CN112933884A - 一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺及系统 - Google Patents

一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺及系统 Download PDF

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Abstract

一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺及系统，用于对含硫船舶柴油机排出的烟气进行脱硫处理，包括以下步骤：在洗涤塔的内部装入高比表面积亲水填料，高比表面积亲水填料上方设置激发光源，从洗涤塔的上部向洗涤塔的内部喷淋海水；将烟气注入到洗涤塔的下部，烟气与海水、高比表面积亲水填料及激发光源在洗涤塔的内部逆流接触，进行脱硫反应，得到废海水和洁净烟气；废海水经洗涤塔的底部排出，洁净烟气经洗涤塔的顶部排放，解决了传统的脱硫方法存在着因脱硫设备体积较大和脱硫方式复杂，从而导致脱硫效果较差的技术问题，可广泛的应用于船舶废气处理与节能环保领域。

Description

一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺及系统
技术领域
本申请涉及船舶废气处理与节能环保领域，尤其涉及一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺及系统。
背景技术
目前，全球范围内有85％的货物是通过海上运输完成的，全球有AIS船位的船舶大约有38万艘，万吨以上的船舶约有2.6万艘。中国籍国际航行船舶4309艘，万吨以上船舶1345艘，中国船东控制的船舶6103艘，万吨级以上船舶2517艘。中国境内一周活跃船舶12.17万艘。全球1万载重吨以上的船舶中，干散货船占38.85％，集装箱船占17.09％，油船占13.16％。这些船舶中以重质柴油为燃料的柴油机船舶保有量最多，船舶柴油机技术成熟，全球燃料供应链和船舶维修保养链最为完善，分布最广，技术人员和操作规程配置最好，几乎可以全球港口任意到达。据计算和统计航运船只每年约消耗3亿吨燃料油，由此产生大量含硫、硝和二氧化碳的废气。另据英国《经济学人》杂志的文章，15艘吨位最大的远洋巨轮排放的硫、氮氧化物就超出全球汽车的排放。因此全球远洋货轮都必须进行改造才能满足IMO排放限制。目前船舶烟气脱硫有多种可选对策：1、使用清洁低硫燃油，但清洁低硫燃油的高价格，如含硫0.5％海运轻柴油比含硫3.5％海运轻柴油的价格高1.16倍，由于高热值和高粘度的重质柴油含有大量2,4二苯并噻吩等高位阻硫化物，其脱硫费用很高，这一差价一般会长期保持70-300美元/吨，高昂的低硫价格船运公司难以接受，况且低硫柴油对柴油机的工作参数、热值、管道泄漏、润滑性以及船员健康等均有一定的影响，也不利于船用柴油机的保养。2、安装洗涤器脱除烟气中的污染物质，目前该法是普遍公认的最有前途的方法之一。通过在烟气出口安装洗涤塔将烟气中的各种有害污染物统统脱除，包括，烟碳、SO2、NOx、VOCs以及部分CO2等，其运行成本和投资与燃油硫含量成反比，燃油硫含量低，相应的洗涤塔投资和运行成本也低。这就避免了低硫燃油与高硫燃油的差价变小，选用低硫燃油可能导致的运行成本上涨，而是选用低硫燃油时烟气净化洗涤塔同步运行费用也急剧下降；3、采用双燃料系统，在公海航行中采用高含硫的重油，而在离海岸200海里内采用低含硫量的轻柴油，显然该法只能是一个过渡措施，随着实时检测手段的完善，船舶在公海航行中的烟气污染排放也将受到限制；4、岸电使用技术，船舶在靠泊期间停止使用船舶上的柴油发电机，改用陆地电源供电，从而减少废气排放量，很显然，该法只能船舶靠岸才有效；5、废气再循环技术(EGR)与共轨电控燃油喷射技术，可以降低部分NOx的排放，但增加燃油消耗与PM含量，目前还没有大规模采用；6、采用LNG动力系统，脱硫可满足IMO要求，但脱硝无法满足，船舶建造费用高，对安全性要求高。其经济性和安全性仍有待时间检验。
