船舶廢氣脫硫技術(shù)的應(yīng)用

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

國際海事組織(IMO)海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)已確認(rèn)2020年1月1日起硫氧化物(SOx)0.5%的限制不會(huì)發(fā)生變化，并正式宣布從規(guī)范生效日起未安裝脫硫裝置的船舶禁止攜帶含硫量超標(biāo)的燃料油。[1]

目前，業(yè)內(nèi)應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的船舶硫排放限制的措施主要有使用低硫燃料油，采用清潔能源LNG(液化天然氣)燃料代替燃油以及加裝船舶廢氣清洗裝置(廢氣洗滌器)3種措施[2]。由于低硫燃油產(chǎn)量不高，只有歐洲、新加坡等個(gè)別港口能加裝到低硫燃油，而且價(jià)格較貴，因此使用低硫油的方案將受制于國際油價(jià)的波動(dòng)[3]。而使用LNG燃料作為替代燃料則存在著天然氣加裝以及船舶續(xù)航力的問題，目前LNG還不能在世界上所有的港口加裝，該方案比較適合航線相對(duì)比較固定的渡輪、滾裝船和集裝箱船等，且LNG方案初期投資非常高。因此，通過對(duì)初始投資、經(jīng)濟(jì)性等方面的綜合對(duì)比，加裝船舶廢氣清洗系統(tǒng)的方案相比前2種方案具有一定的優(yōu)勢。

1 船舶廢氣清洗系統(tǒng)介紹

船舶廢氣清洗系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，可根據(jù)船舶的實(shí)際航線對(duì)這2種系統(tǒng)進(jìn)行選擇安裝。如果需要高度的靈活性，可以采用一種混合解決方案，即將開式和閉式系統(tǒng)結(jié)合在一起[4]。

1.1 開式系統(tǒng)

開式系統(tǒng)的洗滌效果相當(dāng)于使用含硫量0.5%的燃料油。開式系統(tǒng)使用海水作為洗滌水，見圖1。海水呈弱堿性，可中和掉廢氣中的SOx[5]。海水直接從海洋供給到洗滌塔；離開洗滌塔的海水排入海洋，一般無需經(jīng)過任何處理。

圖1 船舶開式脫硫系統(tǒng)原理示意

開式系統(tǒng)通常在公海中使用，因?yàn)楹Ｋ膲A度足夠高，洗滌效果好。該系統(tǒng)是安裝和運(yùn)營成本最低的解決方案。但是，開式系統(tǒng)缺乏靈活性，當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)可能因?yàn)榈蛪A度或限制排放標(biāo)準(zhǔn)而禁止或限制其使用。由于洗滌過程要使用大量的海水，開式系統(tǒng)的耗電量要比閉式系統(tǒng)大一些。

1.2 閉式系統(tǒng)

閉式系統(tǒng)的洗滌效果相當(dāng)于使用含硫量為0.1%的低硫油，閉式系統(tǒng)原理見圖2。通過向循環(huán)水中添加氫氧化鈉溶液(NaOH)或由氧化鎂粉末(MgO)制成的Mg(OH)2漿液等堿性化學(xué)品，洗滌水經(jīng)過洗滌塔吸收廢氣中的SOx，并發(fā)生中和反應(yīng)成硫酸鹽和水。

但是，硫酸鹽和燃燒過程產(chǎn)生的顆粒物 (PM) 會(huì)積聚在洗滌水中。為防止影響洗滌效果，必須減少顆粒物和控制洗滌水鹽度。通過排放洗滌水并補(bǔ)充相應(yīng)的淡水/海水損失的水量以達(dá)到該目的。排水之前需要經(jīng)過水凈化單元進(jìn)行凈化，同時(shí)廢渣收集在廢渣艙中，以滿足 IMO 準(zhǔn)則規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。水凈化處理單元可采用離心機(jī)型式或自動(dòng)沖洗濾器的型式。

圖2 船舶閉式脫硫系統(tǒng)原理示意

閉式系統(tǒng)對(duì)于船舶具有高度的靈活性，能滿足各地法規(guī)。但是與開式系統(tǒng)相比，其設(shè)備初始投資成本較高。此外，在運(yùn)行過程中要消耗化學(xué)品，其運(yùn)行成本也更高。但閉式系統(tǒng)所需的洗滌水量比開式少，耗電量也相應(yīng)小一些。

1.3 混合系統(tǒng)

混合系統(tǒng)見圖3，將開式和閉式系統(tǒng)工作模式結(jié)合在一起。由于采用組合方式，因此混合系統(tǒng)更加復(fù)雜，但是具有最大靈活性。

圖3 船舶混合式脫硫系統(tǒng)原理示意

混合系統(tǒng)的初始投資成本較高，因?yàn)樗碎_式和閉式系統(tǒng)的所有設(shè)備，但是混合系統(tǒng)可以在任何狀況下切換到滿足排放要求的最經(jīng)濟(jì)的工作模式。

2 船舶廢氣脫硫技術(shù)

