化學(xué)品船配置廢氣洗滌塔的經(jīng)濟(jì)性研究

錢 強(qiáng)，劉 佳

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

輪機(jī)與輔機(jī)

化學(xué)品船配置廢氣洗滌塔的經(jīng)濟(jì)性研究

錢 強(qiáng)，劉 佳

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

以滬東中華造船集團(tuán)建造的某型化學(xué)品船為例，在船舶航線假定為從歐洲鹿特丹港到美國紐約港，且合理假定船舶運(yùn)營時間和等待貨物時間的情況下，對整個航程中航行于控制區(qū)域內(nèi)外的時間及在此期間主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行分析細(xì)化，計算不同情況下全船的油耗；同時，對近期國際油價走勢進(jìn)行分析對比，以獲得重油（Heavy Fuel Oil，HFO）與輕油（Marine Gas Oil，MGO）之間的差價，從而得出該船一年中在控制區(qū)域內(nèi)設(shè)備使用MGO所增加的費(fèi)用。在此基礎(chǔ)上，通過對使用MGO所增加的費(fèi)用、洗滌塔系統(tǒng)安裝的前期投入費(fèi)用和洗滌塔系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用等因素進(jìn)行綜合分析，粗略計算該船安裝洗滌塔所需額外費(fèi)用的回收周期，對化學(xué)品船安裝廢氣洗滌塔是否具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢進(jìn)行相關(guān)研究和探討。

化學(xué)品船；排放控制區(qū)；洗滌塔；經(jīng)濟(jì)性

0 引 言

船舶運(yùn)營過程中廢氣所產(chǎn)生的硫氧化物（SOx）等酸性氣體對大氣環(huán)境造成的損害近來受到國際社會越來越多的關(guān)注，由此促使國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）針對部分海域中船舶產(chǎn)生的硫氧化物排放制定了相應(yīng)的法規(guī)，嚴(yán)格限制排放。IMO及歐美船舶燃油硫含量標(biāo)準(zhǔn)和生效時間見表1［1］。

表1 燃油含硫標(biāo)準(zhǔn)生效時間 單位：%（m/m）

船舶排放的SOx全部來源于燃油（主要是重油（Heavy Fuel Oil，HFO））的燃燒，目前IMO推薦減少船舶SOx排放的方法主要有2種：① 選用輕柴油（或輕油（Marine Gas Oil，MGO））；② 對廢氣進(jìn)行脫硫洗滌［2］。由于MGO在煉制過程中經(jīng)過了脫硫，因而價格相對較高。廢氣脫硫技術(shù)則是使用洗滌塔去除廢氣中的硫氧化物。排氣脫硫技術(shù)被認(rèn)為是控制船舶SOx污染的最經(jīng)濟(jì)、最有效的途徑。隨著SOx排放控制區(qū)域的出現(xiàn)和擴(kuò)大，考慮到MGO與HFO之間的差價，很多船東把目光投向了洗滌塔。這里以38000t化學(xué)品船為例，以北美到歐洲的航線為假設(shè)運(yùn)營線路對安裝洗滌塔的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行探討。

1 廢氣洗滌塔技術(shù)

目前船舶上常用濕式廢氣洗滌系統(tǒng)，主要有3種形式。

1） 開式模式。采用海水洗滌廢氣，利用海水中的鈉離子中和廢氣中的 SOx，洗滌后的廢水經(jīng)處理檢測后直接排入海中，系統(tǒng)簡單，成本較低，缺點(diǎn)是航行于內(nèi)河或含鹽度低的海區(qū)時不能有效工作。

2） 閉式模式。使用淡水對廢氣進(jìn)行洗滌，通過添加堿性物質(zhì)（通常是50%的NaOH溶液）與廢氣中的 SOx發(fā)生中和反應(yīng)，從而去除廢氣中的SOx。反應(yīng)后的洗滌污水經(jīng)過處理清潔后進(jìn)入系統(tǒng)柜重復(fù)使用，產(chǎn)生的污泥渣等存儲在船上，到港時駁運(yùn)到岸上。此類模式系統(tǒng)較復(fù)雜，任何區(qū)域均能有效去除廢氣中的SOx，缺點(diǎn)是全程使用NaOH，運(yùn)行成本高。