通过以上分析，可以得出安装海水洗涤器脱除船舶烟气中的污染物质是普遍公认的最好方法之一。2020年2月20日在伦敦的一次研讨会上讨论了洗涤塔的可靠性及其降低排放的效率，欧洲三大船东以其200多艘船装脱硫洗涤塔实际总结，烟气洗涤塔处理废气应用前景广泛。
海水脱硫技术始于上世纪70年代，并很快在欧洲、美洲、亚洲等沿海电厂推广应用。众所周知，天然海水中含有大量的可溶性盐，通常呈碱性，自然碱度为1.2～2.5mmol/L,具有天然的酸碱缓冲能力及吸收SO2的能力，这是海水直接用于烟气脱硫的理论依据。
海水脱硫过程的核心是烟气与海水的接触传质，该过程在气液接触传质设备中进行。填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，具备分离效率高、阻力小、通量大、操作弹性大等特点，在气液初始分布良好的情况下几乎无放大效应。传统的船舶烟气海水脱硫洗涤塔使用中，要满足IMO要求，液气比很高，一般10L/m3，即脱除1m3烟气中的硫需要喷淋10升的海水，导致填料洗涤塔体积和海水管道直径过于庞大以及附属设备众多等缺点。液气比高还造成海水泵的功率高，设备重和占地面积大。为此，发明一种高比表面积亲水规整催化填料与光电催化的船舶烟气海水脱硫技术，极大地降低液气比，并减小洗涤塔体积与海水管道直径就变得尤为重要。
我国有漫长的海岸线，全国有近50％的人住居在海岸线附近，全国近70％的GDP来自海岸一线城市和地区，沿海地区建设了许多海水脱硫的燃煤电厂。因此，发明一种高比表面积亲水规整催化填料与光电催化的烟气海水脱硫技术不仅对船舶烟气脱硫，对沿海燃煤电厂的海水脱硫也同样具有重要的现实意义和战略意义。
发明内容
本申请的目的在于提供一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺及系统，旨在解决传统的脱硫方法存在着因脱硫设备体积较大和脱硫方式复杂，从而导致脱硫效果较差的技术问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺，用于对含硫船舶柴油机排出的烟气进行脱硫处理，包括以下步骤：
S1、在洗涤塔的内部装入高比表面积亲水填料，所述高比表面积亲水填料上方设置激发光源，从所述洗涤塔的上部向所述洗涤塔的内部喷淋海水；
S2、将烟气注入到所述洗涤塔的下部，所述烟气与所述海水、所述高比表面积亲水填料及所述激发光源在所述洗涤塔的内部逆流接触，进行脱硫反应，得到废海水和洁净烟气；
S3、所述废海水经所述洗涤塔的底部排出，所述洁净烟气经所述洗涤塔的顶部排放。
在其中一实施例中，所述S2中的废海水还用于对所述烟气进行冷却，通过调节所述废海水的体积调节所述烟气的温度。
在其中一实施例中，所述洗涤塔下部的烟气温度为80℃，所述洗涤塔中与所述高比表面积亲水填料接触的烟气温度为60℃。
在其中一实施例中，所述高比表面积亲水填料为规整填料表面涂覆光催化剂复合物，其比表面积为2500m2/m3，堆积密度为320－650kg/m3，空隙率为70－90％，F因子为1.5－3.5，波距为10－55mm，齿形角为30－80。
在其中一实施例中，所述光催化剂的活性成分为g-C3N4-TiO2-Al2O3-BiVO4。
本申请实施例的第二方面提供了一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫系统，包括洗涤塔，所述洗涤塔的内部设有高比表面积亲水填料，所述高比表面积亲水填料上方设有等离子灯，所述洗涤塔的下部设有烟气入口，所述洗涤塔的顶端设有烟气出口，所述洗涤塔的上部设有海水喷淋装置，所述洗涤塔的底端设有海水出口。
在其中一实施例中，所述等离子灯包括5个紫外线灯管，通过磁性镇流器启动5个所述紫外线灯管。
在其中一实施例中，所述海水喷淋装置通过海水管道连接有海水泵，所述海水泵设于海洋中。
在其中一实施例中，所述洗涤塔的外板面采用碳钢，所述洗涤塔的内板面采用钛材。
在其中一实施例中，所述洗涤塔为长方形塔或圆形塔。
