涤气器系统及方法

涤气器系统及方法
【专利摘要】本发明涉及用于从来自船的船舶发动机或船舶锅炉的排出气体中除去SO2的方法。来自所述船舶发动机或船舶锅炉的排出气体在第一涤气器部分(2)中用海水冷却并洗涤，且随后在第二涤气器部分(4)中用具有加入的碱性化学物质(11)的循环淡水洗涤。用于洗涤的所述循环淡水比在所述第一涤气器部分(2)中用于冷却的所述海水更暖。所述较暖的淡水与冷海水间接热交换。本发明还涉及相应的涤气器系统。
【专利说明】限且脱硫炼油法成本高且需要能量。使用1后从排出气体中除去各成分。
涤气技术正从其常用的地面应用改造到船二在船上的应用似乎是有前途的。一些公知
公知，其中它们数十年来已经具有从烟气吏水和石灰石的浆料在形成石膏的情况下[出售且作为例如在波特兰水泥I有超过98%的302去除效率。发生的化学
+⑶“邑)(1)
斤电过滤器或袋滤器中，因此避免浆料污染粒子过滤器和储存并处理粉状石灰石反应上并不恰当。财生，由此增加了涤气器构造材料的成本。
匕战在于当船航行经过不同水域时变化的严格的302排放水平的所谓的排放控制区制区内排放超过相当于在燃料油中的0.1%为3.5%硫且在2020年之后，该极限为0.5%控制区时涤气器必须更加有效并且必须实勺情况下)、海水温度和发动机载荷。
有限的自由度来调节涤气器的操作以便遵页当然是使涤气器和水系统的尺寸超大，由率。所述可能的条件的实例有高发动机荷3和极低的水温。然而，这并不是吸引人的系统的投资成本增加并且增加了在正常航切如40-80%发动机荷载、2.3%燃料硫含量、。在许多情形下，由于可利用的空间非常有系统。的烟气的涤气器。该涤气器由两段组成，第一除硫段用海水操作且第二水冷凝段用于产生淡水。
[0015]另外，湿式漆气器由Aalborg Industries A/S (Alfa Laval Aalborg A/S,自 2011年5月)安装在船上且自2010年6月已经投入操作。该涤气器是在船舶主发动机(21 MWMAN 2-冲程)之后世界上安装的第一个涤气器。该涤气器被称作混合涤气器，因为其具有以海水模式或以淡水模式操作的独特可能性。该涤气器还包括两部分。在第一部分中，排出气体通过喷淋与排出气体平行的向下流动的水来冷却并净化。在第二部分中，排出气体通过以与向下喷淋的水流逆流向上通过高表面填料元件来进一步冷却并净化。AalborgIndustries原型(proto-type)漆气器系统的概述已经在几个会议上公开。
[0016]在由Aalborg Industries A/S安装的湿式漆气器中，在以海水模式操作时在第一喷射式喷淋器部分中已经见到了高效的SO2去除。这可通过在第一部分中作为吸收反应的驱动力的气相中的SO2浓度相对较高的事实来解释。然而，在第二吸收部分中，需要大量的海水来除去剩余的SO2并且遵守关于0.1%硫当量(Seq)的严格法规。在由AlborgIndustries A/S制造的设施的情况下，当发动机在满荷载(21MW)下操作且当供应海水到两部分的泵在最大限度(1000m3/h)下工作时，在涤气器之后的硫排放通常为0.1-0.3% Seqo
[0017]在淡水模式下，遵守该严格的0.1% Seq极限不成问题。当以纯净淡水模式起动时，已经发现了差SO2吸收效率，但当该水已经再循环约10-30分钟之后，该效率显著增加。这可通过快速反应的碳酸氢盐缓冲液在水中积聚的事实来解释。除了 SO2之外，二氧化碳CO2也被从发动机排出气体中吸收。该CO2也将与所加入的苛性钠反应:
CO2 (g) + or — HCOf(9)
因为大部分水循环回到涤气器，所以所形成的碳酸氢根(HCO3-)将获得与SO2反应的另一机会:
SO2 (g) + HCCV — HSOf+ CO2 (g)(10)
在一定的操作时间之后，碳酸氢盐缓冲液将由此积聚在这样循环的水中。该碳酸氢盐缓冲液将促使液体在整个SO2吸收过程期间维持高pH且由此改善总体SO2吸收效率。
