Nghiên cứu giảm thiểu ô xít lưu huỳnh (SOx) trong khí xả động cơ diesel tàu thủy bằng tháp lọc ướt hệ thống kín

Bài báo này phân tích, đánh giá các giải pháp giảm thiểu SOx, nhóm tác giả nghiên cứu sử dụng thiết bị tháp lọc ướt hệ thống kín hấp thụ SOx lắp đặt trên đường ống xả của động cơ diesel tàu thủy.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU Ô XÍT LƯU HUỲNH (SOx) TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY BẰNG THÁP LỌC ƯỚT HỆ THỐNG KÍN RESEARCH ON SUNFUA OXIDE (SOx) EMISSIONS REDUCTION FOR MARINE DIESEL ENGINE BY THE CLOSED LOOP-TYPE WET SCRUBBER PHẠM XUÂN DƯƠNG, TRẦN THẾ NAM* Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: thenam@vimaru.edu.vn Tóm tắt Trước quy định tiêu chuẩn hàm lượng chất độc hại khí xả động diesel, đặc biệt phát thải SOx phụ lục VI MARPOL 73/78 Tổ chức Hàng hải giới (IMO), sở phân tích, đánh giá giải pháp giảm thiểu SOx, nhóm tác giả nghiên cứu sử dụng thiết bị tháp lọc ướt hệ thống kín hấp thụ SOx lắp đặt đường ống xả động diesel tàu thủy Tuy số hạn chế, coi hướng phù hợp với điều kiện áp dụng cho đội tàu Việt Nam Từ khóa: Tháp lọc ướt, phát thải khí SOx, động diesel tàu thủy, Công ước Marpol 73/78, môi trường biển Abstract In compliance with the regulations stipulated in Annex VI MARPOL 3/78 of the International Maritime Organization (IMO) for exhaust gas emissions from marine diesel engines, especially SOx emissions, based on careful analysis and assessment on SOx reduction solutions, the authors study on the SOx emissions closed loop type wet scrubber installed on exhaust gas outlet of marine diesel engines Though of remained limitations, this solution seems to be the best choice for Vietnamese fleets in terms of effective application conditions thiết bị xử lý khí SOx Nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp sử dụng tàu chạy vùng biển đặc biệt (ECA), tàu chạy vùng biển khác, sử dụng nhiên liệu truyền thống kết hợp với thiết bị tháp lọc khí SOx khí thải động Với giải pháp này, tàu tiếp tục sử dụng nhiên liệu truyền thống (với hàm lượng lưu huỳnh theo thiết 3,5%) hệ thống cấp nhiên liệu giữ ngun bản, khơng cần hốn cải thay Tháp lọc SOx phân loại sau: - Tháp lọc ướt: Sử dụng nước biển nước làm công chất xử lý; - Tháp lọc khơ: Sử dụng chất hóa học khơ Nếu dựa vào hệ thống làm việc, phân loại: - Hệ thống hở: Sử dụng nước biển làm công chất xử lý; - Hệ thống kín: Sử dụng nước kết hợp với chất hóa học ba zơ; - Hệ thống kép: Có thể áp dụng hệ thống hở hệ thống kín Mỗi loại lại có điểm mạnh yếu điểm riêng đứng góc độ khác để so sánh như: Năng lượng cần tiêu thụ, mức độ chiếm chỗ tàu, giá thành cho lắp đặt ban đầu vận hành Tuy nhiên đội tàu biển Việt Nam, nhóm tác giả đề xuất mơ hình hệ thống tháp lọc để hấp thụ lượng xít lưu huỳnh khí thải Hình Keywords: The wet scrubber, the SOx emissions, marine diesel engine, the Convention Marpol 73/78, marine environment Đặt vấn đề Nhằm giúp tàu đáp ứng tiêu chuẩn phát thải khí SOx, đảm bảo tính cạnh tranh vận tải với cước vận tải hợp lý, Tổ chức Hàng hải quốc tế mở giải pháp mang tính thực tế cao: Sử dụng kết hợp nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp nhiên liệu truyền thống (HFO) với 24 