水力空化强化Na_2S_2..._8的船舶废气脱硝实验研究_张博浩.pdf

第 44 卷第 2 期2023 年 2 月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报Journal of Harbin Engineering UniversityVol.44.2Feb.2023水力空化强化 Na2S2O8的船舶废气脱硝实验研究张博浩1,2,宋立国1,邓琤琪1,杨金刚1,王鹏2,潘新祥1,3(1.大连海事大学 轮机工程学院,辽宁 大连 116026;2.中国船级社江苏分社,江苏 南京 210003;3.广东海洋大学 电子与信息工程学院,广东 湛江 524088)摘 要:为探索船舶尾气高效脱硝新方法,本文使用水力空化强化 Na2S2O8进行湿法氧化脱硝。通过与鼓泡方式进行对比,证明了水力空化强化 Na2S2O8脱硝的可行性。研究了溶液温度、入口压力、氯离子(Cl-)等因素对 NO 去除率的影响。结果显示:当 Na2S2O8浓度为 0.1 mol/L 时,溶液温度从 30 升高到 80,NO 去除率由 9.8%增长到 71.2%。NO 去除率随水力空化反应器入口压力提高呈现先上升后下降的趋势。入口压力为 350 kPa 时,NO 去除率最高。Cl-可以显著提高 NO 去除率。溶液温度为 60 时,在浓度为 0.1 mol/L 的 Na2S2O8溶液中加入氯化钠,能产生 HOCl、Cl2等含氯氧化性物质,从而极大地增加反应溶液的氧化能力。NO 去除率超过 90%的维持时间长达 142 min。在海水条件下水力空化能有效促进 Na2S2O8脱硝,具有船舶应用前景。关键词:船舶尾气;脱硝;过硫酸钠;水力空化;氯离子;硫酸根自由基;羟基自由基;有效氯DOI:10.11990/jheu.202105052网络出版地址:https:/ 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2023)02-0244-07A study on NOx removal from marine exhaust gas through Na2S2O8 solution scrubbing enhanced by hydrodynamic cavitationZHANG Bohao1,2,SONG Liguo1,DENG Chengqi1,YANG Jingang1,WANG Peng2,PAN Xinxiang1,3(1.Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China;2.Jiangsu Branch,China Classification Socie-ty,Nanjing 210003,China;3.College of Electronic and Information Engineering,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China)Abstract:To explore a new method for high-efficiency denitrification of marine exhaust gas,in this study,hydrody-namic cavitation was used to enhance Na2S2O8 for wet oxidation denitrification,proving the feasibility of hydrody-namic cavitation for enhanced Na2S2O8 denitrification compared with the bubbling method.The effects of solution temperature,inlet pressure,and chloride ions(Cl-)on the NO removal rate were studied,and the results showed that when the Na2S2O8 concentration was 0.1 mol/L,with the solution temperature increasing from 30 to 80,the NO removal rate increased from 9.8%to 71.2%.The NO removal rate first increased and then decreased with an increasing inlet pressure of the hydrodynamic cavitation reactor.When the inlet pressure was 350 kPa,the NO removal rate reached its highest value.Cl-could substantially increase the NO removal rate.When the temperature of the solution was 60,adding sodium chloride to the Na2S2O8 solution(0.1 mol/L)could produce effective chlorine-containing oxidizing substances such as HOCl and Cl2,which greatly increased the oxidation of the reac-tion solution.More than 90%of the maintenance time of the NO removal rate was reached in 142 minutes.Under seawater conditions,hydrodynamic cavitation can effectively promote Na2S2O8 denitrification,which has an applica-tion prospect in ships.Keywords:marine exhaust gas;denitrification;sodium persulfate;hydrodynamic cavitation;chloride ion;sulfate radical;hydroxyl radical;available chlorine 收稿日期:2021-05-19.