本发明提供一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺及系统，采用比表面积高达2500m2/m3的亲水规整催化填料，该催化填料传质快、浸润性好，有催化氧化活性、压降小、通量大、抗海水腐蚀、寿命长、操作液气小等特点；本申请通过对高比表面积填料表面涂覆光催化剂g-C3N4-TiO2-Al2O3-BiVO4，带磁铁的等离子紫外线灯管激发后在光催化剂表面产生大量超氧自由基、羟基自由基和双氧水等氧化作用物质，使烟气中的SO2快速氧化成极性更强、更易被海水吸收的SO3，利用海水的天然碱性、高比表面积亲水催化规整填料的气液传质高效性、光催化产生的自由基对高含硫量船舶柴油机烟气有很高的脱硫效率，脱硫后的酸性海水中不在含有不稳定的亚硫酸根，全部为稳定的硫酸根，这样废脱硫后的酸性海水可不经曝气处理就达标排放回海洋。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺的流程示意图；
图2为本申请一实施例提供的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫系统的结构示意图。
图中符号说明：
1.洗涤塔；2.高比表面积亲水填料；3.烟气入口；4.烟气出口；5.海水喷淋装置；6.海水出口；7.海水管道；8.海水泵；9.海洋；10.等离子灯。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
传统海水脱硫工艺通常采用的是散堆聚丙烯填料、金属或陶瓷规整填料。一般来讲，这些规整填料具有的最大比表面积不超过700m2/m3，也不刻意做表面亲水性修饰和催化剂负载。根据传质理论，Q＝kda(C0-Ct)，即，在浓度差(C0-Ct)一定的情况下，传质速率与传质系数kd和填料的比表面积成正比。即，填料比表面积越高，传质速率越快。且，传质系数kd与流体的Re数有关，即Plant边界层厚度有关，而Re数又与填料表面的亲水性密切相关，当填料有很强的亲水性时，其表面持液量大，传质快，很高的Re数也不会导致液泛的发生，使操作恶化。同时，传统填料没有催化功能，导致烟气中的SO2与喷淋海水在填料表面的气液传质速率只取决于传质速率和亨利定理。
实施例1
请参阅图1，为本申请一实施例提供的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
在其中一实施例中，本申请的第一方面提供了一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺，用于对含硫船舶柴油机排出的烟气进行脱硫处理，包括以下步骤：
S1、在洗涤塔的内部装入高比表面积亲水填料，高比表面积亲水填料上方设置激发光源，从洗涤塔的上部向洗涤塔的内部喷淋海水。
具体地，洗涤塔内部装有经负载亲水光催化剂g-C3N4-TiO2-Al2O3-BiVO4的高比表面积亲水规整填料，将比表面积为2500m2/m3的规整亲水光催化剂填料0.4m3装入洗涤塔内，高比表面积亲水填料的堆积密度为320－650kg/m3，空隙率为70－90％，F因子为1.5－3.5，波距为10－55mm，齿形角为30－80；高比表面积亲水填料的上方设置等离子灯，等离子灯包括5个紫外线灯管，紫外线灯管的功率为300W，通过磁性镇流器启动5个紫外线灯管，通过紫外线灯管发射激发光源；新鲜海水经海水泵打入洗涤塔的内部，本实施例中船舶柴油机采用瓦锡兰制造的4R32E型号柴油机，功率为1620kW，冲程数为4，燃油类型为HFO，硫含量为3.5％，总烟气量为3876m3/h，SO2浓度为2420mg/m3。
S2、将烟气注入到洗涤塔的下部，烟气与海水、高比表面积亲水填料及激发光源在洗涤塔的内部逆流接触，进行脱硫反应，得到废海水和洁净烟气。
具体地，柴油机排出的烟气经洗涤塔的下部注入到洗涤塔的内部，烟气与海水、高比表面积亲水填料及激发光源在洗涤塔的内部逆流接触，进行脱硫反应，填料表面的光催化剂g-C3N4-TiO2-Al2O3-BiVO4被带磁铁的等离子紫外线灯管激发后，在光催化剂表面产生大量超氧自由基、羟基自由基和双氧水等氧化作用物质，使烟气中的SO2快速氧化成极性更强、更易被海水吸收的SO3，得到废海水和洁净烟气；废海水还用于对烟气进行冷却，通过调节废海水的体积调节烟气的温度，本实施例中洗涤塔下部的烟气温度为80℃，洗涤塔中与高比表面积亲水填料接触的烟气温度为60℃。
S3、废海水经洗涤塔的底部排出，洁净烟气经所述洗涤塔的顶部排放。
