一种低成本船舶湿法脱硫尾气制取淡水的装置及方法与流程

本发明涉及资源与环境保护领域，尤其涉及一种低成本船舶湿法脱硫尾气制取淡水的装置及方法。

背景技术：

在世界货物运输中，远洋运输占据了很大的比例。远洋货物运输具有通行能力强、运输量大、运费低廉、对货物的适应性广等特点。目前，国际贸易总运量中的三分之二以上，我国进出口货物运输总量的90％都是利用远洋运输。

远洋船舶在远洋运输持续时间较长，船员饮用、生活及船上设备使用的淡水均通过岸边补给或在船舶上安装海水淡化装置来解决；采用岸边补给淡水时，需要根据船舶航程制定较大的淡水储存箱，占用了大量的远洋船舶的使用空间，降低了船舶的运载能力；采用海水淡化制作淡水，不仅淡水制作成本较高，且装置体积庞大，同样会降低船舶的运载能力，因此，如果实现远洋船舶低成本制取淡水，是目前远洋船舶运输面临的难题。

随着运输船舶数量的剧增，远洋船舶在运行过程中，动力装置柴油机尾气排放的污染物对大气环境和远洋环境造成的污染和危害也日趋严重。船舶柴油机燃烧排放的尾气主要以二氧化硫so2和氮氧化物no2及颗粒物为主，为了减少船舶尾气对大气环境的影响，近年来国内外一些船用设备厂商及科研院所在船舶硫氧化物、氮氧化物排放控制技术方面开展了大量的研究工作。

海水法、镁基法、钙基法及钠基法湿法脱硫技术是近年发展起来的几种较为成熟的船舶尾气治理技术，在船舶尾气治理中应用最为广泛。船舶尾气湿法脱硫装置利用天然海水或海水与脱硫剂制备成的脱硫浆液或脱硫溶液与船舶高温柴油机尾气进行反应，中和吸收烟气中的酸性气体并捕集颗粒物等污染物，从而实现船舶尾气的净化处理。

船舶尾气湿法脱硫反应过程中受气液温差影响，高温烟气将部分海水蒸发成水蒸气，随尾气排放进入大气中。完成湿法脱硫净化的船舶尾气排气温度约30-40℃，为过饱和烟气，烟气中的水蒸气含量约35-40g/nm³，因此，远洋船舶在运输过程中，柴油机尾气向环境中排放了大量的淡水资源。若能回收尾气中的淡水资源，不仅可以解决远洋船舶高昂的淡水制作成本，还能大幅降低船舶淡水储仓的体积，提高船舶的运载量。以一艘排气量20万nm³/h的中小型远洋船舶为例，湿法脱硫尾气每小时向环境中排放的淡水量约7-8吨/h，若能回收其中的30％即可实现远洋船舶淡水自给。

目前，从远洋船舶湿法脱硫尾气中回收淡水资源的技术还处于空白。

技术实现要素：

本发明提供了一种低成本船舶湿法脱硫尾气制取淡水的装置及方法，利用低温海水对完成多级除尘除雾的湿法脱硫的饱和烟气进行间接冷凝降温，回收烟气中的洁净液态水；将海水先换热升温再用于烟气喷淋洗涤，增加湿法脱硫饱和尾气的排烟温度并提高海水蒸发量，降低淡水回收成本并提高产淡水产出量；产出的淡水经反渗透进一步处理后作为船用淡水水源，采用本发明提供的技术方案可大幅降低远洋船舶淡水制取成本，提高船舶淡水产量，提高远洋船舶航程。

具体技术方案如下：

一种低成本船舶湿法脱硫尾气制取淡水的装置，包括洗涤塔、缓冲水箱、反渗透系统及淡水储箱；

所述洗涤塔下部侧壁或洗涤塔底部设有烟气进口，顶部设有烟气出口，塔内底部设有排液口；洗涤塔内部且位于烟气进口上方由下至上依次设置净化喷淋层、一级除雾层、塔体变径段、二级除雾层、集液层以及冷凝层；所述塔体变径段下方为圆柱形空塔，上方为正方形空塔；