Hình Sơ đồ hệ thống tháp lọc khí thải SOx [1] SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Thiết kế tháp lọc SOx kiểu ướt hệ thống kín Để cụ thể hóa việc áp dụng hệ thống tháp lọc thể Hình 1, nhóm tác giả giới thiệu việc tính tốn thiết kế chi tiết hệ thống tháp lọc cho động diesel HANSHIN 6LU32 lắp đặt Trung tâm Nghiên cứu hệ động lực tàu thủy, Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Các bước thực thiết kế tháp lọc khí SOx từ khí thải sau: - Lựa chọn hiệu suất làm việc tháp lọc: P=η=1-(Yout/Yin); - Từ thông số Yin, Yout đường cân bằng, tính tốn Lmin; cần lưu ý đến yếu tố (1+c) để tính thay đổi mặt hóa học SO2; - Từ giá trị Lmin có được, chọn giá trị L theo cơng thức 1,5Lmin 2,5% Các thơng số lý hóa nhiên liệu Bảng Như động 6LU32 Hanshin, sử dụng nhiên liệu DO nhiên liệu HFO với hàm lượng lưu huỳnh lớn đến 2,5% tính theo khối lượng 2.2 Lựa chọn loại tháp lọc Tháp lọc để xử lý phát thải khí độc hại SOx, hạt cặn rắn, số tạp chất khác phát sinh đốt cháy nhiên liệu tháp lọc ướt hệ thống kết hợp Vậy nên, tính tốn thiết kế tháp lọc xử lý phát thải khí SOx cho động diesel 6LU32 bao gồm: - Tháp lọc dạng bọt khí với vật thể làm tăng bề mặt tiếp xúc khí nước (packing); Cơng suất định mức Đường kính xi lanh B = 320mm - Lựa chọn loại vật thể làm tăng bề mặt tiếp xúc; Hành trình piston S = 510mm - Hệ thống ống, bơm, loại van, ; Tốc độ trung bình piston 1300HP/970kW W = 5,78m/s Áp suất cháy lớn Pz = 90kG/cm2 Góc phun sớm 11o trước ĐCT 10 Suất tiêu hao nhiên liệu SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ge = 200g/kW.h - Lựa chọn vật liệu cho tháp lọc; - Các loại két: két thu gom, két chứa cặn, két chứa nước thải, ; - Thiết bị tự động kiểm sốt q trình hoạt động phần tử cảm ứng Một số thơng số tính tốn tháp lọc lựa chọn sau: - Lưu lượng khí thải: 3342kg/h 56kg/phút; 25 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY - Loại packing (vật thể làm tăng bề mặt tiếp xúc khí chất lỏng): Loại pall ring làm vật liệu PP (1 inch inch); Chiều cao lớp packing: HTU=8,1 (1 inch) 12 (2 inch); Hệ số Fp: 52 (1 inch); 40 (1.1/2 inch); - Nồng độ SO2 (Nhiên liệu nặng HFO) 0,2%; - Hệ số chuyển đổi SO2 H2SO3 - kí hiệu c = 6; - Dự kiến lượng nước cấp để rửa khí là: L = 1,8Lmin; Hiệu suất lọc tháp lấy là: η = 95% (0,95) 2.3 Tính tốn, thiết kế tháp lọc 2.3.1 Tính lượng khí thải động Cơng thức chung [3]: Gkt = Gnl.L0.α.φ,kg/h (1) Trong đó: Gkt - Lượng khí thải động (kg/h); Gnl - Lượng tiêu thụ nhiên liệu động (kg/h); αHệ số dư lượng khơng khí; φ - Hệ số tốc độ dịng khí, động kì 1,45 cịn động kì 1,1 Vậy, lưu lượng khí thải động 6LU32 xác định sau: Gkt = 970kW.0,2kg/kWh 14,5.1,8 1,1 = 5569,74kg/h = 92,83kg/phút = 4701,79m3/h (2) (Tỷ trọng khí thải động diesel là: 1,1846 kg/m3) Khi động làm việc 60% cơng suất định mức lưu lượng khí cần tính tốn cho tháp lọc là: 3341,84 kg/h = 55,69kg/phút ~ 56kg/phút 2.3.2 Thuật tốn tính kích thước tháp lọc ướt Trên Hình biểu thị thuật tốn tính thiết kế thơng số kĩ thuật tháp lọc ướt cho động 6LU32 [4] Thiết kế tháp lọc không để xảy tượng ngập lụt giải pháp để loại trừ tượng phản áp đường thải động diesel Thơng số cuối tính tốn q trình thiết kế đường kính tháp lọc Đường kính tháp lọc định