用该方法不仅省却了原海水脱硫工艺流程中的曝气池,同时提高了单位体积海水的SO2吸收效率,大大减少了吸收塔的体积,实现了海水脱硫工艺在船舶的应用。该工艺所涉及的主要反应式如下,其中(a)、(b)式为SO2的吸收过程,(f) 为电解海水/盐水过程总反应式、(g)为氧化亚硫酸根过程:
SO2 (g) →SO2(l)                             (a)
SO2 (l)+H2O→SO3 2-+H+                                                 (b)
Cl-+H2O→ClO-+H2                                                       (f)
SO3 2-+ ClO-→SO4 2-+ Cl-                                                 (g)。

Claims (3)

1.一种用于船用燃机尾气处理的电解法海水脱硫方法,其特征在于,包括以下步骤:
a. 将船舶炉内烟气经除尘器处理后,由鼓风机送入气-气换热器的第一通道降温后从吸收塔的底部输入,从吸收塔的顶部输出;与此同时:
b.将天然海水或配制的盐水用水泵泵入电解制氯设备,电解产生浓度为3-15mg/L的次氯酸钠溶液;
c.根据烟气体积和SO2的浓度,按一定的液气比将所述的次氯酸钠溶液由喷淋泵打进吸收塔的顶部,并在吸收塔内形成雾状液滴,与吸收塔内的烟气逆向流动,从而脱除烟气中的SO2
d.脱硫后的烟气经所述的气-气换热器的第二通道加热后由烟囱排出;
所述的步骤a中烟气温度在气-气换热器的第一通道降至40-95℃;
所述的步骤b中配制的盐水为22-40 PSU;
所述的步骤c中的液气比为1-8L/m3
2.一种实施权利要求1所述的用于船用燃机尾气处理的电解法海水脱硫方法的装置,其特征在于,包括烟囱、挡板、气-气换热器、鼓风机、电解制氯设备、喷淋泵和吸收塔,通过管线连接为气路和液路,其中气路由依次连接的第一挡板、鼓风机、气-气换热器的第一通道、吸收塔的气体通道、气-气换热器的第二通道、第二挡板和烟囱;所述的液路由依次连接的电解制氯设备、喷淋泵、吸收塔的液体通道。
3.根据权利要求2所述的用于船用燃机尾气处理的电解法海水脱硫装置,其特征在于,在所述的第一挡板的入口与烟囱的入口之间连接一个烟气短路通道,并在该烟气短路通道上安装第三挡板。
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