所述缓冲水箱顶部设有进水口，中部设有溢流口，底部设有出水口；所述进水口通过管路与集液层的出口连通，所述出水口通过高压泵进出口连接管路与反渗透系统进水口连通；

所述洗涤塔的排液口、缓冲水箱的溢流口以及反渗透系统的浓水出口与外排管道连通。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种低成本船舶湿法脱硫尾气制取淡水的方法，优选通过所述的低成本船舶湿法脱硫尾气制取淡水的装置实现，包括以下步骤：

(1)将船舶尾气由烟气进口通入洗涤塔内，由海水作为净化喷淋层的喷淋液对船舶尾气进行洗涤、降温、增湿，得到饱和湿烟气；

(2)所述饱和湿烟气进入一级除雾层，去除部分颗粒粉尘和含盐雾滴；

(3)经一级除雾后，湿烟气经塔体变径段进入上方塔体，进入二级除雾层，进一步去除颗粒粉尘和含盐雾滴，得到洁净饱和湿烟气；

(4)洁净饱和湿烟气穿过集液层上升至冷凝层，在冷凝层内降温达到过饱和状态，其中的水蒸汽凝结成液态洁净水并下落至集液层，由集液层出口排入缓冲水箱；完成多级冷凝收水后的烟气由烟气出口排出；

(5)所述洁净水通过高压泵送入反渗透系统，经反渗透膜浓缩处理后获得淡水和浓水。

获得的淡水用于饮用水和生活用水，获得的浓水随完成脱硫、除尘的净化喷淋层洗涤液排入海洋。

所述的低成本船舶湿法脱硫尾气制取淡水的装置还包括冷却液泵；

所述的净化喷淋层包括上层净化喷淋层和下层净化喷淋层；

所述冷却液泵的出水口管路分为两路，一路通过管路与冷凝层的冷却液进口连通，所述冷凝层的冷却液出口通过管路与下层净化喷淋层的喷淋液进口连通；另一路通过管路与上层净化喷淋层的喷淋液进口连通。

步骤(1)中，船舶尾气由烟气进口进入洗涤塔内，经两层海水喷淋脱硫、除尘。下层净化喷淋层采用冷凝层换热后的高温海水作为喷淋液，高温海水与高温船舶尾气换热蒸发出大量淡水蒸汽；上层净化喷淋层直接抽取低温海水对船舶尾气进行降温、增湿，湿烟气中部分水蒸气以粉尘为晶核凝结，形成液态水随喷淋液下落至洗涤塔塔釜排出塔外，同时烟气进一步蒸发冷凝并达到饱和状态。

这里的低温海水和高温海水是相对而言的，低温海水是指直接从海洋抽取的海水，高温海水是指冷凝层排出的与高温船舶尾气换热后的海水。

优选的，所述一级除雾层内的除雾器为折流板式除雾器，所述折流板式除雾器进口端烟气通道大于中部和出口端烟气通道。

进口端烟气通道大，去除粒径较大的海水雾化液滴及粉尘颗粒物，中部和出口端烟气通道小，去除粒径较小的雾化液滴及粉尘颗粒物，降低除雾器堵塞的风险和除雾器阻力。

进一步优选的，一级除雾层内，折流板间距为5-20mm，进口端相邻板长差为10-150mm，除雾器高度为0.2-1.0m。

在一级除雾层内，折流板长短不一，长折流板与短折流板交替设置，除雾器进口端相邻折流板的长度差为10-150mm。

洗涤塔分为上下两段，上下两段通过塔体变径段对接。塔体变径段上方塔体的烟气流通横截面大于下方塔体的烟气流通横截面。

烟气由下方塔体进入上方塔体后，烟气流速降低，延长了烟气在二级除雾层和冷凝层的停留时间，从而可降低二级除雾层内的除雾器和冷凝器高度。

优选的，塔体变径段下方塔体的横截面为圆形，塔体变径段上方塔体的横截面为方形；上段正方形塔体横截面的边长为下段圆形塔体横截面的直径的1.0-1.5倍。

所述二级除雾层内的除雾器为采用平板排列形成的屋脊式除雾器。屋脊式除雾器可增加烟气过流面积，降低烟气流速，有助于捕获烟气携带的细小液滴，同时去除烟气中液滴携带的可溶性盐。

