CN113731171B - 一种船用二氧化碳洗涤塔、喷淋洗涤吸收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用二氧化碳洗涤塔、喷淋洗涤吸收系统及方法，用于船舶废气中二氧化碳的高效低阻捕集。包括洗涤塔、循环池、吸收液再生装置，所述洗涤塔内由下自上分别布置有旋汇耦合区、旋流喷淋区、除雾器，所述旋汇耦合区由若干个导流单元拼接而成，所述导流单元设置有用于喷淋吸收液的中心喷嘴，所述旋流喷淋区采用横、纵、圆周式的喷雾喷嘴分布，喷嘴喷射方向为水平朝向。废气经过旋汇耦合区形成若干股小螺旋上升气液混合流，再经旋流喷淋区形成大、小螺旋混合的紊流场，延长接触反应时间、提高反应效率并降低废气阻力损失。本发明有效解决了船舶废气二氧化碳洗涤塔存在的阻力大、易堵塞、效率低的问题。

Description

一种船用二氧化碳洗涤塔、喷淋洗涤吸收系统及方法

技术领域

本发明涉及一种洗涤吸收装置，尤其涉及一种船用二氧化碳洗涤塔、喷淋洗涤吸收系统及方法。

背景技术

全球气温升高导致的气候灾害日趋严重，控制温室气体排放成为全球重要议题。目前船舶运输导致的二氧化碳排(CO₂)放量占全球总排放量的约3％，若不加以控制，预测到2050年这一比例将增长至17％，减少温室气体排放已成为国际航运的紧迫问题。

世界主要航运大国纷纷制定出本国的零碳航运发展路线，除了发展氢气、氨等零碳燃料动力船舶之外，从船舶废气中捕集二氧化碳也被视为一种有效的碳减排手段。因CO₂与硫氧化物性质类似，均属于酸性气体，瓦锡兰、阿法拉伐等船舶废气脱硫系统厂商均认为通过更改吸收剂，采用类似的洗涤技术也可用于捕集船舶废气中的CO₂。成熟的陆基CO₂捕集系统通常以醇胺溶剂为吸收剂，其工艺过程为在填料塔中以单乙醇胺吸收烟气中的CO₂，富集CO₂的吸收剂经热再生后可回用，再生过程中释放出的高浓度CO₂经压缩液化储存。但直接将醇胺法技术移植到船上存在压降大、再生能耗高、CO₂安全储存成本高等难题。有学者提出采用化学再生方式，将CO₂以碳酸盐固体的形式储存。或采用相变溶剂，使富液转变为固相从吸收剂中分离出来，仅对固相吸收剂热再生即可，达到降低能耗的目的。上述新的CO₂捕集方式表现出诱人的船舶应用前景，但反应过程中存在固形物，传统的填料塔结构已不再适用于新的吸收体系。常用的逆流式喷淋空塔虽然阻力小、无堵塞风险，但存在吸收效率低、烟气停留时间短等缺点。如何保证吸收效率的同时，减少塔内构件，降低吸收塔压降并防止堵塞成为船用二氧化碳吸收塔设计时要考虑的关键因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效且低阻的用于船舶废气中二氧化碳洗涤吸收的洗涤塔及喷淋洗涤吸收方法，旨在解决吸收效率较低和吸收体系中存在固形物时导致的堵塞问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供一种船用二氧化碳洗涤塔，所述洗涤塔自下部的烟气入口至顶部的烟气出口之间依次设置有旋汇耦合区、旋流喷淋区和除雾器；所述旋汇耦合区由若干个导流单元拼接组成，每个导流单元包括底板、导流筒、中心筒、导流叶片和中心喷嘴；所述导流筒的底端与底板连接；所述底板上开有若干个吸收液回流孔；所述中心筒套设在导流筒中心位置，中心筒的底端为进液口，中心筒的顶端与中心喷嘴螺纹连接；所述导流叶片沿中心筒的圆周均匀分布，且两端分别与中心筒外壁和导流筒内壁连接，导流叶片与水平面之间的夹角为30～80°；所述旋流喷淋区包括喷淋主管、喷淋分管、喷淋支管和雾化喷嘴；所述喷淋主管垂直安装在洗涤塔中心，喷淋主管的两端均为进液口；所述喷淋主管由上至下均匀分布有若干喷淋分管，且喷淋分管水平安装在喷淋主管上，沿喷淋主管圆周分布；所述喷淋支管垂直安装在喷淋分管上；喷淋分管和喷淋支管的端口处沿水平方向安装有雾化喷嘴。

