一种半潜船的水下烟气洗涤脱硫装置

1.本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种半潜船的水下烟气洗涤脱硫装置。


背景技术：

2.国际海事组织(imo)规定，自2020年1月1日起，航行船舶排放烟气的含硫量(硫质量分数)不能高于0.5％。为应对这一要求，主要有以下三种措施：采用低硫油、采用清洁燃料或在船舶上安装脱硫塔系统。由于低硫油或清洁燃料(如液化天然气、甲醇、氨燃料等)的价格相对昂贵，且技术不是很成熟，所以许多燃料消耗量大的船舶主要采用燃烧高硫油，而且在船舶上安装脱硫塔这种方式工艺简单，因此在船舶上安装脱硫塔系统更受船东或大型船舶的青睐。
3.船舶的脱硫塔系统分为开式系统、闭式系统和混合式系统，其中开式脱硫系统是目前船舶烟气脱硫最广泛的方式，其原理是利用海水供给泵将海水送至脱硫塔内，将海水喷淋成雾状与烟气进行接触，海水中的碱性物质与船舶烟气中的酸性气体so2、so3发生中和反应，烟气经过净化达到排放标准最终排放到空气中，与烟气洗涤后的废水则排入大海。脱硫塔一般安装在距离海平面20～30m高度的船舶烟囱处，在海水洗涤的过程中需要使用海水供给泵将海水运送至脱硫塔的塔顶，并且大型船舶脱硫塔系统在工作时所需的海水量高达1000～2000m3/h，而运送如此巨大海水量泵消耗的功率通常约为200～400kw/h，部分船舶主机功率大的船舶甚至消耗更高的功率，这一过程中海水供给泵的运行功率过大，运行成本非常高，影响船舶的经济性。
4.此外，虽然开式脱硫系统中脱硫塔内供应有一定的海水量供烟气反应，但海水量也不易太大，如果太大会造成海水供给泵的功率消耗过大，运行成本较高，不符合船舶经济性的要求，因此开式脱硫系统在工作时的海水喷淋量不会特别大。即使开式脱硫系统中脱硫塔内具有一定尺寸大小的反应空间，也有一定的海水喷淋量，但由于脱硫塔内烟气上升的流速很快，而脱硫塔的径向和轴向尺寸并不是特别大，海水与烟气的雾化反应区域有限，因此烟气会快速穿过海水的雾化区域，烟气与海水的反应时间很短，并且烟气与海水的反应截面面积也不是很大，虽然经过开式脱硫系统处理过的烟气能够满足imo提出的关于硫排放小于0.5％的要求，但烟气与海水的反应并不彻底，排放到空气中的烟气仍不可避免会掺杂部分没有和海水反应的so2和so3。若将烟气直接通入到海水中进行海水洗涤，则烟气与海水的接触面积将会大幅度提升，且过量海水与烟气的反应会更加彻底，此种方法能几乎实现船舶烟气中硫化物的“零排放”。
5.基于此，半潜船的船舶柴油机通常布置在船艏下方的机舱内，若是能提出一种半潜船的水下烟气洗涤脱硫装置，在半潜船的船艏水线下两侧分别布置一条比较细长的贯穿船头的海水流道，将烟气直接通入到海水流道内与过量海水发生反应，这样不仅烟气与海水之间的反应更充分，洗涤效果更彻底，而且省掉了船舶正常航行时海水供给泵的运行功耗，这种方法将具有非常高的实际应用价值。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述烟气脱硫存在的问题，提出一种半潜船的水下烟气洗涤脱硫装置，在半潜船的船艏水线下两侧分别布置一条比较细长的贯穿船头的海水流道，柴油机排放的烟气经风机压缩和海水的引射被输送到海水流道内与海水直接发生反应，这样不仅可以大大增大烟气与海水的接触面积和反应时间，洗涤效果更彻底，而且利用船舶前进过程中海水的引射作用，有效降低了风机的功耗。另外，本发明无需设置脱硫塔，不需要海水供给泵将海水送至位置较高的脱硫塔的塔顶进行喷淋，省掉了海水供给泵的功耗。