具体地，脱硫后的酸性废海水中含有不稳定的亚硫酸根量大大减少，COD降低，脱硫后的酸性废海水经洗涤塔底部管道排入海洋，脱硫后的洁净烟气经洗涤塔的顶部排放。
入塔海水温度15-30℃，海水喷淋量分别为13m3/h、15m3/h、17m3/h、19m3/h和21m3/h，分别对应液气比为3.4L/Nm3、3.8L/Nm3、4.4L/Nm3、4.9L/Nm3和5.4L/Nm3，5只紫外线灯管全开，测试光电催化海水船舶柴油机烟气脱除SO2的反应结果如表1。
表1高比表面积亲水规整光催化填料海水脱除SO2的脱除率
Figure BDA0002957633340000061
由此可知，在液气比为5.4L/Nm3、5只紫外线灯管全开时，高比表面积亲水规整光催化填料海水脱硫率可达99％，比传统填料液气比10L/Nm3节约了46％的喷淋水量，有效的降低了海水泵的功率和设备重量与占地面积。
实施例2
其余与实施例1相同，不同之处在于：固定海水喷淋量为21m3/h，对应液气比为5.4L/Nm3，5只紫外线灯管全开，通过改变海水洗涤塔的操作温度，测试洗涤塔床层压降与光催化海水船舶柴油机烟气脱除SO2的反应结果如表2。
表2洗涤塔压降与光催化海水脱除SO2的脱除率
实验序号 温度(℃) 洗涤塔压降(Pa) SO<sub>2</sub>脱除率(％)
1 30 200 99
2 40 200 99
3 50 210 99
4 60 215 99
5 70 199 99
由此可知，在温度30-70℃范围内，高比表面积亲水规整光催化填料海水脱硫率在不同温度下均可达99％，脱硫效果显著。同时，洗涤塔床层压降也很低，只有200Pa左右，不会对船舶烟气烟囱排放烟气产生影响。
实施例3
其余与实施例2相同，不同之处在于：通过改变高比表面积亲水规整催化填料装填体积，体积分别为0.3m3、0.4m3、0.5m3和0.6m3，分别对应空速为12920h-1、9690h-1、7752h-1和6460h-1，测试船舶柴油机烟气光催化海水脱除SO2的反应结果如表3。
表3高比表面积亲水规整催化填料装填体积与光催化海水脱除SO2的脱除率
实验序号 装填体积(m<sup>3</sup>) 酸性海水清洗时间(h<sup>-1</sup>) SO<sub>2</sub>脱除率(％)
1 0.3 12920 95
2 0.4 9690 99
3 0.5 7752 99
4 0.6 6460 99
由此可知，随着酸性海水清洗时间的增加，脱硫率有所下降，只要空速不超过10000h-1，即停留时间不小于1秒，烟气脱硫率就可达99％。
请参阅图2，为本申请一实施例提供的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本申请实施例的第二方面提供了一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫系统，包括洗涤塔1，洗涤塔1的内部设有高比表面积亲水填料2，高比表面积亲水填料2的上方设有等离子灯10，洗涤塔1的下部设有烟气入口3，洗涤塔的顶端设有烟气出口4，洗涤塔的上部设有海水喷淋装置5，洗涤塔的底端设有海水出口6。
具体地，洗涤塔1为长方形塔或圆形塔，可依据船东要求和船舶安装空间决定，本实施例中洗涤塔1采用长方形塔，长×宽×高＝800×400×6000，洗涤塔1的材质采用“爆炸焊钛复合材料”，洗涤塔1的外板面采用碳钢，可有效的降低洗涤塔的制造成本，洗涤塔1的内板面采用钛材，可有效的防止海水腐蚀，洗涤塔1的内板面和外板面还均可以采用钛材。
等离子灯10包括5个紫外线灯管，紫外线灯管的功率为300W，通过磁性镇流器启动5个紫外线灯管，通过紫外线灯管发射激发光源，海水喷淋装置5通过海水管道7连接有海水泵8，海水泵8设于海洋9中，海水泵8将海洋9中的海水经海水管道7打入海水喷淋装置5，通过海水喷淋装置5向洗涤塔1内部喷淋海水，含硫船舶柴油机排出的烟气经烟气入口3进入洗涤塔1的下部，烟气与海水、高比表面积亲水填料2及激发光源在洗涤塔1的内部逆流接触，进行脱硫反应，脱硫后的酸性废海水经海水出口6排入海洋9，废海水还用于对烟气进行冷却，通过调节废海水的体积调节烟气的温度，脱硫后的洁净烟气经洗涤塔1顶部的烟气出口4排放。