所述旋汇耦合区气体的有效通流面积不小于洗涤塔截面积的80％。

本发明另一方面提供一种船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统，所述系统包括：上述的洗涤塔、循环池、吸收液再生装置；所述洗涤塔底部的排液口与循环池的进口相连；所述循环池的出口经过循环泵后分两路连接：一路分别与旋汇耦合区、旋流喷淋区的进液口连接，另一路与吸附液再生装置的进口连接；所述吸附液再生装置的出口也与循环池的进口连接。

所述吸附液再生装置的出口还与储罐连接。

所述装置还包括调节阀I和调节阀II，所述调节阀I和调节阀II分别设置在旋汇耦合区和吸收液再生装置的进口处。

本发明再一方面提供一种船用二氧化碳喷淋洗涤吸收方法，利用上述船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统，所述方法包括：

船舶内燃机废气由洗涤塔下方的废气入口进入旋汇耦合区，吸收液经若干旋汇耦合器的中心喷嘴向上喷出，在导流筒中形成负压区，废气与吸收液形成若干个螺旋上升的气液混合流，随后上升至旋流喷淋区，与旋流喷淋区内的吸收液接触反应，以吸收废气中的二氧化碳；旋汇耦合区喷淋的液气比为0.2～1L/Nm³，旋流喷淋区的液气比为2～4L/Nm³；

脱碳后废气经除雾器去除夹带液滴后由洗涤塔的烟气出口排入大气，吸收CO₂后的吸收液落入洗涤塔底部，经排液口排至循环池，经循环泵分成两路，其中一路进入旋汇耦合区和旋流喷淋区进行循环喷淋，另一路进入吸收液再生装置进行吸收液再生，再回流至循环池。

船舶内燃机废气进入洗涤塔后，先经过旋汇耦合区，同时旋汇耦合器的中心喷嘴向上喷出吸收液，在导流筒中形成负压区，牵引废气经过导流叶片，经导流叶片的导流作用后与吸收液形成若干个螺旋上升的气液混合流；随后气液混合流上升到达旋流喷淋区，在旋流喷淋区内，吸收液经喷淋分管和喷淋支管上的喷嘴水平喷出，带动小的螺旋上升的气液混合流以大螺旋上升的方式经过旋流喷淋区，在旋汇耦合区和螺旋喷淋区完成对CO₂的喷淋吸收，这种大、小螺旋结合的方式有效延长了洗涤塔内气液接触时间，提高气液接触反应面积和概率。

本发明技术具有以下有益效果：

1、在旋汇耦合器中设置中心喷嘴，有效利用喷雾压力牵引废气流动，起到同步降阻和强化混合的效果；

2、旋流喷淋区的横、纵、圆周式的喷嘴分布、吸收液水平的喷射方向，在主要的吸收区内形成螺旋上升的流场，延长接触反应时间；

3、在旋汇耦合区上方设置旋流喷淋区，形成大、小螺旋混合的紊流场，这种大、小螺旋结合的方式有效延长了洗涤塔内气液接触时间，提高气液接触反应面积和概率，极大提高了吸收效果；

4、同时具备喷淋空塔、旋汇耦合塔、液柱塔、旋流喷雾塔的优点，保证脱碳效率的同时具有降阻、抗堵塞的优势。

附图说明

图1为本发明船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统结构示意图；

图2为本发明旋汇耦合区结构示意图，其中a为旋汇耦合区整体结构示意图，b为导流单元结构示意图，c为导流单元剖视图；

图3为本发明旋流喷淋区结构示意图，其中a为旋流喷淋区整体结构示意图，b为旋流喷淋区喷淋效果图；

其中：1、烟气入口；2、洗涤塔；3、循环池；4、循环泵；5、吸收液再生装置；6、储罐；7、调节阀I；8、调节阀II；9、旋汇耦合区，9.1、底板，9.2、导流筒，9.3、中心圆孔，9.4、导流叶片，9.5、中心喷嘴，9.6、吸收液回流孔；10、旋流喷淋区10.1、喷淋主管，10.2、喷淋分管，10.3、喷淋支管，10.4、雾化喷嘴；11、除雾器；12、烟气出口。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1-3所示，本发明的实施例提供了一种船用二氧化碳洗涤塔，并且应用于船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统中。