优选的，所述二级除雾层内的除雾器位于塔体变径段上方0.5-1.0m，二级除雾层高0.5-2.0m。

进一步优选的，所述屋脊式除雾器的平板间距为5-20mm。

船舶尾气经过两层喷淋换热冷凝洗涤和两级除雾器除尘除雾，尾气中污染物得到深度净化，得到洁净饱和湿烟气，其中二级除雾器捕集的液态水滴下落至一级除雾层对一级除雾器表面进行冲洗，去除一级除雾器表面的污染物，实现一级除雾器零水耗自冲洗。

所述冷凝层内设置1～4层冷凝器；冷凝器的换热元件由换热管和折流叶片组成。冷凝液在换热管内高进低出。折流板叶片起到增大冷凝器换热面积、捕集冷凝液滴回收水和支撑换热器的作用。

优选的，每层冷凝器进水口通过管路单独与冷却液泵出口主管相连，并设阀门单独控制每层冷凝器的冷却液流量，从而调节烟气温度降低幅度，实现控制水汽的冷凝回收产量。

优选的，下层冷凝器距集液器0.3-1.0m，相邻两层冷凝器的间距为0.3-0.8m，单层冷凝器高度为0.3-1.5m。

优选的，控制单层冷凝器的烟气降温幅度为0.5-5℃。

所述缓冲水箱顶部设置一个进水口，中部设置一个溢流口，底部设置一个出水口，底部出水口通过管路连接高压泵进口，中部溢流口设置调节阀门与外排管路连通。在生活饮用水储藏充足的情况下，关闭反渗透过滤系统，集液层收集的洁净水溢流至缓冲水箱，并由缓冲水箱中部溢流口溢流至外排管道，也可调节冷凝器进水口阀门，降低低温海水流量，控制冷量。

所述反渗透系统的进水口通过管路与高压泵出口相连，反渗透系统的浓水出水口与外排管路连通，淡水出水口与淡水储箱连通。优选的，所述反渗透系统的反渗透膜采用管式膜；反渗透膜的运行压力为2-10mpa，出水淡水盐含量＜0.05％。

在船舶动力系统负荷低或淡水用量大时，调节冷凝器进水口阀门，增加低温海水流量，提高冷凝量及淡水产量，也可将反渗透系统浓水返回至缓冲水箱，浓缩制取淡水。

进一步优选的，反渗透膜的运行压力为2-10mpa，出水淡水盐含量＜0.05％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种低成本船舶尾气深度净化的解决方案，采用变径增加洗涤塔(脱硫塔)上段的截面积，降低除雾冷凝段烟气流速，延长除雾冷凝时间，提高烟气净化效率；采用屋脊式除雾器进一步降低烟气在除雾器内的烟气流速，实现颗粒物及含盐液滴的深度净化，提高淡水水质并降低冷凝液处理成本；

(2)本发明提供了一种可实现低成本、高效率回收船舶湿法脱硫尾气中淡水资源的解决方案；利用完成冷凝换热的高温海水用于湿法脱硫剂，大幅提高湿法脱硫后烟气的排烟温度和海水蒸发量，提高冷凝过程的产水量，降低冷凝水回收成本，可实现远洋船舶无需携带淡水而进行长时间连续航行。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；其中：

1-洗涤塔，2-冷却液泵，3-缓冲水箱，4-高压泵，5-反渗透系统，6-淡水储箱，1-1烟气进口，1-2喷淋层，1-3一级除雾器，1-4塔体变径段，1-5二级除雾器，1-6集液器，1-7冷凝层，1-8烟囱。

