船舶硫氧化物排放控制技術研究現(xiàn)狀及展望

楊少龍，韓志濤，潘新祥，嚴志軍

（大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026）

近幾十年以來，隨著航運經(jīng)濟的不斷發(fā)展，以柴油機為主推進動力的船舶數(shù)量和噸位均大幅增長。然而，由于長期使用高硫含量的廉價重質殘渣油（HFO）作為燃料[1]，船舶廢氣排放中含有大量的硫氧化物，造成了嚴重的大氣環(huán)境污染，從而引發(fā)了國際社會的高度關注。據(jù)2014年國際海事組織（IMO）統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，船舶廢氣年排放SOx、NOx分別約占全球排放總量的13%和15%[2]。在全球范圍內(nèi)，船舶廢氣所造成的大氣污染約占整個大氣污染的5%～10%。在一些航運業(yè)發(fā)達的港口城市（如香港、上海等），這一比例甚至高達30%～40%[3-5]，船舶廢氣成為當?shù)刂饕目諝馕廴驹?，嚴重危害人體健康。

為了減少船舶廢氣中硫氧化物對大氣環(huán)境的污染，最直接的方法就是減少船舶燃料油中的硫含量，IMO 和歐美發(fā)達國家通過制定相關法規(guī)，對船用燃料油中的硫含量設定了限值標準，并加以施行。除此之外，近年來國內(nèi)外一些船用設備廠商及科研院所在船舶硫氧化物排放控制技術方面開展了大量的研發(fā)工作。本文概述了船舶硫氧化物排放控制的相關法規(guī)，重點研究了船舶硫氧化物排放控制技術的現(xiàn)狀，并分析了船舶廢氣排放控制技術的未來發(fā)展趨勢。

1 船舶硫氧化物排放控制法規(guī)

面對船舶廢氣中大量硫氧化物排放造成的嚴重大氣環(huán)境污染，一些國際與地區(qū)性組織紛紛立法限制船舶硫氧化物排放。由于降低燃油硫含量是最直接有效的減排措施，因此IMO、美國環(huán)保局、歐洲環(huán)境署等針對全球和局部海域船舶燃油硫含量做出了日趨嚴苛的限值規(guī)定（如表1 所示）。以IMO MARPOL 附則Ⅵ為例，2005年起公約生效，船舶在歐美地區(qū)硫排放控制區(qū)（SECA）航行時，船舶燃油硫含量限值標準為1.5%（質量分數(shù)），然而從2015年起，當船舶進入SECA 時，燃油硫含量標 準相比之前將降低90%以上，這使得從事國際貿(mào)易的遠洋船舶面臨嚴峻的減排壓力。此外，除目前IMO 規(guī)定的SECA[6-7]外，墨西哥海岸、阿拉斯加海岸、新加坡、香港、澳大利亞、東京灣等地區(qū)的近岸海域也都即將成為SECA，未來全球范圍內(nèi)所有近岸海域均有可能劃為SECA 范疇，因此這將對船舶硫氧化物排放控制技術的發(fā)展產(chǎn)生重要的促進 作用。

表1 全球和區(qū)域性船舶燃油硫含量（質量分數(shù)）限值規(guī)定[8-10]

2 船舶廢氣中硫氧化物來源

船舶廢氣中硫氧化物主要來源于含硫燃料油的燃燒，廢氣中SOx含量與船舶燃油硫含量的關系如圖1 所示。燃燒含硫燃料油會生成大量的SO2與少量的SO3，比例約為15∶1[11]，其中部分SO3又與水蒸氣等結合形成硫酸與硫酸鹽。這些酸性氣體排放到大氣中造成不同程度的環(huán)境污染，如酸雨、全球變暖等。因此，當前解決船舶硫氧化物排放問題的技術措施主要從燃料油與廢氣后處理兩個角度開展研究。

圖1 船舶廢氣中SO2/CO2 含量（體積分數(shù)）隨燃油硫含量（質量分數(shù)）的變化[12]

3 船舶硫氧化物排放控制技術研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外已處于中試或實船應用的船舶硫氧化物排放控制技術，根據(jù)工作原理可劃分為低硫燃油、替代燃料、干法脫硫與濕法脫硫共4 類，如圖2 所示。