[0018]在实践中，已经发现难以从海水模式突然转换到淡水模式，这是因为一些海水将进入淡水系统或者因为污染的淡水将排到大海中。
[0019]概述
本发明的目的在于提供从船舶发动机或船舶锅炉除去SO2的改善的方法和相应的系统。
[0020]根据第一方面，提供用于从来自船的船舶发动机或船舶锅炉的排出气体中除去SO2的方法。所述方法的特征在于来自所述船舶发动机或船舶锅炉的排出气体在第一涤气器部分中用海水冷却并洗涤，且随后在第二涤气器部分中用具有加入的碱性化学物质的循环淡水洗涤，用于洗涤的所述循环淡水比用于冷却的所述海水更暖，且其中所述较暖的淡水与冷海水间接热交换。
[0021]如将在下文详细描述，使用淡水的所述第二涤气器部分改善最后且困难量的硫氧化物的去除，在一些情形下已经表明这些硫氧化物在使用海水的第一涤气器部分中难以除去。这可通过在所述第二涤气器部分中加入碱性化学物质来实现。在所述第一涤气器部分中，来自所述船舶发动机或所述船舶锅炉的排出气体从约180-250°C快速冷却到约45-55°C，同时在所述排出气体中所含的一部分SO2通过与所述海水符合上文论述的方程式
(3)-(8)反应而被所述海水“洗掉”。在所述冷却期间，所述排出气体的量减少，使得所述第二涤气器部分比否则所需要的尺寸小。这有助于改装设施。将这样部分洗涤过的排出气体在通过所述第二涤气器部分的同时进一步洗涤。在所述第二涤气器部分中，SO2通过使SO2与所述碱性化学物质根据上述方程式(2)反应而从所述排出气体中除去。诸如烟灰、油和重金属的颗粒物质被所述淡水洗掉。
[0022]在通过所述第二涤气器部分期间，在循环淡水中产生碳酸氢盐缓冲液，使得所述循环淡水在整个第二涤气器部分中维持高于5.5的pH，由此可以改善总体SO2吸收效率。注意上文给出的描述在所述碳酸氢盐与所述SO2之间的反应的方程式(10)。
[0023]为了在所述第二淡水部分中冷凝尽可能多的水，使所述循环淡水与供应到所述第一部分的冷海水热交换。用于热交换的所述冷海水可与供应到所述第一涤气器部分的海水相同或为对于特定用途而提供的单独供应的冷海水。供应到所述换热器的冷海水的温度将接近于周围海水的温度且因此将始终比循环淡水冷。在所述第二涤气器部分中将水冷却并冷凝的主要优点在于降低排到大气的净化的排出气体中的水蒸气含量，由此减小羽流可见度且由此将所述涤气器系统的淡水总消耗降低或转为净水产生。如果两个涤气器部分都用循环淡水进料，则所述冷却需要大得多的海水流量且该海水将只是被再次排出，而没有在涤气过程中利用。
[0024]所述较暖的淡水与所述冷海水间接热交换。间接热交换是指没有发生这两种流体的混合。已经发现，在海水模式操作期间在去除SO2方面温海水比冷海水略微有效。试验表明用具有16°c的海水获得约94%的SO2去除效率，而当海水温度降到约8°C时，SO2去除效率跌至约90%。该发现预料不到地与本领域技术人员将预测到的结果(例如Andresen A.、Mayer S.“Use of Seawater Scrubbing for SO2 removal from Marine Engine ExhaustGas (海水涤气用于从船舶发动机排气除去SO2的用途)”，Energy & Fuels 21 (6)，2007)相反。通常，虽然认为在液体内的反应瞬间发生，但总体SO2吸收效率由从气相到液相的吸收速率控制。因此，所述吸收效率通常通过低蒸气压且因此低温增强。然而，在目前的情况下，在液体在涤气器中的停留时间非常有限且在冬季海水非常冷的情况下，总体吸收效率不再仅由气相到液相的吸收控制，而是还由在液态海水中必定发生的化学反应(参见方程式(3)-(8))控制。后一化学反应速率随温度降低而降低。
