Marine scrubber design model development : Study based on theoretical model of removal of sulphur oxides and experimental data

Abstract

Marine traffic contributes to SOx emissions when fuel that contains sulphur is burned in engines. SOx emissions affect the human health and increase the acidification of the environment. In 2020, the global sulphur limit for vessels is 0.5% by International Maritime Organization. One way to comply with the limit is using exhaust gas cleaning systems. Marine scrubbers are typically wet scrubbers that use liquid to scrub the SOx emissions from the exhaust gases. This Master’s thesis will focus on open loop scrubber that utilizes natural alkalinity of seawater in the scrubbing process.

The main goal in this thesis is to understand the effects of the parameters on the removal efficiency in the scrubbing process. This is done by studying the literature on the subject and creating a model to test the impacts. Moreover, there is collected data from the operating scrubbers in the vessels that is used to validate the results, which gives a better understanding of reality in comparison to the literature. The principle of the model is SO2 mass transfer between the exhaust gas and seawater droplet. The mass transfer rate gives the contact time and absorption distance, which the SO2 mass transfer will require. The parameters that are studied in the scrubber are exhaust gas temperature, SO2 content in the exhaust gas, exhaust gas flow rate, seawater flow rate, SO2 solubility in seawater, droplet size, enhancement factor and combustion air properties.

The main parameters that are found to be significant are the droplet size and the SO2 solubility in seawater. The droplet diameter is a sensitive parameter that changes the results of the created model a lot and it should be studied more by doing experimental tests and simulations. For example, to examine the size distribution of the droplet and the ability of the droplets to merge together. The results from this thesis shows that the contact time grows quickly when the diameter of the droplet increases but smaller droplets could get entrained by the exhaust gas. The SO2 solubility in seawater is one of the most studied subjects in this research field and the results are varying. The SO2 solubility is greater in seawater than in water and that contributes a lot to the removal efficiency. It could be useful to conduct experimental tests to gain a better understanding of solubility.

The created model is close to the existing model and it could be used to improve the scrubber design. The height of the scrubber tower in the models differs only ~3% because the mechanical requirements stays the same. The seawater flow rate differs ~12% between the models and it shows the importance to understand the SO2 solubility in seawater. The new model gives the absorption distance that could improve the existing scrubber design, because it is the minimum distance that the gas and the droplet should be in contact for the required mass transfer.

Laivaliikenne lisää rikkioksidipäästöjä, jotka syntyvät siitä, että laivojen moottorit käyttävät rikkipitoista polttoainetta. Rikin oksidit ovat terveydelle haitallisia ja ne lisäävät ympäristön happamoitumista. International Maritime Organization teki päätöksen, että vuodesta 2020 eteenpäin maailmanlaajuinen laivojen rikkioksidipäästöjen raja on 0.5 %. Savukaasunpuhdistus on yksi tapa, jolla voidaan saavuttaa päästörajat. Marine-savukaasupesurit ovat usein märkäpesureita, jotka pesemällä puhdistavat rikin oksidit savukaasuista. Tämä työ keskittyy open loop-pesureihin, jotka hyödyntävät meriveden alkaliniteettia puhdistusprosessissa.

Tämän diplomityön päätavoite on ymmärtää eri parametrien vaikutuksia poistotehokkuuteen pesuprosessissa. Tätä tutkitaan kirjallisuuden avulla ja luomalla malli, jolla voidaan kokeilla vaikutuksia. Tämän lisäksi laivoilta on kerätty käytössä olevista pesureista dataa, jota on hyödynnetty tulosten vahvistamiseen, mikä antaa paremman käsityksen todellisuudesta verrattuna kirjallisuuteen. Malli perustuu rikkidioksidin aineensiirtoilmiöön, joka tapahtuu savukaasun ja merivesipisaran välillä. Rikkidioksidin aineensiirtonopeuden avulla voidaan selvittää tarvittava kontaktiaika ja absorptiomatka. Tutkitut pesuriparametrit ovat savukaasun lämpötila, savukaasun rikkidioksidipitoisuus, savukaasun tilavuusvirta, meriveden tilavuusvirta, rikkidioksidin liukoisuus meriveteen, pisarakoko, vahvistuskerroin ja palamisilman ominaisuudet.

Merkittävimmät löydetyt parametrit ovat pisaran halkaisija ja rikkidioksidin liukoisuus meriveteen. Pisaran halkaisija on hyvin herkkä parametri, joka vaikuttaa paljon luodun mallin tuloksiin, ja sen takia sitä pitäisi tutkia enemmän kokeellisten testien ja simulaatioiden avulla. Esimerkiksi pisarakoon jakautumista ja pisaroiden yhdistymistä olisi kannattavaa tutkia. Tämän diplomityön tulokset osoittavat, että kontaktiaika kasvaa merkittävästi pisarakoon kasvaessa, mutta pienet pisarat voivat kulkeutua kaasun mukana. Rikkidioksidin liukoisuutta meriveteen on tutkittu paljon tutkimuskentässä ja saadut tulokset vaihtelevat. Rikkidioksidin liukoisuus on suurempi meriveteen kuin veteen ja sen takia sillä on selkeä merkitys poistotehokkuuteen. Voisi olla hyödyllistä tehdä kokeellisia tutkimuksia pesureissa, jotta saataisiin parempi käsitys liukoisuudesta.

Työssä luotu malli on lähellä olemassa olevaa pesurimallia ja sitä voidaan käyttää pesurisuunnittelun parantamisessa. Pesuritornin korkeus malleissa eroaa vain ~3%, koska mekaaniset komponentit pysyvät samoina. Meriveden tilavuusvirta eroaa mallien välillä ~12%, ja se osoittaa kuinka tärkeätä on ymmärtää rikkidioksidin liukoisuutta. Uusi malli antaa absorptiomatkan, jolla voisi parantaa pesurin suunnittelua, koska se on se matka, jonka kaasun ja pisaran tulee vähintään olla kosketuksissa keskenään, jotta tarvittava aineensiirto tapahtuu.