船舶廢氣除硫系統(tǒng)選型介紹

劉亮　林洪山　江傳平

摘 要：為滿足MARPOL附則VI第三章的要求，將有更多的廢氣除硫系統(tǒng)應(yīng)用于船舶上。通過調(diào)研市場上現(xiàn)有除硫系統(tǒng)種類，對比了各種系統(tǒng)的特點(diǎn)，以便于船舶根據(jù)自身的實(shí)際情況選擇合適的除硫系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：船舶；除硫系統(tǒng)

中圖分類號：U664.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： In order to comply with the requirement of the MARPOL Annex VI Chapter 3， more and more vessels will install the scrubber system. This paper introduces the different types of Scrubber system in the market in order that the type of scrubber will be chosen conveniently.

Key words： Ship； Scrubber system

1 背景

船舶運(yùn)輸在各種運(yùn)輸方式中占有很大一部分，因此來自船舶的排放直接影響著全球排放的總量。在全球日益關(guān)注環(huán)境保護(hù)的今天，如何減少船舶排放對環(huán)境造成的影響也越來越受到全球人們的關(guān)注。

MAPPOL公約要求在波羅的海、北海、北美以及美國加勒比海排放控制區(qū)內(nèi)，船用燃油的硫含量在2015年1月1日以后不得超過0.1%；在2020年1月1日以后，全球其他海域船用燃油的最大硫含量不得超過0.5%。

目前，船舶行業(yè)對于柴油機(jī)排放相關(guān)要求的應(yīng)對措施主要有三種：（1）使用低硫燃油；（2）使用LNG燃料；（3）采用洗滌塔去除排氣中的硫。在此三種方法中：第一種方法最簡單，但運(yùn)營成本相對較高；第二種方法運(yùn)營成本相對較低，但初期投入成本較大，且LNG作為易燃易爆氣體對其周圍的設(shè)備有防爆要求，提高了風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對的成本，同時(shí)還受到航線LNG加注設(shè)施的限制；第三種方法船東可以繼續(xù)使用高硫油，運(yùn)營成本低，初期投入僅增加了一個洗滌塔的成本，對周圍其他設(shè)備沒有影響，而且不受任何加注設(shè)施和航線的影響。隨著2020年的到來，低硫油將供小于求，預(yù)計(jì)價(jià)格會持續(xù)走高，因此裝配洗滌塔來滿足硫排放的要求是最好的選擇。

2 廢氣除硫系統(tǒng)原理

廢氣除硫的化學(xué)反應(yīng)原理：2NaOH + H2SO3 →Na2SO3 + 2H2O 。

也就是通過堿性物質(zhì)與煙氣中的含硫氣體發(fā)生中和反應(yīng)，以達(dá)到除去煙氣中硫氧化物含量的目的。廢氣除硫系統(tǒng)包括兩大部分：（1）反應(yīng)部分，即為堿液與煙氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器；（2）水處理部分，即對反應(yīng)后的水按分離式或膜過濾式進(jìn)行必要的處理，以達(dá)到排放要求。

3 廢氣除硫系統(tǒng)的分類

廢氣除硫系統(tǒng)可按以下幾種方式分類：

3.1 按洗滌塔塔體形式分類

洗滌塔塔體形式可分為干式和濕式兩種。兩者最主要的區(qū)別在于在洗滌塔不工作時(shí)，柴油機(jī)排出的煙氣是否還能通過洗滌塔：（1）濕式洗滌塔（見圖1）。其廢氣進(jìn)口一般在塔體側(cè)方，在洗滌塔不工作時(shí)，需將洗滌塔旁通；（2）干式洗滌塔（見圖2）。其廢氣進(jìn)口在塔體底部，在洗滌塔不工作時(shí)廢氣仍能通過洗滌塔排出到大氣中。

關(guān)于干式洗滌塔旁通管的設(shè)置，根據(jù)DNVGL規(guī)范要求：如果多臺主機(jī)共用一個洗滌塔時(shí)，每臺主機(jī)排氣需帶有旁通管；但如果為一臺主機(jī)和多臺輔機(jī)共用時(shí)，則主機(jī)可不設(shè)旁通管，輔機(jī)需每臺設(shè)置一路旁通管。

3.2 按除硫模式分類

根據(jù)船舶的航線及水域要求，可選擇配備不同模式的除硫系統(tǒng)。主要分為三類：開式、閉式、混合式。

3.2.1 開式系統(tǒng)

開式系統(tǒng)為敞開系統(tǒng)，其原理為：通過海水泵吸入海水，再通過管路將海水噴入洗滌塔內(nèi)與煙氣混合，由于海水中含有一定量的堿性物質(zhì)，其與煙氣中SOx反應(yīng)產(chǎn)生硫酸鹽及亞硫酸鹽隨海水一起落入洗滌塔底部通過管路直接排出舷外（見圖3）。

開式系統(tǒng)中反應(yīng)后的水是不做任何處理直接排出舷外的，其系統(tǒng)原理簡單、成本相對較低。但此系統(tǒng)有一定的局限性，如遇到限制排放水域時(shí)系統(tǒng)無法使用；另外，受海水的堿度影響，堿度越低所需海水量就越多、海水泵容量就越大、塔身內(nèi)的噴嘴會越多，故當(dāng)堿值太低時(shí)也無法達(dá)到處理要求。因此，如果確定使用開式系統(tǒng)時(shí)，前期需明確航行水域的堿度，一般標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)堿值為2 200?mol/L。

3.2.2 閉式系統(tǒng)