[0025]可将向所述第一涤气器部分的海水供应暂时中止或减少，同时在所述第二涤气器部分中继续用循环淡水洗涤所述排出气体。
[0026]所述方法还可包括以下步骤:在于所述第二涤气器部分中用循环淡水洗涤之前使在所述第一涤气器部分中洗涤的所述排出气体通过除雾器单元，由此防止海水液滴和海水盐进入所述第二涤气器部分。所述除雾器单元由于脱盐作用可以将淡水加到所述第二涤气器系统的循环淡水中。因为淡水常常是船上的稀缺商品，所以这是有利的。所述方法还可包括以下步骤:在排出之前在水净化单元中净化所述循环淡水。除了 SO2以外，诸如灰粒、油和重金属的颗粒物质也被吸收在所述水中。所述水净化单元可在淡水进一步循环通过所述第二涤气器之前净化所述淡水。其也可在所述淡水排出之前净化所述淡水，由此遵守关于水排出标准的有关法规。来自所述水净化单元的包含颗粒物质的污泥可收集在船上且当所述船停泊时处置到适当设施。所述水净化单元例如可为离心机或过滤器。然而，应该理解其他水净化方法适用。然而，仅可以以淡水模式净化排出水，因为海水的流量太高。典型地，以海水模式，排出流量为约50m3/MWh，而典型地，以淡水模式，排出流量仅为0.05-0.5m3/MWh。
[0027]所述碱性化学物质可为氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(Na2CO3)或碳酸氢钠(NaHCO3)。应理解这些是合适碱性化学物质的非限制性实例。
[0028]根据本发明的第二方面，提供了用于从来自船的船舶发动机或船舶锅炉的排出气体中除去SO2的涤气器系统。所述涤气器系统包括与第二涤气器部分连通布置的换热器和第一涤气器部分，其中来自所述船舶发动机或船舶锅炉的排出气体布置成供应到所述第一涤气器部分以便用待供应到所述第一涤气器部分的海水冷却并洗涤，且其中这样洗涤并冷却的排出气体布置成供应到所述第二涤气器部分以便用待供应到所述第二涤气器部分的具有加入的碱性化学物质的循环淡水洗涤，用于洗涤的所述循环淡水比用于冷却的所述海水更暖，且其中所述较暖的淡水布置成通过所述换热器与冷海水间接热交换。所述系统包括与先前论述的方法基本相同的特点。为了避免过度重复，关于优点，参考论述所述方法的早下。
[0029]所述涤气器系统还可包括多个阀门，由此在于所述第二涤气器部分中用循环淡水连续洗涤所述排出气体期间向所述第一涤气器部分的海水供应可通过所述阀门暂时中止或减少。
[0030]所述涤气器系统还可包括布置在所述第一涤气器部分的出口与所述第二涤气器部分的入口之间的除雾器单元。通过所述除雾器单元，防止来自所述海水的盐粒与所述排出气体一起进入所述第二涤气器部分。
[0031]本发明的其他目的、特点、方面和优点将从以下详述以及附图中显而易见。
[0032]附图简述
将参考本发明的一个实施方案以下详述并结合附图更好地理解本发明。
[0033]图1示出了根据本发明的一个实施方案的涤气器系统。
[0034]发明详述
在下文中，将参考图1论述符合本发明的漆气器系统的一个实施方案。
[0035]该漆气器系统基于包括第一漆气器部分2和第二漆气器部分4的漆气器。除雾器单元3布置在第一涤气器部分2的出口与第二涤气器部分4的入口之间。作为一个非限制性实例，第一涤气器部分2可为本领域公知的喷淋器型的涤气器部分，且第二涤气器部分4可为在本领域中同样公知的填充床型涤气器部分。然而，应该理解其他类型的涤气器部分或涤气器系统也是可能的，并且本发明不应该受这些实例限制。还应该理解，涤气器部分可由串联的几段组成，这些段一起提供与一个涤气器部分可实现的功能相同的总体功能。涤气器部分的目标功能将从以下描述的上下文中理解。
[0036]第一涤气器部分2布置成与自其接收排出气体I的船舶的船舶发动机或船舶锅炉(没有公开)连通。将从该船舶发动机或船舶锅炉接收的排出气体I在第一涤气器部分2的顶端进料到第一涤气器部分2中以便用海水流洗涤。第一涤气器部分2供应有主要在其顶部经喷嘴32进入第一涤气器部分2的海水。海水16可从大海中直接供应。在正常操作下，从第一涤气器部分2的下端离开第一涤气器部分2的所有海水通过脱气单元7且经阀门21排出。在脱气单元7中，除去任何残余的气泡。