7.本发明提出了一种半潜船的水下烟气洗涤脱硫装置，包括进水口、排水口、海水流道、排烟管、供水管、柴油机、废气锅炉、风机、止回阀、海水供给泵、海底门、喷嘴、螺旋叶片。
8.所述进水口为圆形孔洞，并设有两个，分别对称开设在船艏两侧；所述排水口为圆形孔洞，并设有两个，两个所述排水口分别与两个所述进水口相对应，并分别对称开设在船舶的左、右舷；所述进水口和排水口圆形孔洞的中心在同一条水平线上，且进水口和排水口均位于水线以下，进水口1的半径是排水口2半径的1.2倍。
9.所述海水流道设有两个，其两端分别与进水口和排水口相连，海水流道的管道口径自进水口开始到排水口逐渐缩小；所述排烟管与海水流道相连,排烟管安装在距离进水口的海水流道总长度的1/5处；所述供水管与海水流道相连，位于排烟管的后侧，供水管与排烟管相邻。所述喷嘴安装在供水管的末端，位于海水流道的中央；所述螺旋叶片为螺旋线型，安装在海水流道内，喷嘴的后侧。
10.所述柴油机、废气锅炉、风机、止回阀、海水流道依次通过排烟管相连，组成烟气供给系统。
11.所述海底门、海水供给泵、喷嘴依次通过供水管相连，组成备用海水供给系统。
12.在烟气供给系统中，柴油机排放的烟气进入废气锅炉中进行余热利用，被利用后的烟气从废气锅炉排出后进入风机，风机将烟气压缩至较高压力的气态，然后通过止回阀排放至海水流道与海水进行洗涤。
13.当船舶以正常航速航行时，烟气供给系统向海水流道内提供烟气，与此同时，海水以一定的速度通过进水口进入海水流道，由于海水具有一定的流速，当海水到达排烟管出口附近时会产生低压区，所以海水有一定的引射作用，烟气可以更容易的进入到海水流道内，在风机压缩和海水的引射的共同作用下，烟气进入到海水流道内与海水进行洗涤，由于海水流道足够长，烟气与过量海水的反应时间很长，且在螺旋叶片的搅拌作用下，烟气与海水能充分的发生发应，烟气在海水流道内与海水充分反应之后产生的废水则排入大海。
14.当船舶机动航行或锚泊时，海水流道内的海水流速很低或趋于零，因此烟气与海水之间的反应效果很差，烟气脱硫无法正常进行。此时备用海水供给系统开启，来自于海底门的海水经海水供给泵、喷嘴运送至海水流道内，由于经过喷嘴喷射出来的海水具备一定的流速，排烟管出口附近会产生低压区，所以海水有一定的引射作用，烟气可以更容易的进入海水流道内，在风机的压缩和海水的引射作用下，烟气进入到海水流道内与海水进行洗涤，与烟气洗涤后产生的废水排入大海。
15.本发明有益效果：
16.1.本发明应用在以高硫燃油为动力的半潜船上，巧妙的在半潜船的船艏两侧分别布置一条比较细长的海水流道，不仅增大了烟气与过量海水的反应时间和反应截面面积，
而且增大了烟气与海水的涡流效果，使得烟气与海水的反应更充分，大大提高了脱硫效果。
17.2.本发明在船舶正常航行时无需海水供给泵，省掉了海水供给泵的运行功耗，虽然本发明在船艏开设进水口在一定程度上适当增加了船舶航行时的阻力，即使再加上风机的功耗，二者之和仍然远比传统的开式脱硫系统中海水供给泵所消耗的功率小，大大降低了本发明的运行成本。
18.3.本发明仅需在船艏两侧开设两条海水流道，结构简单，易于实现，相比于在船舶上安装开式脱硫塔装置大大降低了设备成本。
附图说明
19.图1是本发明装置在半潜船上的示意图；
20.图2是本发明装置在半潜船上的船头示意图；
21.图3是本发明装置在a-a截面的断面图；
22.图4是海水流道内部结构示意图；
23.图5是本发明系统图；
24.附图中：1.进水口；2.排水口；3.海水流道；4.排烟管；5.供水管；6.柴油机；7.废气锅炉；8.风机；9.止回阀；10.海水供给泵；11.海底门；12.喷嘴；13.螺旋叶片。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