网络出版日期:2022-11-03.基金项目:国家自然科学基金项目(52071046,51779024,51709029);中央高校基本科研业务费专项资金项目(3132021214).作者简介:张博浩,男,硕士研究生;宋立国,男,副教授.通信作者:宋立国,E-mail:songliguo .截止 2020 年,全球共有 98 140 艘 100 总吨以上的船舶,总净吨位达到 20.6 亿总吨。2021 年海运市场逆势增长,航运规模有望继续扩大。2019 年6 月 27 日,香港特别行政区政府发布的2017 Hong Kong Emission Inventory Report指出,船舶贡献了香港 52%的 SO2排放,37%的 NOx排放和 34%的可吸入颗粒物的排放。可见船舶对港口城市的污染严第 2 期张博浩,等:水力空化强化 Na2S2O8的船舶废气脱硝实验研究重1-2。船舶废气污染引起了人们的广泛关注,而当前船舶尾气脱硝处理技术还不成熟3。船舶燃用高硫含量的重质渣油,其含硫量是车用燃油含硫量的500 倍以上4。废气含硫和颗粒物浓度过高限制了 SCR 和 EGR 的应用。因此探索可以同时脱硫、脱硝、去除颗粒物的新型湿法洗涤技术用于船舶废气处理具有重要意义。船舶尾气中 NOx的 90%以上是难溶于水的NO。仅靠湿法洗涤去除 NO 困难。当前湿法脱硝技术多是先使用氧化剂(ClO2,NaClO2,NaClO,O3等)将 NO 氧化为易溶于水的 NO2,再将 NO2氧化成硝酸或还原为氮气4-9。但湿法脱硝技术存在气液传质效率低、氧化剂利用率低等问题。水力空化是液体内部压力突变时产生的一种独特现象。水力空化过程伴随大量微小气泡的产生,增大了气液接触面积;空化泡坍塌时产生的微射流可促进化学反应传质,能够显著提高湿法脱硝效果。宋立国等2使用水力空化强化 ClO2脱硝,以质量分数为 1.010-6的 ClO2维持 90%以上脱硝率时长可达 90 s。当前,水力空化强化 Na2S2O8进行船舶尾气处理的研究尚为空白。Na2S2O8因氧化还原电位高、常温下化学性质稳定、便于储存等优势备受学者关注。本文对比了鼓泡和水力空化 2 种方式的脱硝效果,证明了水力空化强化 Na2S2O8脱硝的可行性。实验表明,当 Na2S2O8浓度为 0.1 mol/L 时,随着溶液温度的升高,溶液温度从 30 升高至 80,NO去除率最高可达 71.2%。液体空化时会产生高温高压的热点。热点创造的特殊反应环境可以活化过硫酸根。同时,SO-4、OH等强氧化性物质可以氧化海水中的 Cl-,得到对 NO 氧化能力更强的 HOCl、Cl2、NaClO2等物质,从而进一步加强溶液氧化能力。Cl-的加入在提高整体脱硝效果的同时,使得本技术更适合船舶营运工况。1 实验方法与材料1.1 实验装置与试剂 模拟烟气由 2 种气体组成,标准气(NO 体积分数为 0.100%;高纯 N2,purity99.999%,大连大特气体有限公司),过硫酸钠(Na2S2O8,AR,purity98%,国药集团化学试剂有限公司);氯化钠(NaCl,AR,purity99.5%,国药集团化学试剂有限公司);文丘里射流器(型号:384,美国 Bakersfield Mazzei Injector Company,LLC)文丘里管射流器收缩段为6.35 cm,扩张段为 8.64 cm,吸气口长度为 6.35 cm;高速摄像机(型号:phantom v.2012 high-speed cam-era,AMETEK,Inc,美国,拍摄速度 10 000 帧/s);恒温水浴(温度范围:-5100;型号:DC-0520,常州诺基仪器有限公司);烟气分析仪(型号:TESTO 340,德图仪器国际贸易有限公司)。本文搭建实验系统如图 1 所示,实验台由配气单元、处理单元和检测单元 3 部分组成。配气单元包括一瓶体积分数为 0.100%的 NO 标准气(N2配气)、一瓶 N2标准气和 2 个质量流量计。质量流量计用于控制进入装置气体流速,确保进气量的稳定。处理单元包括水泵、阀门、文丘里射流器、气液分离器/鼓泡反应器、恒温水箱、压力表等。检测单元主要包括烟气分析仪,高速相机和 pH 计等。图 1 水力空化强化过硫酸钠脱硝系统Fig.1 Denitrification system of sodium persulfate enhanced hydrodynamic cavitation542哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报第 44 卷1.2 实验方法 实验流程:去离子水与 Na2S2O8在恒温水浴内充分混合,恒温水浴可以维持溶液温度恒定。通过控制系统阀门,使溶液流经水力空化反应器、鼓泡反应器/气液分离器然后流回恒温水浴。NO/N2混合气则由水力空化反应器产生的负压吸入反应器中进行反应。处理后气体经气液分离器分离,引入烟气分析仪进行检测。水力空化反应器进出口压力通过控制管路中阀门开度进行调节。本实验使用 Na2S2O8溶液氧化吸收模拟烟气中NO。由于 NO 几乎不溶于水,因此定义 NO 去除率公式为:NO=CNO,in-CNO,outCNO,in(1)式中:NO为 NO 的去除率;CNO,in为处理前 NO 的浓度;CNO,out为 NO 出口浓度。2 实验结果分析2.1 水力空化方式与鼓泡方式对比 为明确水力空化强化 Na2S2O8脱硝的可行性以及水力空化对脱硝率提升的效