[0037]第一涤气器部分2的主要用途是将从船舶发动机或船舶锅炉接收的排出气体的温度从约180-250°C的温度迅速降低到约45-60°C的温度范围。通过该温度降低，减少排出气体的体积，由此将在下文解释的第二涤气器部分4可以较小尺寸给出。在于第一涤气器部分2中洗涤期间，还发生SO2的去除，由此碱性化学物质在第二涤气器部分4中的消耗减少。该洗涤过程是在气体与液体之间的混合或接触。因为海水在不净化的情况下直接排出，所以在第一涤气器部分2中可施用喷淋型涤气器。其中，可以优化海水液滴尺寸及气体和液体的流量，从而降低灰粒从排出气体中的去除，同时仍然吸收尽可能多的二氧化硫。
[0038]将这样洗涤过的排出气体经除雾器单元3进料到第二涤气器部分4。在除雾器单元3中，蒸发的海水的液滴从排出气体中分离，此后排出气体在第二涤气器部分4中用含有碱中和剂的淡水再次洗涤。更具体地说，该排出气体经布置在第二涤气器部分4的下端的入口进入第二涤气器部分4且与从第二涤气器部分4的顶端经喷嘴34喷射到第二涤气器部分4中的淡水逆流相遇，之后经在其顶端的气体出口离开第二涤气器部分4。离开第二涤气器部分的淡水具有在30-60°C范围内的温度，在下文中将该温度确定为第二温度范围。由于该淡水在排出之前对于灰粒进行净化，在第二涤气器部分4中优选施用技术人员公知的气体吸收型和/或冲击型涤气器。在气体吸收型涤气器中，灰粒的去除通过扩散优化，需要大表面积和长接触时间。在冲击型涤气器中，灰粒主要通过冷凝生长、接着主要使用动能，即高水速或高气体速度来除去。
[0039]当这样净化的排出气体在第二涤气器部分4的顶端离开第二涤气器部分4时，蒸发的淡水的液滴在除雾器单元5中自洗涤过的排出气体分离。这样洗涤并净化的排出气体6被排放到大气中。
[0040]第二涤气器部分4与淡水循环系统连接，该淡水循环系统包括回流槽9、水净化单元13和换热器10。更确切地说，经第二涤气器部分4的下端离开第二涤气器部分4的淡水在脱气单元8中脱气以除去通过作为储集器使用的回流槽9的气泡且随后泵送通过换热器10以从该水中除去灰粒和可能的油性残余物，之后将其进料到水净化单元13，其可自水净化单元13排出，如参考数字14所说明，进料返回到回流槽9中或进料返回到第二涤气器部分4中。在将淡水经喷嘴34泵送回到第二涤气器部分4的顶端之前，通过加入碱性化学物质11将其中和。该碱性化学物质例如可为氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(Na2CO3)或碳酸氢钠(NaHCO3)。应理解这些是合适碱性化学物质的非限制性实例。在加入该碱性化学物质之后，循环水将具有6-9的pH。
[0041]水净化单元13将保持颗粒物质的循环淡水净化以便第二涤气器部分4的正确操作和净化水14根据有关立法需求的排放。该水净化单元例如可为高速分离器。高速分离器和水净化单元通常为技术人员所公知，由此不需要进一步解释。水净化单元13还配置成净化欲排出的淡水14以使其遵守关于排水的有关法规。由水净化单元13分离的以颗粒物质和水形式的污泥可收集在船上且当该船停泊时处置到适当设施。
[0042]换热器10用来自第二涤气器部分4的淡水和来自周围海洋的冷海水16进料。应理解也可使用在第一涤气器部分2中使用的海水。可施用间接换热器，优选板型换热器，由此将热从循环的淡水传递到海水。术语间接换热器是指在其中使用的两种流体彼此不直接接触的换热器。