具体实施方式

如图1所示，本发明低成本船舶湿法脱硫尾气制取淡水的工艺所基于的装置包括：洗涤塔1、冷却液泵2、缓冲水箱3、高压泵4、反渗透系统5、淡水储箱6，其中洗涤塔1由下至上依次设置洗涤塔釜、烟气进口1-1、喷淋层1-2、一级除雾器1-3、塔体变径段1-4、二级除雾器1-5、集液器1-6、冷凝层1-7和烟囱1-8出口。

船舶尾气由烟气进口1-1进入洗涤塔1，经喷淋层1-2内的两层海水喷淋脱硫，同时下层净化喷淋液采用换热后高温海水，与高温烟气换热蒸发出大量淡水蒸汽，上层净化喷淋液采用低温海水对尾气进行降温增湿，湿烟气中部分水蒸气以粉尘为晶核凝结，形成液态水随喷淋冷液下落至洗涤塔釜并排出塔外，烟气中大部分粒径较大颗粒物粉尘得到去除。

完成喷淋洗涤后，饱和湿烟气携带少量细颗粒物粉尘及含盐的海水液滴进入一级除雾器1-3，烟气穿过通道由宽变窄的折流板除雾器，在宽通道部位大粒径颗粒粉尘及海水雾化液滴在惯性力作用下与折流板叶片撞击而被捕获，细颗粒粉尘及液滴在流通截面较窄处与折流板叶片发生碰撞被捕获，饱和湿烟气中粉尘及含盐液滴等污染物得到深度去除。

完成一级除尘、除雾的饱和湿烟气上升通过塔体变径段1-4进入方形塔体，方形塔体横截面边长为圆形塔体横截面直径的1.0-1.5倍，烟气流通截面积增大，烟气流速下降，粉尘及细小雾滴相互碰撞聚并长大，部分下落至洗涤塔釜，烟气中携带少量雾滴通过二级除雾器1-5，烟气流通截面再次增大，烟气流速继续下降，细小雾滴聚成大液滴与二级除雾器1-5平板碰撞被捕获，同时饱和湿烟气中的液滴携带的大部分可溶性盐被去除。

经过二级除雾器1-5除雾后的洁净饱和湿烟气穿过集液器1-6上升至冷凝层1-7，在冷凝器表面与换热器管内的冷液间接换热降温，洁净饱和湿烟气中水蒸汽凝结成细小液滴，被冷凝器叶片捕获，下落至集液层1-6收集，在重力作用下溢流至缓冲水箱3。

缓冲水箱3的洁净水经高压泵4输送至反渗透系统5深度过滤，淡水输送至淡水储箱6作为饮用和生活水，浓水和缓冲水箱溢流水输送至设备用水储箱和其他设施用水储箱，富余部分随净化喷淋层1-2洗涤液外排海洋。

其中一级除雾器1-3为一层折流板除雾器，折流板间距5mm-20mm，进口相邻板长差10mm-150mm，一级除雾层高度为0.2-1.0m；二级除雾器1-5采用平板排列组成的屋脊型式除雾器，二级除雾器位于塔体变径接口上方1.0-1.5m，平板间距5-20mm，除雾器层高0.5-2.0m。

冷凝层1-7设置n(n≤4)层由换热管和折流叶片组成的冷凝器换热元件。每层冷凝器进水口通过管路单独与冷却液泵2出口主管相连，并设阀门单独控制换热器冷液流量，调节烟气温度降低幅度，实现控制冷凝回收产量，冷凝液在换热管内高进低出。下层冷凝器距集液器0.3-1.0m，相邻两层冷凝器间距0.3-0.8m，单层冷凝器高度0.3-1.5m，单层换热器烟气降温幅度为0.5-3℃。

生活饮用水储藏充足时，调节冷凝器进水口管路阀门，降低冷凝器低温海水流量，或关闭反渗透过滤系统，集液器1-6收集的洁净水溢流至缓冲水箱，由中部溢流口溢流至外排管道，保证其他设备和设施的用水供应。船舶动力系统负荷低和饮用水用量大储存不足时，调节冷凝器进水口管路阀门，增大低温海水流量，提高烟气冷凝量和海水产量。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。