圖2 船舶硫氧化物排放控制技術分類

3.1 低硫燃油

低硫燃油技術是指煉油廠通過精煉燃料油脫除硫分的一種燃料處理技術，作為最直接的船舶SOx減排方式，曾被認為是解決船舶SOx排放的主流技術。許多航行于歐洲北海、波羅的海等SECA 的船舶通過改裝燃油系統(tǒng)并聯(lián)合選擇性催化還原（SCR）技術，實現(xiàn)船舶同時脫硫脫硝[13]。然而，IMO 有關低硫燃油可用性的可行性評估尚未完成，對全球各主要港口能否供應充足地精煉燃料油問題，目前尚無定論[14-15]。此外，低硫燃油的精煉不僅會消耗更多能量產(chǎn)生大量碳排放，增加煉油成本[16]，而且會導致燃油閃點與潤滑性能下降，以至于不能滿足當前 IMO 對船用燃料油最低閃點的限值規(guī)定 （60℃）[17-18]。因此，低硫燃油技術會增加船舶運營成本，且影響航行安全，縮短船舶柴油機使用 壽命。

然而，對于現(xiàn)有船舶，由于改裝低硫燃油設備投資較小，因此當高、低硫燃油價格差距（如表2所示）小于250 歐元且船舶在SECA 內(nèi)航行時間較少時，部分現(xiàn)有船舶依然會選擇增加一定燃油成本，以低硫燃油方式來滿足船舶SOx排放法規(guī)要求[19]。

表2 歐洲地區(qū)2009—2020年間不同硫含量（質量分數(shù)） 燃油價格表[20-21]

3.2 替代燃料

替代燃料技術是指以液化天然氣（LNG）、甲醇、生物燃料等新型清潔能源為代表的燃料，替代傳統(tǒng)船用燃料油燃燒的技術。這類燃料具有較為突出的環(huán)?？冃?，能有效降低船舶廢氣中SOx、NOx、顆粒物（PM）等排放，且燃料價格相對便宜，有助于降低運營成本[22-23]，因此這類技術正逐漸開始應用到船舶動力裝置。然而，目前純氣體燃料發(fā)動機與雙燃料發(fā)動機的氣缸潤滑、甲烷泄漏、安全保障等方面尚存在一些待解決的關鍵技術問題[24]，且船舶存儲LNG 燃料的壓力罐所需空間約為等量柴油艙的3～4 倍，建造成本增加約8%～20%[25]。除北歐地區(qū)外[26]，全球大部分港口替代燃料的在港補給基礎設施尚不完善，燃料加裝、存儲與駁運等較為困難[27]。此外，有關研究表明[28]，LNG 經(jīng)濟性取決于LNG 與HFO 價格差異，以及航線中SECA 所占比例。因此，替代燃料技術尚只在北歐地區(qū)內(nèi)短途海運與定航線的客滾運輸類船舶上應用推廣，而在大型遠洋運輸商船上的實際應用案例較少。

3.3 干法脫硫

干法脫硫技術是以石灰基材料（如碳酸鈣、生石灰、氫氧化鈣等）作為吸附劑，脫除船舶廢氣中SOx。據(jù)報道，2010年德國Couple Systems 公司與MAN B&W 公司聯(lián)合開展相關研究，已形成如圖3所示的Dry EGCS 干法脫硫系統(tǒng)[29]。該系統(tǒng)沒有液體介入，生成的固體廢料（如亞硫酸鈣、硫酸鈣）需要隨船存儲與到岸卸載，不產(chǎn)生海洋環(huán)境二次污染。在幾乎不降低廢氣溫度的情況下，干法脫硫技術脫硫效率達99%，脫PM 效率約60%，因此干法脫硫系統(tǒng)可直接安裝在增壓器下游位置，有利于后續(xù)加裝SCR 系統(tǒng)，進而實現(xiàn)船舶廢氣同時脫硫脫 硝[30]。然而，由于氣-固反應速率較低，實現(xiàn)與濕法脫硫相同的脫硫效果，干法系統(tǒng)中廢氣與吸附劑需要更長的接觸時間，因此，如圖4 所示，干法脫硫系統(tǒng)存在設備體積龐大、占用船舶較多有效載貨空間與質量等問題，從而限制了該技術的實船應用。

3.4 濕法脫硫

圖3 Dry EGCS 干法脫硫系統(tǒng)原理示意圖

圖4 Dry EGCS 干法脫硫系統(tǒng)與PureSOx 濕法脫硫系統(tǒng)質量對比[31]