[0043]布置在换热器10和第一涤气器部分2之间的阀门19a可在正常操作下开启，从而将所有海水引入第一涤气器部分2中。在通过第一涤气器部分2之后，海水在脱气单元7中脱气。如果离开第一涤气器部分2的海水未被硫完全饱和且如果该涤气器相对于海平面在高位安置，则借助于泵22将其一部分循环到第一涤气器部分2的顶部是有利的。剩余部分可经舷外排出管道18排到大海中。待从脱气单元7排出的海水的pH值可通过经布置在连接换热器10出口与脱气单元7出口的管道中的阀门19b供应一部分冷海水将其稀释来控制。或者，待从脱气单元7排出的海水的pH值可通过在作为物流18排出之前用纯净海水17稀释来控制。
[0044]脱气单元7和脱气单元8与第一涤气器部分2和第二涤气器部分4连接，由此气泡与排出气流6 —起释放。实际上，脱气功能也可为第一漆气器部分2和第二漆气器部分4中的集成部分。或者，第二涤气器部分4、脱气单元8和回流槽9可为集成部分一典型地在涤气器的底部具有液体储集器。
[0045]在特别敏感区域中，其中可能不允许排出来自涤气器系统的酸化水，可关闭阀门19a且第二涤气器部分4随后必须以淡水模式继续。也可关闭阀门20以在完全闭合的环路中操作涤气器历时有限的时间。根据涤气器系统的耐热性，随着主要海水流绕道该部分，可能需要将少量冷却水加到第一涤气器部分2或另一(未公开的)冷却单元中。然而，这仅是非常有限量的水，因为从排出气体中除去的能量不仅用于加热该水，而且用于完全蒸发该水。如果在船上有足够的淡水，则这可优选用于该用途和该部分，其可能不蒸发，而可进料到回流槽9中。如果纯淡水的可得性在船上受限制，则允许少量的海水通过阀门19a且在第一涤气器部分2中未蒸发的盐浓缩物可聚积在脱气单元7中，聚积在其他地方，用于其他用途，或者可将其中和、净化并排出(在图1上未公开)。
[0046]在阀门19b开启的情况下，应该控制布置在脱气单元7的出口和舷外排出管道18之间的阀门21，从而消除在海水排出管道中的空气。如果该管道用水而不是压缩空气填充，则可以在板式换热器的海水出口处产生吸力，由此使向上供应冷海水16到换热器10的能
量减至最小。
[0047]用在图1中所示的涤气器系统的另一可能性在于弥补减小的海水碱度，例如当船航行到具有不同盐水平的波罗的海(Baltic Sea)时。在这种情形下，海水碱度将缓慢减小且第二涤气器部分4的入口 SO2浓度将缓慢开始相应增加。然而，这借助于控制器30解决，控制器30可获得在欲排放的洗涤过的排出气体6中的SO2浓度作为输入信号且其随后可逐渐增加碱性化学物质11向循环淡水回路的配量。控制器30可通过在除雾器单元5之后在第二涤气器部分4的出口处的传感器配置(未公开)接收关于在排出气体6中的SO2浓度的信息。
[0048]参照关于方程式(9)和(10)的先前论述，碳酸氢盐缓冲液将积聚在循环水中。该碳酸氢盐缓冲液将促使液体在整个SO2吸收过程期间维持高pH且由此改善总体SO2吸收效率。为了解决用其中不存在碳酸氢盐的淡水涤气的潜在问题并且为了对碱配量进行更加简化的自动控制，如果将要交换淡水，则至少20%的“旧”循环水应该保留在该系统中。该淡水必须在用钠盐饱和之前更换。可将剩余80%的含有硫酸钠盐的淡水排出。该排出可经由水处理系统进行。这样释放的槽体积可用纯净淡水再填充。因为保持了至少20%的旧水，所以避免了用在该水中没有碳酸氢盐缓冲液的纯净淡水启动。优选在可能的空隙空间、即高于在所提到的回流槽中的液面的空间中的CO2水平应该保持尽可能地高以避免碳酸氢盐缓冲液分解。在实践中，这可通过将回流槽连接到排出气体管道系统来实现。以此方式，也可将从回流槽中的水中释放的可能的气体涤气并通过现有的气体分析器监测，之后将其排放到大气中。