具体地，该船用二氧化碳洗涤塔，自下部的烟气入口1至顶部的烟气出口12之间依次设置有旋汇耦合区9、旋流喷淋区10和除雾器11；

旋汇耦合区9由若干个导流单元拼接组成，每个导流单元包括底板9.1、导流筒9.2、中心筒9.3、导流叶片9.4和中心喷嘴9.5；

导流筒9.2的底端与底板9.1连接；

底板9.1上开有若干个吸收液回流孔9.6；

中心筒9.3套设在导流筒中心位置，中心筒9.3的底端为进液口，用于接收吸收液，中心筒9.3的顶端与中心喷嘴9.5螺纹连接；

导流叶片12.4沿中心筒12.3的圆周均匀分布，且两端分别与中心筒外壁12.3和导流筒12.2内壁连接，导流叶片12.4与水平面之间的夹角为30～80°；

旋流喷淋区10包括喷淋主管10.1、喷淋分管10.2、喷淋支管10.3和雾化喷嘴10.4；

喷淋主管10.1垂直安装在洗涤塔2中心，喷淋主管10.1的两端均为进液口，用于接收吸收液；

喷淋主管10.1由上至下均匀分布有若干喷淋分管10.2，且喷淋分管10.2水平安装在喷淋主管10.1上，沿喷淋主管10.1圆周分布；

喷淋支管10.3垂直安装在喷淋分管10.2上；

喷淋分管10.2和喷淋支管10.3的端口处沿水平方向安装有雾化喷嘴10.4，喷嘴喷射方向为水平朝向。

旋汇耦合区9气体的有效通流面积不小于洗涤塔截面积的80％。

旋汇耦合区9所有吸收液回流孔12.6的有效通流面积总和根据下列参数确定：吸收液常压通过时的流速为1～2m/s；

具体地，该船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统，包括：上述的洗涤塔、循环池3、吸收液再生装置5；

洗涤塔2底部的排液口与循环池3的进口相连；

循环池3的出口经过循环泵4后分两路连接：一路分别与旋汇耦合区9、旋流喷淋区10的进液口连接，另一路与吸附液再生装置5的进口连接；

吸附液再生装置5的出口也与循环池3的进口连接。

吸附液再生装置5的出口还与储罐6连接。

利用上述船用二氧化碳喷淋洗涤吸收装置进行二氧化碳喷淋吸收，包括以下步骤：

船舶内燃机废气经船用内燃机排气管1由洗涤塔2下方的废气入口进入洗涤塔中。废气首先经过旋汇耦合区9，吸收液由中心喷嘴12.5向上喷出，牵引废气与吸收液形成多股螺旋上升的气液混合流。

随后，气液混合流上升到达旋流喷淋区10，在旋流喷淋区9内，吸收液经喷淋分管10.2和喷淋支管10.3上的雾化喷嘴10.4水平喷出，带动小的螺旋上升的气液混合流以大螺旋上升的方式经过旋流喷淋区10，在旋汇耦合区9和螺旋喷淋区10完成对CO₂的喷淋吸收，旋汇耦合区9的液气比为0.5L/Nm³，旋流喷淋区10的液气比为3L/Nm³。

脱碳后废气经除雾器11去除夹带液滴后经洗涤塔2顶部的烟气出口排放至大气，吸收二氧化碳后的吸收液在重力作用下跌落至底板12.1上，由底板12.1上的吸收液回流孔12.6流至洗涤塔2底部的排液口并最终排至循环池3，经循环泵4分为两路，其中一路泵送至旋汇耦合区9和旋流喷淋区10，实现循环喷淋，随着吸收液中氨基酸盐的浓度降低，不能满足洗涤塔2中吸收液的浓度要求，另一路进入吸收液再生装置5进行吸收液再生，氨基酸盐溶液经再生后恢复脱碳能力，回流至循环池3。

采用化学再生对吸收液进行再生，脱碳产物为碳酸镁，将碳酸镁储存在储罐6中，待船舶靠港后送至岸上处理或销售。

经检测，脱碳塔入口CO₂浓度为4.5％，出口CO₂浓度为0.4％，脱碳效率为91％，脱碳塔进出口压力损失为1200Pa，小于一般船用柴油机的允许背压(1500Pa)，实现高效低阻运行，发生的化学反应式为：