濕法脫硫技術是指基于酸堿中和原理，以海水、 淡水-氫氧化鈉溶液、鎂基-海水等為原料，通過噴淋洗滌方式吸收廢氣中的SOx，實現(xiàn)船舶廢氣脫硫。根據(jù)洗滌劑的循環(huán)方式不同，濕法脫硫系統(tǒng)可分為開式海水系統(tǒng)、閉式淡水系統(tǒng)與混合式脫硫系統(tǒng)。

開式海水系統(tǒng)是指利用天然海水堿度，將船舶廢氣中SOx轉化成亞硫酸鹽與硫酸鹽，洗滌廢液經(jīng)分離、曝氣、稀釋等環(huán)節(jié)處理后排入大海，而分離后的污泥、油渣等隨船存儲，直至靠岸回收[32]。國外Hamworthy、Marine Exhaust Solutions（MES）、DuPont? BELCO 等公司采用上述方法已開發(fā)出各具特色的船舶開式海水脫硫系統(tǒng)[33-34]，其中Hamworthy 公司的Krystallon 脫硫系統(tǒng)，目前已在Holland America Lines 公 司“Zaandam”號 郵 輪21MW 的發(fā)動機上實際使用，當發(fā)動機燃用3.50%（質量分數(shù)）HFO 時，需要消耗的海水（平均堿度為2300μmol/kg）約70m3/(MW·h)，脫硫效率約98%，脫PM 效率50%～70%。

開式海水系統(tǒng)利用天然海水高效脫硫，不需要隨船存儲大量堿液，系統(tǒng)構造簡單，運營成本較低，但存在如下問題。

（1）脫硫效率依賴海水堿度與溫度，當船舶在沿海地區(qū)、港口、運河及河流入?？诘人蚝叫袝r，海水堿度降低，會導致脫硫效率下降。

（2）海水消耗量較大，水泵耗能較高，約占2%～3%主推進柴油機功率。

（3）酸性洗滌廢液排入大海會使得局部海域 海洋酸化，產(chǎn)生二次環(huán)境污染，破壞HCO3-/CO32-緩沖體系，增加大氣CO2排放量[35-36]。

閉式淡水系統(tǒng)是指向淡水中添加氫氧化鈉來中和廢氣中的SOx，洗滌廢液通過離心分離、補充堿液與冷卻處理后重新循環(huán)使用，經(jīng)分離的顆粒物存儲在污泥艙內(nèi)，實現(xiàn)閉式脫硫過程。國際上W?rtsil?、Klaveness Clean Marine 等公司運用鈉堿法已開發(fā)出較為成熟的脫硫裝置，以W?rtsil? 公司為例，其閉式脫硫系統(tǒng)在“Suula”號化學品船舶上應 用[37]，脫硫效果和洗滌廢液排放均滿足IMO 在SECA 的嚴格標準，當船舶柴油機使用高硫燃油（硫含量≥3.50%）時，脫硫效率可達98%以上，脫PM為30%～60%，脫硝為3%～8%。

如表3 所示，相比開式海水系統(tǒng)，閉式淡水系統(tǒng)依靠氫氧化鈉溶液來處理廢氣，脫硫效果較為穩(wěn)定，且淡水循環(huán)量較小，耗能較低，所有的顆粒物等雜質隨船存儲，實現(xiàn)對外近似“零排放”，可作為船舶在港與運河等航行期間的有效脫硫手段，但該系統(tǒng)也存在如下問題。

表3 開式海水系統(tǒng)和閉式淡水系統(tǒng)的對比[38]

（1）船舶加裝與存儲氫氧化鈉的管道和艙室均需特殊處理，增加安全隱患，且占用船舶有效載貨空間。

（2）系統(tǒng)消耗淡水量較大，持續(xù)運行時間有限，難以滿足公海持續(xù)航行需求。

混合式脫硫系統(tǒng)是將開式海水系統(tǒng)與閉式淡水系統(tǒng)組合，形成的一套混合式脫硫系統(tǒng)，提供靈活的海水洗滌與淡水洗滌模式切換，以便更好地適應船舶實際航行需求。目前，Alfa Laval Aalborg、Yara Marine Technologies 等公司均開發(fā)出能夠滿足船舶需求的混合式脫硫系統(tǒng)，其中丹麥 Alfa Laval Aalborg 公司于2009年將混合式脫硫系統(tǒng)安裝到“Ficaria Seaways”號滾裝船21 MW 的二沖程柴油機上，使用結果表明，脫硫效率98%～100%，脫PM 效率約80%[39]。