3） 混合模式。同時具備海水洗滌和淡水洗滌功能，綜合了開式模式和閉式模式的優(yōu)點(diǎn)［3］，根據(jù)不同航行區(qū)域，可以靈活地選擇開式模式或閉式模式運(yùn)行。

1.1 洗滌塔除硫原理

為滿足IMO MARPOL有關(guān)船舶硫氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，本船選用混合模式洗滌塔。主機(jī)、發(fā)電機(jī)組及鍋爐共用一臺洗滌塔，廢氣由洗滌塔頂部的導(dǎo)風(fēng)口進(jìn)入塔身，經(jīng)風(fēng)機(jī)抽吸后進(jìn)入主洗滌部分；在此過程中，噴入NaOH溶液或海水，使噴入的液體和廢氣充分混合，進(jìn)入洗滌塔主塔后進(jìn)一步反應(yīng)，達(dá)到去除廢氣中SOx成分的目的［4］。反應(yīng)后的煙氣經(jīng)過上升通道由洗滌塔頂部排入大氣中（見圖1）。

混合式洗滌塔綜合采用了開式和閉式循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)。當(dāng)船舶在離岸排放控制區(qū)航行時，使用開式循環(huán)洗滌，海水泵抽吸海水后送入洗滌塔，吸收廢氣中的SOx，經(jīng)處理后直接排至海中，分離物排至油渣柜；當(dāng)船舶停泊港口時，使用閉式循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)檢測到的排氣中SOx的含量噴入適量氫氧化鈉溶液，以中和SOx成分，使用淡水作為洗滌的介質(zhì)。洗滌后的淡水進(jìn)入處理柜，經(jīng)設(shè)備處理后，進(jìn)入系統(tǒng)柜重復(fù)使用。

圖1 洗滌塔結(jié)構(gòu)

1.2 洗滌塔技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

該船采用的廢氣洗滌塔脫硫具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1） 脫硫效率高，一般＞95%；

2） 可以除去廢氣中≈80%的顆粒物以及部分的氮氧化物［5］；

3） 設(shè)備適應(yīng)性強(qiáng)，不影響柴油機(jī)的排氣背壓；

4） 運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較低，操作靈活，避免更換燃油時存在的安全隱患；

5） 可以繼續(xù)使用含硫量高的燃油，運(yùn)營成本降低。

2 船舶配置及油耗

2.1 設(shè)備配置

該船SCR點(diǎn)航速為14kn，配置W?rtsil?-6RTflex50D主機(jī)1臺；軸帶發(fā)電機(jī)1臺，功率1500kW；發(fā)電機(jī)3臺，功率1110kW；輔鍋爐2臺，蒸發(fā)量16t/h；混合鍋爐1臺，燃油側(cè)蒸發(fā)量為5t/h?？紤]到以上設(shè)備同時運(yùn)行的比率，洗滌塔容量按照以下工況配置。

（1） 主 機(jī)：1臺，功率取SMCR點(diǎn)，7900kW；

（2） 發(fā)電機(jī)：2臺，功率取2×1110kW；

（3） 輔鍋爐：1臺，約16t/h，0.8MPa。

2.2 油耗

正常情況下，以該船航速從歐洲鹿特丹港出發(fā)到達(dá)美國紐約所需時間為12d，其中處于排放控制區(qū)域的天數(shù)算上港口操作時間為2.5～3d，現(xiàn)在取大值，按照3d計算。港口卸貨時間在貨油泵最大排量時為24h?？紤]到運(yùn)營實(shí)際情況，船舶會有一段時間停泊在錨地等待貨物到港或等待進(jìn)港，這段時間按照每單個航次10d計算，此時僅需1臺發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

針對以上各航行狀況，分別計算油耗［6］。

1） 排放控制區(qū)內(nèi)航行。主機(jī)功率6715kW，油耗為163g/kWh，3d所需燃油為78.8t；發(fā)電機(jī)1臺，在進(jìn)出港時運(yùn)轉(zhuǎn)時間約為8h，在洗艙時時間為24h，總計32h，按85%MCR計算，功率為943.5kW，油耗為185g/kWh，所需燃油約為5.6t；貨油加熱綜合考慮需一臺鍋爐運(yùn)行1d，油耗為1.2t/h，鍋爐需燃油為28.8t；洗艙時2臺鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)24h，所需燃油為57.6t。燃油耗量合計為170.8t。