26.一种半潜船的水下烟气洗涤脱硫装置，如图1、图4和图5所示，本装置包括进水口1、排水口2、海水流道3、排烟管4、供水管5、柴油机6、废气锅炉7、风机8、止回阀9、海水供给泵10、海底门11、喷嘴12、螺旋叶片13。
27.如图2和图3所示，本发明优先应用在以高硫燃油为动力的半潜船上，所述进水口1为圆形孔洞，并设有两个，分别对称开设在船艏两侧；所述排水口2为圆形孔洞，并设有两个，两个所述排水口2分别与两个所述进水口1相对应，并分别对称开设在船舶的左、右舷；所述进水口1和排水口2圆形孔洞的中心在同一条水平线上，且进水口1和排水口2均位于水线以下，进水口1的半径是排水口2半径的1.2倍。
28.所述海水流道3设有两个，其两端分别与进水口1和排水口2相连，海水流道3的管道口径自进水口1开始到排水口2逐渐缩小，海水流道3的管道口径设计为前宽后窄式是为了增大海水在海水流道3内的流速；所述排烟管4与海水流道3相连,安装在距离进水口1的海水流道3总长度的1/5处；所述供水管5与海水流道3相连，位于排烟管4的后侧，供水管5与排烟管4相邻。
29.所述柴油机6、废气锅炉7、风机8、止回阀9、海水流道3依次通过排烟管4相连，组成烟气供给系统；所述风机8用于提升烟气的压力，将烟气排放到海水流道3中。所述止回阀9用于防止海水回流、倒灌进排烟管4内。所述海底门11、海水供给泵10、喷嘴12依次通过供水管5相连，组成备用海水供给系统；所述海底门11作为舷外海水入口；所述喷嘴12安装在供水管5的末端，位于海水流道3的中央，用于喷射海水；所述螺旋叶片13为螺旋线型，安装在海水流道3内，喷嘴12的后侧，螺旋叶片13用于对经过它的烟气和海水进行搅拌、混合，使烟
气与海水的混合更均匀。
30.在烟气供给系统中，船舶的柴油机6排放的烟气进入废气锅炉7中进行余热利用，被利用后的烟气从废气锅炉7排出后进入风机8，风机8将烟气压缩至较高压力的气态，然后通过止回阀9将烟气排放到海水流道3中与海水进行洗涤。
31.当船舶以正常航速航行时，烟气供给系统向海水流道3内提供烟气，与此同时，海水以一定的速度通过进水口1进入海水流道3中，由于海水具有一定的流速，当海水经过排烟管4出口附近时会产生低压区，所以海水有一定的引射作用，烟气可以更容易的进入海水流道3内，因此在一定程度上可以减少烟气供给系统中风机8的功耗，在风机8压缩和海水的引射的共同作用下，烟气进入到海水流道3中与海水进行洗涤。烟气在海水流道3中与海水充分反应之后产生的废水通过排水口2直接排入大海。
32.当船舶机动航行或锚泊时，海水流道3内的海水流速很低或趋于零，因此烟气与海水之间的反应效果很差，烟气脱硫无法正常进行。此时备用海水供给系统开启，来自于海底门11的海水经海水供给泵10、喷嘴12运送至海水流道3内，由于经过喷嘴12喷射出来的海水具备一定的流速，排烟管4出口附近会产生低压区，所以海水有一定的引射作用，烟气可以更容易的进入海水流道3内，在风机8压缩和海水的引射的共同作用下，烟气进入到海水流道3中与海水进行洗涤。烟气在海水流道3中与海水充分反应之后产生的废水通过排水口2直接排入大海。上述船舶机动航行或锚泊的时间相比于船舶正常航行的时间很少，只有在船舶靠离码头的时候才会出现类似情况，因此上述工况中利用海水供给泵10为烟气供水的情况很少，海上正常航行时海水供给泵10不需要工作，再则即使海水供给泵10正常工作，其运行功率也比传统的开式脱硫系统中海水供给泵的运行功率要小的多，所以海水供给泵10不会产生太多的功耗。
