船舶尾氣脫硫治理技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用

梁培生　張國(guó)政

摘 要：針對(duì)全社會(huì)對(duì)船舶尾氣排放控制日益嚴(yán)格，而遠(yuǎn)洋船舶所燃燒的重油會(huì)釋放大量的尾氣，這些尾氣中主要為NOX和SOX等污染物，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境和沿海居民的身心健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。文章介紹了國(guó)內(nèi)外船舶尾氣處理的各種方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，并提出合理選擇脫硫技術(shù)的建議。

關(guān)鍵詞：船舶；尾氣；脫硫；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X736.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）30-0155-03

Abstract： In view of the increasingly strict control of ship exhaust emission by the whole society， the heavy oil burned by ocean-going ships will release a large amount of tail gas， which is mainly composed of pollutants such as NOX and SOX. It poses a serious threat to the marine ecological environment and the physical and mental health of coastal residents. This paper introduces various methods of marine tail gas treatment at home and abroad and their advantages and disadvantages， analyzes the development trend， economy and application prospect of various technologies， and puts forward some suggestions for the reasonable selection of desulphurization technology.

Keywords： ship； tail gas； desulphurization； application

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，特別是世界經(jīng)濟(jì)一體化格局逐步形成，各國(guó)之間的經(jīng)貿(mào)來往更加頻繁，海上船舶運(yùn)輸價(jià)廉便捷的特點(diǎn)使其成為了國(guó)際貿(mào)易貨物運(yùn)輸中的主要形式。但由于船舶發(fā)動(dòng)機(jī)主要是柴油機(jī)，采用的燃料是柴油等重油，相對(duì)于其它機(jī)動(dòng)車尾氣，船舶排出的尾氣NOx、SOx（氮化物、硫化物）濃度較高，而SOx等不僅對(duì)人的各個(gè)器官產(chǎn)生毒害作用，極大危害人體健康，而且形成的酸雨對(duì)地球上的樹林、住宅建筑、水生動(dòng)植物都造成損害。硫化物是船舶有害排放物中量最大的一種，隨著國(guó)際貿(mào)易、海上船舶運(yùn)輸?shù)难该桶l(fā)展，有統(tǒng)計(jì)表明，柴油機(jī)動(dòng)力船每年向大氣排放的硫化物超過950萬t，正嚴(yán)重危害著地球這個(gè)人類生存環(huán)境的安全。

1 船舶尾氣污染物成分構(gòu)成與危害

柴油機(jī)尾氣成分較為復(fù)雜，據(jù)測(cè)定，主要有CO、CO2、HC、PM、NOX、SOX等，其中主要污染物是NOX和SOX，被IMO列為需嚴(yán)格控制的船舶柴油機(jī)尾氣污染物。SO2一般由燃料中的硫燃燒合成，故尾氣的SO2含量?jī)H與燃油的含硫量高低相關(guān)，與柴油機(jī)功率的大小、結(jié)構(gòu)等無關(guān)。對(duì)人的身心健康和地球生態(tài)危害最大的也是SO2。而NOx則由空氣中的氮?dú)猱a(chǎn)生反應(yīng)，在高壓環(huán)境里燃燒而成。NOx對(duì)人體的危害主要是呼吸系統(tǒng)，另外還會(huì)影響大氣對(duì)流層里的臭氧和OH的含量高低。因此，通常對(duì)船舶尾氣的治理重點(diǎn)是處理尾氣中的SOX和 NOX。

2 目前柴油機(jī)尾氣脫硫技術(shù)

在火力發(fā)電廠，煤炭燃燒排放的煙氣其脫硫技術(shù)已比較成熟，然而對(duì)于柴油機(jī)排放的硫化物的處理還處在廣泛的試驗(yàn)探索階段?；诖暗奶攸c(diǎn)，如可利用的空間小、淡水資源稀缺、排出煙氣溫度高（>230°C），體積大的處理設(shè)備無法使用，耗材和處理后的副產(chǎn)物也不能大量存放等，船舶尾氣脫硫與其它工業(yè)煙氣的脫硫工藝與技術(shù)不盡相同，必須結(jié)合其自身特點(diǎn)開展探索與研究。縱觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，基于技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可行性以及船舶特點(diǎn)進(jìn)行綜合考量，在逐步推廣的有以下幾種方法：

2.1 海水脫硫法

海水脫硫原理是通過中和作用洗去煙氣中的硫化物。海水一般呈堿性，其pH值的范圍在7.5-8.5之間，海水中主要成分為氯化物，以及碳酸鹽和硫酸鹽等。一般堿度范圍1.3-2.6mmol/L， 鑒于海水中的碳酸鹽類物質(zhì)對(duì)酸性化合物有中和和吸收效果，原因?yàn)槲矚庵械腟O2與海水進(jìn)行化合生成S032-：SO2+H2O→2H++SO32-，生成的H+的隨之與海水中的碳酸根離子形成反應(yīng)：H++HCO3→CO2+H2O。但由于硫酸會(huì)使海水酸度增高，導(dǎo)致氧的溶解量降低，對(duì)海洋生物的生長(zhǎng)不利，所以給尾氣脫硫后的海水是不允許立即排入海里的，一般需要將SO32-轉(zhuǎn)化為SO42-后再排入大海。