2） 港口卸貨。時間為1d，鍋爐1臺，油耗為28.8t；發(fā)電機(jī)3臺全開，負(fù)荷均為85%MCR，所需燃油為12.5t。燃油耗量合計為41.3t。

3） 錨地等待。1臺發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，功率為350kW，油耗設(shè)定為190g/kWh，燃油耗量為15.9t，混合鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)，所需蒸汽約為500kg/h，燃油耗量約為37kg/h，油耗為8.9t，燃油耗量合計為24.8t。

4） 非排放控制區(qū)域內(nèi)航行。主機(jī)工作10d，油耗為263t，1臺發(fā)電機(jī)在洗艙時運(yùn)轉(zhuǎn)，功率為85%MCR，工作時間為2d，油耗為8.4t，其他時間船用電力由軸帶發(fā)電機(jī)供應(yīng)；洗艙時2臺輔鍋爐保持最大功率運(yùn)轉(zhuǎn)，工作時間為2d，油耗為115.2t，其他時間1臺輔鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)用來保持貨艙溫度，負(fù)荷約為80%，油耗為184.3t，合計燃油570.9t。

對于以上運(yùn)行情況，前3種均在排放控制區(qū)內(nèi)，因此單次航程中控制區(qū)內(nèi)油耗共計為236.9t，非控制區(qū)內(nèi)油耗為570.9t?？刂茀^(qū)域內(nèi)油耗為3930t/a，非控制區(qū)域內(nèi)油耗為9471t/a。

3 洗滌塔費(fèi)用回收時間估算

在排放控制區(qū)航行時，不安裝洗滌塔的船舶需要使用價格較高的MGO作為燃料，而安裝洗滌塔的船舶則可繼續(xù)使用廉價的HFO作為船舶燃料。通過探討燃油成本和洗滌塔設(shè)備成本，確定該船安裝洗滌塔的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 HFO與MGO價格走勢（2010—2011年）

3.1 油價走勢

圖2為2010—2011年的HFO與MGO油價走勢。從圖中可以看出，HFO與MGO之間的價格差異從2010年初的200美元/t上升到2011年末的320美元/t，此后價格差異維持在300美元左右，直到俄烏危機(jī)爆發(fā)后，油價開始回落，HFO與MGO之間的價格差異也隨之縮小。

近期船用燃油市場價格較高位時下降約50%，表2為2015年7月3個國際上主要港口的燃油價格。

表2 3個國際主要港口燃油價格 單位：美元/t

假定為歐美航線，考慮經(jīng)濟(jì)因素，加油港口設(shè)置在鹿特丹，那么HFO與MGO之間的價格差異就為205美元/t?？刂茀^(qū)域內(nèi)用油3930t，則使用MGO較之使用HFO增加的成本為80.565萬美元。

3.2 安裝洗滌塔費(fèi)用

安裝洗滌塔所需增加成本為：1） 設(shè)備本身價格；2） 洗滌塔系統(tǒng)安裝所帶來的大量管路、閥件及箱柜的增加；3） 耗電量的增加導(dǎo)致的部分電氣設(shè)備成本增加。根據(jù)對洗滌塔的技術(shù)要求，幾家設(shè)備廠家均提供了系統(tǒng)價格，由于船用洗滌塔的應(yīng)用尚處于初始階段，因此此類設(shè)備價格極為昂貴，均在370萬美元以上。此外，與設(shè)備配套的管路、箱柜、電氣部分必須做的改動及人工成本等合計費(fèi)用約為170萬美元，兩項總計約為540萬美元。

3.3 運(yùn)行洗滌塔費(fèi)用

洗滌塔運(yùn)行所需費(fèi)用大致有以下3個部分組成：1） 洗滌塔系統(tǒng)正常運(yùn)行所需電能約為350kW/h，為產(chǎn)生這一部分電能，一年需要耗費(fèi)的燃油103t，按照每噸302.5美元計算，合計3.115萬美元；2） 在港口內(nèi)該套系統(tǒng)以閉環(huán)型式運(yùn)轉(zhuǎn)，需要額外消耗一定數(shù)量的NaOH溶液，基本比例為150kg 50%NaOH溶液對應(yīng)1t燃油，港口?？科陂g所需燃油為685t，所需NaOH溶液為102.75t，按照每噸160美元計算，一年所需費(fèi)用為1.644萬美元；3） 洗滌塔日常維修管理費(fèi)用，因洗滌塔本體結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行期間維修管理成本較低，采用的洗滌塔此項費(fèi)用每年約為系統(tǒng)價格的1%，合計3.7萬美元。3項合計為8.459萬美元。一年內(nèi)使用MGO較使用洗滌塔實(shí)際增加成本總計為72.106萬美元。