đến vị trí, khơng gian đặt tháp lọc Hình Thuật tốn tính thiết kế tháp lọc 2.3.4 Các thông số kỹ thuật tháp lọc Hình ảnh vẽ thiết kế tháp lọc biểu diễn Hình 2.3.3 Vật liệu tháp lọc Tháp lọc thiết bị chịu áp suất không lớn Thông thường, áp suất tháp lọc khoảng 0,1MPa nhiệt độ khoảng 50oC Vậy nên, sức bền tháp lọc tính tốn thơng qua bề dầy vật liệu làm vỏ tháp lọc Vật liệu lựa chọn để làm tháp lọc thường loại thép chống ăn mòn thép cacbon thấp (Mild Steel) Hình Hình ảnh tháp lọc 26 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Thử nghiệm 3.1 Kết thử nghiệm Các mẫu thử nghiệm lấy theo hai giai đoạn: Động làm việc với nhiên liệu DO nhiên liệu FO không qua tháp lọc qua tháp lọc Thời gian thử nghiệm lấy mẫu thực khoảng 10 hoạt động động Trên Bảng thể nồng độ phát thải khí SOx động Hanshin 6LU32 làm việc với nhiên liệu DO FO Bảng Phát thải động làm việc với DO FO [4] Nhiên liệu DO Hình Bản vẽ thiết kế tháp lọc Chế độ tải Các thơng số tháp lọc sau tính tốn, thiết kế thể Bảng Thơng số SOx Bảng Các thông số tháp lọc SOx sử dụng cho động 6LU32 TT Thơng số kĩ thuật Đường kính tháp (N2) Chiều cao tổng tháp (D) Chiều cao lớp tăng bề mặt tiếp xúc (C) Bề dày tường tháp lọc Lưu lượng nước rửa Lưu lượng cấp NaOH Cặn thải Không qua Giá trị tháp lọc 0,80m Qua lý nước rửa 1,08m phát thải SOx 0,03m (3mm) 20 - 24m3/h 5l/MW.h/%S; 0,1 - 0,4kg/MW.h 1,8 - 2,4m3 10 Năng suất bầu lọc cặn 300l/h 12 14 15 Đường kính cửa khí từ tháp lọc (N1) Đường kính cửa vào ống venturi Kích thước phần tử tăng bề mặt tiếp xúc Vật liệu chế tạo tháp lọc SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) mg/ mg/k mg/ mg/k mg/ mg/k Nm3 W.h Nm3 W.h Nm3 W.h 820 971 1420 1681 1950 2380 760 900 1267 1500 1638 2000 Chế độ tải 15 - 22m3 tháp lọc (N2) 85% Nhiên liệu FO Thông số Bầu sinh hàn nước rửa Đường kính cửa khí vào 75% 3,0m 11 tháp lọc Không qua tháp lọc Qua lọc Thể tích két chứa xử 50% phát thải 0,5m 0,4m 0,4m 0,025m Thép cacbon tháp 50% 75% 85% mg/ mg/k mg/ mg/k mg/ mg/k Nm3 W.h Nm3 W.h Nm3 W.h 4000 4736 5290 6263 5810 6880 3463 4100 4561 5400 5067 6000 3.2 Phân tích đánh giá Các số liệu đo đạc hàm lượng khí SOx (SO2) khí xả động diesel 6LU32 chế độ khác với loại nhiên liệu khác nhau, với giới hạn phát thải SOx thể Phụ lục VI, MARPOL 73/78, xây dựng đồ thị so sánh Hình 5, Hình biểu diễn liệu thử nghiệm phát thải khí SOx khơng cho qua tháp lọc tiêu chuẩn phát thải SOx theo quy định IMO Trên sở liệu thí nghiệm xử lý phát thải khí độc hại SOx Bảng xây dựng đồ thị so sánh hàm lượng khí SOx cho động làm việc với loại nhiên liệu xử lý so sánh với tiêu chuẩn phát thải (Hình 6) 27 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 DO FO 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Biển chung Đặc biệt 50% 75% 85% Tiêu chuẩn Hình Phát thải SOx sử dụng DO FO không 6000 5000 4000 3000 2000 1000 DO FO Biển chung Đặc biệt Hình Phát thải SOx sử dụng DO FO qua tháp lọc Sau số nhận xét: - Nếu để động chạy nhiên liệu DO nguyên chất với hàm lượng lưu huỳnh S=0,5% (Bảng 4) không xử lý khí xả sau động cơ, hàm lượng phát thải khí SOx đạt tiêu chuẩn phát thải vùng biển chung (2000mg/kW.h) mà không cần xử lý, nhiên chưa đạt tiêu chuẩn phát thải qui định vùng biển đặc