閉式系統(tǒng)處理原理為：利用循環(huán)艙中堿性物質(zhì)通過循環(huán)泵泵入洗滌塔與煙氣中SOx反應(yīng)，反應(yīng)后的水進(jìn)入循環(huán)艙后繼續(xù)在內(nèi)部參與循環(huán)，當(dāng)循環(huán)艙出口的水的堿值達(dá)不到設(shè)定要求時(shí)，泵從反應(yīng)物質(zhì)艙將堿性物質(zhì)溶液加入循環(huán)艙以達(dá)到堿值的要求。

閉式系統(tǒng)較開式系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備也比開式系統(tǒng)多，還需要消耗反應(yīng)物質(zhì)，增加了船舶的初期投入成本及后續(xù)的船舶運(yùn)營成本。

閉式系統(tǒng)根據(jù)反應(yīng)物質(zhì)的不同，可分為鈉基法和鎂基法兩種：鈉基法使用NaOH溶液作為反應(yīng)物質(zhì)；鎂基法使用Mg（OH）2溶液作為反應(yīng)物質(zhì)。

（1）鈉基法的主要配置為：洗滌塔、循環(huán)艙、循環(huán)泵、冷卻器、NaOH艙、NaOH泵、水處理系統(tǒng)、油渣艙等。其處理原理如前所示，見圖4。

由于循環(huán)艙的水會繼續(xù)參與反應(yīng)，反應(yīng)后的水含有固體顆粒和油污，以及當(dāng)硫酸鹽及亞硫酸鹽達(dá)到一定飽和度時(shí)會析出晶體，需通過水處理系統(tǒng)分離出循環(huán)艙水溶液的雜質(zhì)及油污。同時(shí)，因?yàn)榕懦龅脑鼤欢ㄋ?，加上系統(tǒng)工作時(shí)也會蒸發(fā)一些水，因此需定期向循環(huán)艙中補(bǔ)充淡水，為減少淡水的蒸發(fā)量，系統(tǒng)用冷卻器降低循環(huán)水溶液的溫度。

（2）鎂基法處理系統(tǒng)原理如前所示（見圖5）。它與鈉基法不同的是反應(yīng)物質(zhì)為Mg（OH）2。由于Mg（OH）2是通過MgO與海水反應(yīng)產(chǎn)生，因此鎂基法可直接使用海水機(jī)配制Mg（OH），由于MgO的市場價(jià)格更低，所以從后續(xù)運(yùn)營成本上來看，MgO更具有優(yōu)勢。

3.2.3 混合式系統(tǒng)

混合式系統(tǒng)（見圖6）既有開式模式又有閉式模式，因此混合式系統(tǒng)靈活性更高。在非限排區(qū)域及海水堿值足夠的區(qū)域，系統(tǒng)選用開式模式；在限排區(qū)域及海水堿值不足的區(qū)域，系統(tǒng)選用閉式模式。

雖然混合式原理更復(fù)雜、設(shè)備更多，初期的投入成本也更高，但混合式運(yùn)營成本更低、靈活性更高、更經(jīng)濟(jì)。

3.3 水處理系統(tǒng)的分類

根據(jù)水處理裝置的原理不同，可將水處理裝置分為兩類：分離機(jī)式水處理系統(tǒng)；膜式水處理系統(tǒng)。

（1）分離機(jī)式水處理系統(tǒng)就是用離心機(jī)來除去水中的雜質(zhì)；而膜式水處理系統(tǒng)是通過膜來過濾廢水中的雜質(zhì)。相較于分離機(jī)式，膜式水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的廢渣更少，因此在船舶艙容有限時(shí)可選用膜式水處理系統(tǒng)。

水處理裝置還有一種特殊設(shè)計(jì)，即當(dāng)船舶選用EGR來滿足NOx排放時(shí)，由于EGR的原理為通過廢氣再循環(huán)將柴油機(jī)產(chǎn)生的廢氣引入?yún)⑴c燃燒反應(yīng)，對引入的廢氣需進(jìn)行沖刷洗滌，產(chǎn)生的廢水也需進(jìn)行處理，這樣EGR水處理裝置與除硫裝置的水處理單元可共用，既節(jié)省了設(shè)備和艙柜的數(shù)量，又能方便船舶的機(jī)艙布置。

以某2 000 TEU集裝箱船為例，本船為滿足NOx及SOx的要求，主機(jī)配備EGR、發(fā)電機(jī)組配備LPSCR來滿足NOx排放要求；主機(jī)和發(fā)電機(jī)組共用的一個洗滌塔，滿足SOx排放要求；其水處理裝置為膜式水處理系統(tǒng)，當(dāng)除硫裝置水處理系統(tǒng)與EGR水處理系統(tǒng)共用時(shí)，膜式水處理模塊為3套；當(dāng)兩者分開處理廢水時(shí)，膜式水處理模塊為5套。這種設(shè)計(jì)要注意一點(diǎn)是： EGR為MAN柴油機(jī)獨(dú)有的設(shè)計(jì)，當(dāng)EGR水處理裝置與除硫裝置的水處理裝置共用時(shí)，該水處理裝置需得到MAN的認(rèn)可。

4 總結(jié)

綜上所述，在船舶設(shè)計(jì)的初期需了解船東對于洗滌塔的具體需求，如航線、水域、航行周期等，以此來選擇一個最優(yōu)方案滿足船東的需求。如船舶所航行區(qū)域?yàn)榉窍夼艆^(qū)域，且水域中水的堿值足夠，那么就可以選用開式系統(tǒng)，既滿足了法規(guī)要求，經(jīng)濟(jì)性也更好。endprint