33.本发明通过在半潜船的船艏水线下两侧分别布置一条比较细长的海水流道3，由于船舶航行时海水流道3内有源源不断的大量海水流过，供烟气反应的海水的量很大，相比于传统的开式脱硫系统海水喷淋的方式，本发明将船舶柴油机6排放的尾气直接通入到海水流道3内与过量海水发生反应，大大增大了烟气与海水的反应截面面积，而且烟气在海水中反复的涡流旋转，增大了烟气与海水的扰动，使得烟气与海水的反应更彻底，大大提高了装置的脱硫率。
34.通常脱硫塔的径向和轴向尺寸并不是很大，而脱硫塔内烟气上升的流速很快，海水与烟气的雾化反应区域有限，因此烟气会快速穿过海水的雾化区域，烟气与海水的反应时间很短。本发明中海水流道3的长度设置很长，海水流道3的长度可为脱硫塔轴向高度的几倍到几十倍不等，具体主要取决于船舶柴油机6的功率，并且将排烟管4安装在距离进水口1的海水流道3总长度的1/5处，所以烟气与海水的反应长度很长，因此烟气与海水之间有充足的反应时间，大大提高了脱硫效果。
35.进一步的，为了提高烟气与海水的混合效果，本发明在海水流道3的内表面上安装螺旋叶片13，螺旋叶片13为螺旋线型，螺旋叶片13可以对经过它的烟气和海水进行搅拌、混合，使烟气与海水之间能够充分的发生反应，脱硫效果更彻底。
36.船舶航行时的速度一般为10～20kn，由此从进水口1进入到海水流道3内海水的流度不会特别大，因此本发明将海水流道3设计为前宽后窄式，海水流道3的管道口径自进水口1开始到排水口2逐渐缩小，海水流道3进出水的两端口的半径之比设置为1.2:1，由此来
增加海水流道3中海水的流速，使烟气更容易的进入到海水流道3内，减少风机8的功耗。
37.本发明中在船艏两侧开设两个进水口1,虽然在船艏上开孔会对船体产生一定流阻，但实际上本发明在船舶设计之初通常将进水口1的直径设计为60cm之内，开孔尺寸很小，并且由于船舶正常航行时的航速并不大，约为4～8m/s，因此在一定程度上增加的船舶航行阻力并不大，相比于船舶开式脱硫系统中海水供给泵所消耗的功率来说微乎其微。
38.船舶柴油机6排放的烟气为气体，密度很小，因此烟气的质量很轻，并且烟气具有很好的可压缩性，在本发明中风机8很容易将烟气压缩至排放到海水流道3内所需的压力，所以风机8的功耗很小。
39.传统的开式脱硫系统在工作时首先需要使用海水供给泵将海水运送至脱硫塔的塔顶，并且需要运输的海水的量很大，在这个过程中海水供给泵需要克服很大的势能做功，海水供给泵的运行功率很大，而本发明在船头开设两个进水口1，虽然在一定程度上适当增加了船舶航行时的阻力，即使在加上风机8的功耗，二者之和仍然远比传统的开式脱硫系统中海水供给泵所消耗的功率小，减少了运行成本。
40.进一步的，针对船舶排烟量大小的不同，海水流道3的管道口径可以在船舶设计之初根据实际排烟量的大小设计。对于排烟量比较大的船舶，可以将海水流道3的管道口径设计的大一些，而对于排烟量较小的船舶，在保证脱硫率的情况下，可以将海水流道3的管道口径设计的稍小一些。同理，海水流道3的长度也可以根据船舶实际排烟量的大小设计。
41.此外，传统的脱硫塔安装成本较高，本发明仅需在船艏两侧开设两条海水流道3，在机舱内设置一个风机8和一个海水供给泵10，结构简单，易于实现，相比于在船舶上安装开式脱硫塔装置大大降低了设备成本。
42.上述以半潜船为例介绍了本发明的具体实施方式，针对不同船型、不同船长可适当调整海水流道3的长度及安装位置即可应用本发明，实施方式均与上述相同。
43.以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。