biệt (400mg/kW.h) điều thể rõ Hình 5; - Nếu để động chạy nhiên liệu DO, kết hợp với xử lý khí xả sau động tháp lọc SOx, kết đo nồng độ SOx cho thấy thấp tiêu chuẩn phát thải SOx qui định vùng biển đặc biệt; - Trường hợp động chạy nhiên liệu FO nguyên chất với hàm lượng lưu huỳnh S=1,5% (Bảng 4), khí thải khơng xử lý, hàm lượng khí SOx khí thải đạt mức 6000mg/kWh chế độ tải 85% Như hàm lượng khí SOx cao gấp khoảng lần so với tiêu chuẩn phát thải SOx vùng biển chung cao gấp 15 lần so với tiêu chuẩn phát thải SOx vùng biển đặc biệt; - Trường hợp cho động làm việc với nhiên liệu FO với khí thải xử lý tháp lọc, hàm lượng khí SOx khí thải động giảm nhiều phần lớn trường hợp đo nồng độ SOx khí 28 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY thải trạng thái tải khác loại nhiên liệu khác mức tiêu chuẩn phát thải khí SOx vùng biển chung, tương đương nồng độ SOx qui định cho vùng biển đặc biệt (Hình 6) Kết luận Kết nghiên cứu cho động Hanshin 6LU32 đạt kết phù hợp với mục tiêu nghiên cứu tiêu kiểm soát phát thải SOx Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) đề ra: - Hệ thống thiết kế xử lý đến 95% lượng phát thải SOx khí thải động diesel sử dụng nhiên liệu nặng HFO với hàm lượng lưu huỳnh đến 3,5% Hệ thống khơng làm khí SOx, mà cịn có khả loại 70% hàm lượng cặn rắn; - Tháp lọc khí phát thải SOx thiết kế dạng hệ thống tuần hồn kín; Có nghĩa khí SOx nước hấp thụ sau nước khỏi tháp lọc trung hịa hóa chất NaOH Tiêu thụ NaOH khoảng 50lít/MW.h nước rửa thải lượng nước bổ sung khoảng 0,1m3/MW.h; - Nước thải lọc cặn làm trung hòa đến nồng độ pH=6,5 trước thải môi trường biển; - Khí thải sau làm cặn cứng khí SOx trích phần để sử dụng lại với mục đích xử lý phát thải khí NOx (EGR) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Xuân Dương (chủ biên) tác giả Kỹ thuật xử lý khí thải gây ô nhiễm từ động diesel tàu thủy đáp ứng Phụ lục VI, Công ước Marpol 73/78 NXB Khoa học Kỹ thuật, 2020 [2] Trung tâm Nghiên cứu hệ động lực tàu thủy - Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Hồ sơ kỹ thuật động HANSHIN 6LU32 [3] Đặng Văn Uy Kỹ thuật khai thác hiệu hệ động lực tàu thủy NXB Hải Phòng 2016 [4] Đặng Văn Uy cộng Xây dựng lộ trình giải pháp xử lý khí độc hại khí thải động diesel thủy đáp ứng yêu cầu công ước quốc tế Marpol cho đội tàu biển Việt Nam Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Giao thông vận tải, Mã số MT171002 2017 [5] Tổ chức Hàng hải Thế giới (IMO) Công ước Quốc tế ngăn ngừa ô nhiễm tàu biển gây 73/78 (MARPOL 73/78) Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 30/6/2021 01/8/2021 06/8/2021 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... tiết hệ thống tháp lọc cho động diesel HANSHIN 6LU32 lắp đặt Trung tâm Nghiên cứu hệ động lực tàu thủy, Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Các bước thực thiết kế tháp lọc khí. .. HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Thiết kế tháp lọc SOx kiểu ướt hệ thống kín Để cụ thể hóa việc áp dụng hệ thống tháp lọc. .. đường kính tháp lọc Đường kính tháp lọc định đến vị trí, khơng gian đặt tháp lọc Hình Thuật tốn tính thiết kế tháp lọc 2.3.4 Các thông số kỹ thuật tháp lọc Hình ảnh vẽ thiết kế tháp lọc biểu diễn