(1)CO₂吸收：

2H₂NRCOO^-+CO₂→^-OOCRNHCOO^-+⁺H₃NRCOO^-

^-OOCRNHCOO^-+H₂O→H₂NRCOO^-+HCO₃ ^-

HCO₃ ^-→H⁺+CO₃ ^2-

(2)氢氧化镁溶解：

Mg(OH)₂→Mg²⁺+2OH^-

(3)CO₂固化封存：

CO₃ ^2-+Mg²⁺→MgCO₃

(4)氨基酸盐再生：

⁺H₃NRCOO^-+OH^-→H₂NRCOO^-+H₂O

Claims (6)

1.一种船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统，其特征在于，所述系统包括：洗涤塔（2）、循环池（3）、吸收液再生装置（5）；

所述洗涤塔（2）底部的排液口与循环池（3）的进口相连；

所述洗涤塔自下部的烟气入口（1）至顶部的烟气出口（12）之间依次设置有旋汇耦合区（9）、旋流喷淋区（10）和除雾器（11）；

所述旋汇耦合区（9）由若干个导流单元拼接组成，每个导流单元包括底板（9.1）、导流筒（9.2）、中心筒（9.3）、导流叶片（9.4）和中心喷嘴（9.5）；

所述导流筒（9.2）的底端与底板（9.1）连接；

所述底板（9.1）上开有若干个吸收液回流孔（9.6）；

所述中心筒（9.3）套设在导流筒（9.2）中心位置，中心筒（9.3）的底端为进液口，中心筒（9.3）的顶端与中心喷嘴（9.5）螺纹连接；

所述导流叶片（9.4）沿中心筒（9.3）的圆周均匀分布，且两端分别与中心筒（9.3）外壁和导流筒（9.2）内壁连接，导流叶片（9.4）与水平面之间的夹角为30~80°；

所述旋流喷淋区（10）包括喷淋主管（10.1）、喷淋分管（10.2）、喷淋支管（10.3）和雾化喷嘴（10.4）；

所述喷淋主管（10.1）垂直安装在洗涤塔中心，喷淋主管（10.1）的两端均为进液口；

所述喷淋主管（10.1）由上至下均匀分布有若干喷淋分管（10.2），且喷淋分管（10.2）水平安装在喷淋主管（10.1）上，沿喷淋主管（10.1）圆周分布；

所述喷淋支管（10.3）垂直安装在喷淋分管（10.2）上；

所述喷淋分管（10.2）和喷淋支管（10.3）的端口处沿水平方向安装有雾化喷嘴（10.4）；

所述循环池（3）的出口经过循环泵（4）后分两路连接：一路分别与旋汇耦合区（9）、旋流喷淋区（10）的进液口连接，另一路与吸收液再生装置（5）的进口连接；

所述吸收液再生装置（5）的出口也与循环池（3）的进口连接。

2.根据权利要求1所述的船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统，其特征在于，所述旋汇耦合区（9）气体的有效通流面积不小于洗涤塔截面积的80%。

3.根据权利要求1所述的船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统，其特征在于，所述吸收液再生装置（5）的出口还与储罐（6）连接。

4.根据权利要求3所述的船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统，其特征在于，所述装置还包括设置在旋汇耦合区（9）的进口处的调节阀I（7）和设置在吸收液再生装置（5）的进口处调节阀II（8）。

5.一种船用二氧化碳喷淋洗涤吸收方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述船用二氧化碳喷淋洗涤吸收系统，所述方法包括：

船舶内燃机废气由洗涤塔（2）下方的烟气入口（1）进入旋汇耦合区（9），吸收液经若干导流单元的中心喷嘴（9.5）向上喷出，在导流筒（9.3）中形成负压区，废气与吸收液形成若干个螺旋上升的气液混合流，随后上升至旋流喷淋区，与旋流喷淋区10内的吸收液接触反应，以吸收废气中的二氧化碳；旋汇耦合区（9）喷淋的液气比为0.2~1L/Nm³，旋流喷淋区（10）的液气比为2~4L/Nm³；

脱碳后废气经除雾器（11）去除夹带液滴后由洗涤塔的烟气出口（12）排入大气，吸收CO₂后的吸收液落入洗涤塔（2）底部，经排液口排至循环池（3），经循环泵（4）分成两路，其中一路进入旋汇耦合区（9）和旋流喷淋区（10）进行循环喷淋，另一路进入吸收液再生装置（5）进行吸收液再生，再回流至循环池（3）。

6.根据权利要求5所述的船用二氧化碳喷淋洗涤吸收方法，其特征在于，吸收液再生采用化学再生或热再生。

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