船舶如果在大海航行，則應(yīng)用海水脫硫法是最具優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)楹Ｋ膩碓戳畠r(jià)而方便，但如果在內(nèi)陸江河的航行，因?yàn)榻邮堑?，所以要脫硫則只能在淡水中添加碳酸鈉或氫氧化鈉等堿性添加劑，以此使淡變成堿性，具備脫硫效果。海水脫硫法常做成開放式，海水吸收SO2后再經(jīng)過曝氣系統(tǒng)處理，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求后才能排入海洋，因而需要在船舶尾部增設(shè)曝氣系統(tǒng)，對(duì)脫硫后的海水進(jìn)行稀釋、曝氣處理后再排入海中。

而需要在江河和大海都要航行的船舶，則需要兩種系統(tǒng)同時(shí)配備，隨時(shí)切換使用。圖1為L(zhǎng)iean marine公司設(shè)計(jì)的混合系統(tǒng)。該系統(tǒng)與旋風(fēng)除塵器類似，主發(fā)動(dòng)機(jī)和輔機(jī)引擎排放的廢氣進(jìn)入洗淋器內(nèi)，進(jìn)入內(nèi)腔后，廢氣與噴嘴的噴淋液接觸受到冷卻并發(fā)生反應(yīng)，冷卻后的廢氣被風(fēng)機(jī)加速形成旋流，進(jìn)入洗淋器下方，繼續(xù)與噴淋液發(fā)生作用，尾氣被脫硫后從洗淋器下部的排氣管里由下往上排出系統(tǒng)，尾氣中直徑較大的水滴被分離出，達(dá)到除霧效果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，壓降較低，無需額外增加除霧裝置，進(jìn)口與排放口有熱交換過程，可減少煙羽現(xiàn)象。

圖1 Liean marine公司混合系統(tǒng)

混合式系統(tǒng)綜合了海水脫硫法和淡水中添加氫氧化鈉或碳酸鈉法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以Liean marine公司混合系統(tǒng)為例，其處理指標(biāo)為：混合式系統(tǒng)所需能耗占為整機(jī)總功率的1.6%，處理效能191000kg/h，脫硫率超過98%，硫化物的吸收率超過80%?？梢钥闯?，海水法脫硫技術(shù)用于船舶柴油機(jī)的尾氣硫化物的治理已較為穩(wěn)定成熟，整體運(yùn)行可靠，治理效果也能達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 干式脫硫法

干式脫硫法與海水脫硫法相比，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，所需能耗也低。但由于其處理后其溫度仍較高，反而有利于處理物的快速擴(kuò)散，避免通常的“白煙”形成，整個(gè)過程也沒有污水、需要另加其它處理工藝等缺陷。其處理過程為：尾氣先進(jìn)行預(yù)除塵處理，然后被消石灰脫硫吸收，再在反應(yīng)塔里充分混合并發(fā)生發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，尾氣中的SOX與氫氧化鈣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成CaSO3H2O以及CaSO4等，從而達(dá)到脫除二氧化硫的目的。干式脫硫法最大制約因素是脫硫劑的供給和反應(yīng)后副產(chǎn)物的堆積處理。干式脫硫法的特點(diǎn)是：對(duì)吸收劑要求高，脫硫劑利用率不高，反應(yīng)后副產(chǎn)品多，處理和利用還比較麻煩。脫硫劑穩(wěn)定性較低，需要現(xiàn)場(chǎng)配置，需要增加配置裝置，因此此方法還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，還沒有在實(shí)際航行船只上進(jìn)行更多相關(guān)試驗(yàn)。

2.3 石灰石脫硫法

系利用石灰石或生石灰為化學(xué)吸收劑，把尾氣中的SOX進(jìn)行分離和吸收，然后將其轉(zhuǎn)化為石膏類物質(zhì)。其過程：先把石灰石加工成流體狀，再放置于吸收塔里，與尾氣混合充分，變成濃漿狀，濃漿中的CaCO3與進(jìn)行SO2反應(yīng)，得到CaSO3，然后和空氣中的氧氣反應(yīng)生成CaSO4，最后得到石膏物。此法雖然技術(shù)方案比較成熟，而且運(yùn)行可靠，脫硫效率高，吸收劑成本低，但此法需水量較大，吸收劑的運(yùn)輸量大，副產(chǎn)物多。因此此法由于吸收劑和副產(chǎn)物的量較多，造成運(yùn)輸和堆放的不便，加上船舶上可操作空間小，實(shí)際使用并不太方便。

2.4 鎂式脫硫法

鎂式脫硫的方法主要以氧化鎂作為吸收劑，首先在制漿器械中制得Mg（OH）2溶液，然后使之與尾氣在反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行充分接觸，其中Mg（OH）2與尾氣中的SO2反應(yīng)生成 MgSO2，MgSO2經(jīng)過脫水，干燥后可做其它用途。