[0049]所显示的涤气器系统的益处还在于在正常操作期间可能没有淡水消耗。来自船舶发动机或船舶锅炉的排出气体通常将在180-250°C的温度下进入第一涤气器部分2且随后通过注入第一涤气器部分2中的海水冷却。许多海水由此蒸发到气相中，由此使得该气体在除雾器单元3的入口处用水蒸气饱和。该水将在第二涤气器部分4中冷凝且增加循环淡水的体积。冷凝下来的淡水的量将随着换热器10的效率而增加。该淡水可解决淡水随洗涤过的排出气体6的损失并解决经净化单元13排出的含硫酸盐的淡水14。如果换热器10的效率不足或如果需要更冷温度的海水进入第一涤气器部分2，则可建立用于另外冷却循环淡水的手段。
[0050]除雾器单元3的主要目的在于避免海水液滴从第一涤气器部分2传输到用淡水操作的第二涤气器部分4。可加入纯净的水3a以保持除雾器单元3净化诸如烟灰、油和重金属的颗粒物质。净化水3a以及在除雾器单元3中分离出来的海水液滴可经出口 3b排出。根据量和组成，该水3b可(未公开)与经由舷外排出管道18排出的海水或者与循环淡水混合。应该总体优化除雾器单元3以具有低气体压降和高液滴分离效率。应理解用于将排出气体从第一涤气器部分2引导到第二涤气器部分4且特别用于在第二涤气器部分4的入口处分配排出气体的叶片(未公开)可与除雾器单元3的液滴分离功能集成。
[0051]从上文描述中得出:虽然已经描述并示出了本发明的各种实施方案，但是本发明并不受此限制，而本发明还可在以下权利要求书中限定的主题的范围内以其他方式体现。
【权利要求】
1.用于从来自船的船舶发动机或船舶锅炉的排出气体中除去SO2的方法，其特征在于，来自所述船舶发动机或船舶锅炉的排出气体在第一涤气器部分(2)中用海水冷却并洗涤，且随后在第二涤气器部分(4)中用具有加入的碱性化学物质(11)的循环淡水洗涤，用于洗涤的所述循环淡水比用于冷却的所述海水更暖，且其中所述较暖的淡水与冷海水间接热交换。
2.权利要求1的方法，其中将向所述第一涤气器部分(2)的海水供应暂时中止或减少，同时在所述第二涤气器部分(4)中继续用循环淡水洗涤所述排出气体。
3.权利要求1的方法，其包括如下步骤:在于所述第二涤气器部分(4)中用循环淡水洗涤之前使在所述第一涤气器部分(2)中洗涤的所述排出气体通过除雾器单元(3)，由此防止海水液滴和海水盐进入所述第二涤气器部分(4)。
4.权利要求1的方法，其包括以下步骤:在排出之前在水净化单元(13)中净化所述循环淡水。
5.权利要求1的方法，其中所述碱性化学物质为氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(Na2CO3)或碳酸氢钠(NaHCO3)。
6.用于从来自船的船舶发动机或船舶锅炉的排出气体中除去SO2的涤气器系统，其特征在于所述涤气器系统包括与第二涤气器部分(4)连通布置的换热器(10)和第一涤气器部分(2)，其中来自所述船舶发动机或船舶锅炉的排出气体布置成供应到所述第一涤气器部分(2)以便用待供应到所述第一涤气器部分(2)的海水冷却并洗涤，且其中这样洗涤并冷却的排出气体布置成供应到所述第二涤气器部分(4)以便用待供应到所述第二涤气器部分(4)的具有加入的碱性化学物质(11)的循环淡水洗涤，用于洗涤的所述循环淡水比用于冷却的所述海水更暖，且其中所述较暖的淡水布置成通过所述换热器与冷海水间接热交换。
7.权利要求6的涤气器系统，其还包括多个阀门(19a、19b)，由此在所述第二涤气器部分(4)中用循环淡水连续洗涤所述排出气体期间向所述第一涤气器部分(2)的海水供应可通过所述阀门暂时中止或减少。
8.权利要求6的涤气器系统，其还包括布置在所述第一涤气器部分(2)的出口与所述第二涤气器部分(4)的入口之间的除雾器单元(3)。
【文档编号】B01D53/75GK103842051SQ201280048132
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年9月12日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】J.P.汉森 申请人:阿尔法拉瓦尔股份有限公司