3.4 安裝洗滌塔費(fèi)用回收周期

基于以上“3.2”節(jié)和“3.3”分析得出的數(shù)據(jù)，在不考慮銀行利息的情況下，系統(tǒng)初始投資額為540萬美元，使用HFO較使用MGO每年可節(jié)省72.106萬美元，據(jù)此得出回收周期約為7.5a；若考慮銀行利息，按每年1.5%計算，則回收周期需要延長≈8.5a。

4 結(jié) 語

該船安裝洗滌塔的費(fèi)用在考慮銀行利息的情況下，所需回收時間約為8.5a。一般來說，化學(xué)品船船東建造的船舶都是交由自己的船隊運(yùn)營，此類船舶使用壽命按25～30a計算，考慮到整個使用壽命周期，按照當(dāng)前HFO與MGO之間的價格差異，配置洗滌塔系統(tǒng)對船東來說相當(dāng)有吸引力。如果船舶在控制區(qū)內(nèi)的航行時間更長或?qū)鞨FO和MGO之間的差價增大的話，則費(fèi)用回收時間還會縮短。隨著2020年全球范圍內(nèi)對硫氧化物排放要求進(jìn)一步提高，配置洗滌塔的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢將會進(jìn)一步提高。洗滌塔這一系統(tǒng)的安裝不可避免地會增加船舶質(zhì)量，除了本體外，尚需配置相應(yīng)的泵和水處理單元，增設(shè)NaOH溶液存儲柜、系統(tǒng)循環(huán)柜等一系列箱柜。包括基座等附屬物在內(nèi)，總計增加質(zhì)量約為90t，這意味著船舶載重量相應(yīng)減少，降低了船舶運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性?？紤]到船舶使用壽命，配置洗滌塔對于船東來說，從環(huán)保角度考慮，仍然具有很大的吸引力。

［1］ MEPC. MARPOL 73/78公約附則VI及其修正案：MEPC. 176 （58）［S］.

［2］ Lloyd's Register. Understanding Exhaust Gas Treatment ［S］. 2012.

［3］ 董偉. 基于NaOH的船舶廢氣洗滌效率實(shí)驗研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［4］ 徐鑌，馮志華. 基于海水脫硫原理的船舶煙氣凈化系統(tǒng)［J］. 蘇州大學(xué)學(xué)報，2012 （4）： 40-43.

［5］ 魏永，廉寶剛，金賢，等. 大型船舶NOx和SOx控制技術(shù)［J］. 船舶工程，2003 （S2）： 151-155

［6］ 中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司，中國船舶重工集團(tuán)公司，中國造船工程學(xué)會. 船舶設(shè)計實(shí)用手冊 輪機(jī)分冊［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，1997.

Economic Study on Chemical Tankers Equipped with Exhaust Gas Scrubber

QIAN Qiang， LIU Jia

（Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129， China）

Taking a chemical tanker built by Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group） Co.， Ltd. as example and assuming its route between Rotterdam in Europe and New York in USA with reasonable operation and waiting time， this paper analyzes in detail the operation of the tanker in and out of the Emission Control Area （ECA） as well as the operation condition of main engine， power generator， boiler and other equipment to determine the fuel consumption under different conditions. Meanwhile， it analyzes and compares the recent trends of global fuel prices to know the price difference between Heavy Fuel Oil （HFO） and Marine Gas Oil （MGO）， and thus to find out the cost increased by MGO used in ECA. On this basis， a comprehensive analysis is carried out on the cost increased by MGO， initial investment of scrubber system and operational cost to estimate roughly the additional cost caused by scrubber and its payback period， and thus to study and discuss if it is economically competitive to install the scrubber on chemical tankers.

chemical tanker； emission control area； scrubber； economy

X196；U674.13+3.2

A

2095-4069 （2016） 04-0023-04

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.006

2015-09-07

錢強(qiáng)，男，高級工程師，1975年生。1998年畢業(yè)于武漢交通科技大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院熱能動力機(jī)械與裝置專業(yè)，現(xiàn)從事船舶輪機(jī)開發(fā)設(shè)計工作。