此法脫硫工藝所用的硬件設(shè)備與比石灰石法相比，所需空間體積小，投資費(fèi)用低，脫硫劑用量少，成本低，反應(yīng)時(shí)間短，工藝運(yùn)行可靠，與其它方法相比，管路不易堵塞，最終反應(yīng)物溶于水，MgSO2可以在大型水體或海域中可以作為無污染排放物，無需對(duì)其進(jìn)行較為較為麻煩的凈化處理。正是由于此原因，故鎂法脫硫與鈣法相比，具有較好的應(yīng)用前景。

3 脫硫技術(shù)的應(yīng)用

由上述可知，各種脫硫方法均有其局限性和適用范圍，因此在選擇時(shí)要根據(jù)船舶航行條件和原料來源難易程度選擇確定適合自身?xiàng)l件的脫硫方式。在總體上應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)、有效、安全、節(jié)約等原則，同時(shí)兼顧占地空間、可循環(huán)利用等因素，充分權(quán)衡各脫硫工藝的不同特點(diǎn)，既要滿足MARPOL排放標(biāo)準(zhǔn)，又要因地制宜，合理選擇適合自身特點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)合理工藝。

3.1 船舶的航行區(qū)域和環(huán)境

根據(jù)船舶的航行環(huán)境和水域條件選擇合理的脫硫工藝，比如干式脫硫法其效率高，工藝可靠，但系統(tǒng)占地面積大，形成的副產(chǎn)物包括石膏和廢水都較難處理，因此此法有其局限性。而海水法的與之相比，工裝簡(jiǎn)單、運(yùn)行方便、脫硫率較高、不需加放其它化學(xué)品，因此投資小、費(fèi)用低。所在區(qū)域如海水堿度合適，所在海域的環(huán)境能通過海事、環(huán)保部門的審查要求，考慮采用海水脫硫是比較經(jīng)濟(jì)合理的。

3.2 吸收劑的來源及副產(chǎn)物處理難易程度

選擇合理的脫硫工藝，脫硫劑的來源和價(jià)格成本是必須考慮的一個(gè)重要因素，比如干法的原料成本高，形成的副產(chǎn)物處理也比較麻煩，對(duì)設(shè)備的防腐性、可靠性也有較高要求。干石灰價(jià)格較低，原料供應(yīng)充足，但用量大，如果船舶載重量有限，運(yùn)載不了量大的脫硫劑，就要考慮脫硫劑能重復(fù)利用的脫硫法，包括旋轉(zhuǎn)嘖霧法，該法所用設(shè)備占地小，脫硫劑可循環(huán)利用，可避免在航行時(shí)需要攜帶大量的脫硫劑及處理后的副產(chǎn)物等。

3.3 初期投資和年均運(yùn)行費(fèi)用

屬于脫硫工藝經(jīng)濟(jì)性問題。要考慮初期投資和年均運(yùn)行費(fèi)用，降低不必要的成本；另外要針對(duì)自身柴油機(jī)所用燃料的含硫量高低，盡量選擇前期投資小、脫硫費(fèi)用低的工藝，如嘖霧干燥法、海水法等。

4 結(jié)束語

綜上所述，海水法和石灰石脫硫法均適合在船舶上應(yīng)用，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般需要對(duì)柴發(fā)動(dòng)機(jī)的管路系統(tǒng)進(jìn)行部分改造，同時(shí)加裝反應(yīng)裝置。今后柴油機(jī)船舶的脫硫技術(shù)，其研發(fā)重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)該是改進(jìn)現(xiàn)有工藝，研發(fā)新技術(shù)，提高脫硫率，進(jìn)一步降低成本。而研究新技術(shù)，開發(fā)新的裝備，降低設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行成本是今后努力的方向。研制既能脫硫又能脫氮的處理技術(shù)，是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

船舶尾氣排放形成的地球環(huán)境污染問題，正越來越引起社會(huì)各界的廣泛重視，目前世界各國(guó)都已紛紛采取措施，持續(xù)投入巨資，研究開發(fā)新技術(shù)、新工藝，來滿足船舶尾氣治理的需要，以迅速減少船舶尾氣排放，保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境。另外，在源頭上減排也被提上重要的位置，也是最根本有效的減少污染的措施，這需要在船用燃料上尋求突破，短期內(nèi)仍較難有大的進(jìn)展。另一方面，高效地把尾氣中的多種污染物同時(shí)進(jìn)行凈化處理，也是未來船舶尾氣凈化技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]周超 .美國(guó)防止船舶造成大氣污染規(guī)則實(shí)施對(duì)我國(guó)的啟示[J].知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2010（03）：55-56.

[2]祁昆源.防城港轄區(qū)船舶防污染管理研究[D].大連海事大學(xué)，2012.

[3]孫化棟.船舶硫氧化物的排放控制[J].世界海運(yùn)，2012，35（8）：51-54.

[4]薛成.船舶硫氧化物排放控制及展望[J].世界海運(yùn)，2011，34（9）：20-21.

[5]張玉閣.船舶柴油機(jī)廢氣排放及控制技術(shù)[J].天津航海，2009（2）：22-24.

[6]王曉中.船舶柴油機(jī)廢氣的危害及排放限制[J].科技資訊，2010（001）：145-146.