混合式脫硫系統(tǒng)兼顧開式與閉式系統(tǒng)優(yōu)點，能夠適應不同航行環(huán)境需要，減少船舶堿液存儲量與二次環(huán)境污染，但該類系統(tǒng)的結構、操作等更為復雜，初始投資成本更高，且改造過程易受到船舶原有排煙管道的空間限制。

綜上，當前船舶硫氧化物排放控制技術中最具應用前景的是濕法脫硫。國外在這方面的研究與應用發(fā)展迅速，W?rtsil?、MAN B&W、Alfa Laval Aalborg、Hamworthy、Clean Marine、DuPont 等公司紛紛研發(fā)出能夠滿足市場需求的船舶廢氣脫硫產(chǎn)品[40]，并取得了較好的實船應用效果，而我國在此方面尚處于起步階段，未見相關產(chǎn)品報道。

4 船舶硫氧化物排放控制技術發(fā)展趨勢

由表4 可知，現(xiàn)有船舶廢氣排放控制技術多數(shù)是用于處理單一有害污染物，而針對船舶廢氣中SOx、NOx等多污染物的同時減排規(guī)定，船舶只能采取單一脫硫/脫硝技術相聯(lián)合方式，同時安裝多套系統(tǒng)才能滿足排放法規(guī)要求，這樣存在設備投資高、占用空間多、運行管理難度大等缺點，且需要解決不同系統(tǒng)聯(lián)用的技術耦合與集成安裝工藝等難題。因此，結合船舶朝向綠色環(huán)保發(fā)展的總體趨勢，研發(fā)適應船舶特點的經(jīng)濟、高效的廢氣多污染物綜合處理系統(tǒng)已成為船舶廢氣減排技術發(fā)展的一個重要方向。

表4 船舶廢氣排放控制技術對比

在船舶廢氣綜合處理領域，國外少數(shù)機構已開展研究，在單一脫硫/脫硝技術耦合機理與集成工藝、新型同時脫硫脫硝廢氣后處理技術等方面進行了大量實驗，取得一定進展。例如，美國先進清潔技術公司[41]研究采用濕法脫硫聯(lián)合SCR 方式，實現(xiàn)廢氣綜合處理，脫除效率分別為98.5% SOx、99% NOx、94.5% PM 和99.5% VOC，較好地解決船舶在港期間的排放控制問題；新加坡Ecospec 公司采用超低頻電解技術開發(fā)CSNOx船舶廢氣綜合處理系統(tǒng)[42]，實船中試結果顯示，脫硫率99%、脫硝率66%、脫CO2率77%；英國布魯內(nèi)爾大學開展新型船舶廢氣綜合后處理技術研究[43-45]，采用濕式靜電海水洗滌技術與電子束/微波低溫等離子體技術，實驗結果表明，該技術能夠降低船舶廢氣中98% NOx、98% SOx、99% PM、80% HC 和80% CO；日本東京海洋大學的研究人員提出將旋風靜電除塵技術、廢氣洗滌技術與廢氣再循環(huán)技術聯(lián)合的綜合脫硫、脫硝、脫PM 系統(tǒng)[46]，目前尚處于理論論證與實驗設計階段，但其突出特點是能夠大大降低洗滌廢液處理難度，增強廢氣中亞微米級顆粒物的脫除效果。

5 結 語

船舶硫氧化物減排的形勢越來越嚴峻，各國都在爭相開發(fā)適用于船舶的硫氧化物排放控制技術。隨著濕法脫硫技術的不斷成熟與完善，它很可能成為解決船舶硫氧化物排放問題的一種有效手段。而且，通過將濕法脫硫技術與其他廢氣處理技術的協(xié)同應用，未來有可能開發(fā)出一種經(jīng)濟、高效的船舶廢氣多污染物綜合處理技術。鑒于此，我國需要加強船舶廢氣排放控制技術的理論與應用研究，學習并借鑒國外先進的脫硫脫硝技術，努力研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的新型船舶廢氣處理系統(tǒng)，以滿足日益嚴苛的船舶廢氣排放法規(guī)，從而增強我國國際航運船舶的市場競爭力。

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