综上所述，本发明提供一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺及系统，采用比表面积高达2500m2/m3的亲水规整催化填料，该催化填料传质快、浸润性好，有催化氧化活性、压降小、通量大、抗海水腐蚀、寿命长、操作液气小等特点；本申请通过对高比表面积填料表面涂覆光催化剂g-C3N4-TiO2-Al2O3-BiVO4，带磁铁的等离子紫外线灯管激发后在光催化剂表面产生大量超氧自由基、羟基自由基和双氧水等氧化作用物质，使烟气中的SO2快速氧化成极性更强、更易被海水吸收的SO3，利用海水的天然碱性、高比表面积亲水催化规整填料的气液传质高效性、光催化产生的自由基对高含硫量船舶柴油机烟气有很高的脱硫效率，脱硫后的酸性海水中不在含有不稳定的亚硫酸根，全部为稳定的硫酸根，这样废脱硫后的酸性海水可不经曝气处理就达标排放回海洋。
在本文对各种器件、电路、装置、系统和/或方法描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺，用于对含硫船舶柴油机排出的烟气进行脱硫处理，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在洗涤塔的内部装入高比表面积亲水填料，所述高比表面积亲水填料上方设置激发光源，从所述洗涤塔的上部向所述洗涤塔的内部喷淋海水；
S2、将烟气注入到所述洗涤塔的下部，所述烟气与所述海水、所述高比表面积亲水填料及所述激发光源在所述洗涤塔的内部逆流接触，进行脱硫反应，得到废海水和洁净烟气；
S3、所述废海水经所述洗涤塔的底部排出，所述洁净烟气经所述洗涤塔的顶部排放。
2.根据权利要求1所述的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺，其特征在于，所述S2中的废海水还用于对所述烟气进行冷却，通过调节所述废海水的体积调节所述烟气的温度。
3.根据权利要求2所述的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺，其特征在于，所述洗涤塔下部的烟气温度为80℃，所述洗涤塔中与所述高比表面积亲水填料接触的烟气温度为60℃。
4.根据权利要求1所述的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺，其特征在于，所述高比表面积亲水填料为规整填料表面涂覆光催化剂复合物，其比表面积为2500m2/m3，堆积密度为320－650kg/m3，空隙率为70－90％，F因子为1.5－3.5，波距为10－55mm，齿形角为30－80。
5.根据权利要求4所述的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫工艺，其特征在于，所述光催化剂的活性成分为g-C3N4-TiO2-Al2O3-BiVO4。
6.一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫系统，包括洗涤塔，其特征在于，所述洗涤塔的内部设有高比表面积亲水填料，所述高比表面积亲水填料上方设有等离子灯，所述洗涤塔的下部设有烟气入口，所述洗涤塔的顶端设有烟气出口，所述洗涤塔的上部设有海水喷淋装置，所述洗涤塔的底端设有海水出口。
7.根据权利要求6所述的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫系统，其特征在于，所述等离子灯包括5个紫外线灯管，通过磁性镇流器启动5个所述紫外线灯管。
8.根据权利要求6所述的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫系统，其特征在于，所述海水喷淋装置通过海水管道连接有海水泵，所述海水泵设于海洋中。
9.根据权利要求6所述的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫系统，其特征在于，所述洗涤塔的外板面采用碳钢，所述洗涤塔的内板面采用钛材。
10.根据权利要求6所述的一种高比表面积与光催化船舶烟气海水脱硫系统，其特征在于，所述洗涤塔为长方形塔或圆形塔。
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