對(duì)于開式系統(tǒng)，廢氣中的硫氧化物將通過被海水中的堿性物質(zhì)進(jìn)行中和而起到脫硫效果[6]。

開式系統(tǒng)無需攜帶任何堿性藥劑以及水處理裝置，具有加裝投資成本少和運(yùn)營成本低的特點(diǎn)。只要保證一定的海水堿度和充足的海水量，洗滌效果同樣能達(dá)到相當(dāng)于使用含硫量0.1%的低硫油。所以開式系統(tǒng)越來越被大多數(shù)船東所接受，目前占據(jù)廢氣清洗系統(tǒng)的大部分市場份額。

對(duì)于閉式或混合式系統(tǒng)，目前主流的國內(nèi)外船舶廢氣清洗系統(tǒng)采用的脫硫技術(shù)主要有鈉堿法和鎂基法兩種。鈉堿法脫硫是使用氫氧化鈉溶液(NaOH)作為脫硫劑，添加到循環(huán)水中來吸收廢氣中的硫氧化物。

鎂基法是使用氧化鎂粉末(MgO)作為脫硫劑，氧化鎂與海水或淡水在高溫(90℃)條件下水化制得氫氧化鎂漿料，再添加到循環(huán)水中來吸收廢氣中的硫氧化物、并中和洗滌水中的硫酸。

從設(shè)備運(yùn)行成本考慮，鈉堿法設(shè)備使用的脫硫劑氫氧化鈉(NaOH)溶液市場價(jià)格大約為人民幣2 000元/t，鎂基法設(shè)備使用的氧化鎂(MgO)粉末國內(nèi)采購價(jià)為人民幣800～1 000元/t，價(jià)格不到鈉堿法的一半。同樣處理1 t含硫量3.5%的重燃油，氫氧化鈉大約需要80 kg，氧化鎂粉末大約需要40 kg，用量是鈉堿法的1/2?？紤]其他綜合因素，鎂基法設(shè)備運(yùn)營成本大約為鈉堿法的1/3。

3 廢氣清洗系統(tǒng)在不同排放控制區(qū)域的應(yīng)用

3.1 硫排放控制區(qū)域(SECA)

對(duì)于航線是一直在硫排放控制區(qū)域內(nèi)航行的船舶來說，可使用重質(zhì)燃油(HFO)，采用閉式系統(tǒng)。

3.2 硫排放控制區(qū)域(SECA)與非控制區(qū)域(Non ECA)

對(duì)于航線經(jīng)過硫排放控制區(qū)域和非控制區(qū)域的船舶來說，在硫排放控制區(qū)域應(yīng)使用重質(zhì)燃油，同時(shí)采用閉式系統(tǒng)。在非控制區(qū)域(如公海等區(qū)域)應(yīng)使用重質(zhì)燃油并采用開式系統(tǒng)；但是某些海域、港口或是江河里海水堿值不夠高，無法滿足洗滌效果時(shí)，也應(yīng)采用閉式系統(tǒng)。

3.3 氮氧化物排放控制區(qū)域(NECA)與非控制區(qū)域(Non ECA)

對(duì)于航線經(jīng)過氮排放控制區(qū)域和非控制區(qū)域的船舶來說，在非控制區(qū)域(如公海等區(qū)域)應(yīng)使用重質(zhì)燃油并采用開式系統(tǒng)；但若海水堿值不夠高，無法滿足洗滌效果時(shí)，也應(yīng)采用閉式系統(tǒng)。

進(jìn)入氮氧化物排放控制區(qū)域內(nèi)后，為滿足NOx排放Tier III要求，需要使用選擇性催化還原廢氣處理方法(SCR)或廢氣再循環(huán)處理方法(EGR)(注：EGR技術(shù)僅適用于二沖程柴油機(jī))來進(jìn)行脫硝。

如果主機(jī)采用的是SCR技術(shù)，在SCR運(yùn)行期間，廢氣鍋爐(廢氣經(jīng)濟(jì)器)中相對(duì)較低的溫度會(huì)使硫酸氫銨(燃油中的硫與SCR過程中的氨反應(yīng)生成)發(fā)生沉積，長時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致廢氣管路堵塞，熱效率下降。通常建議安裝一個(gè)廢氣鍋爐旁通管路及隔斷閥，在SCR系統(tǒng)工作時(shí)起到旁通廢氣鍋爐的作用。由于這個(gè)旁通管路一般通徑非常大，布置在空間有限的機(jī)艙和機(jī)艙棚區(qū)域十分不易。

如果主機(jī)使用的是EGR技術(shù)，EGR裝置是集成在主機(jī)上的，適用高硫份燃油的EGR裝置會(huì)比低硫份燃油的體積更為龐大，會(huì)造成主機(jī)布置困難，可能會(huì)影響到機(jī)艙底層的船體結(jié)構(gòu)。EGR技術(shù)與廢氣清洗系統(tǒng)的原理存在一定相似性，二者都有洗滌器對(duì)柴油機(jī)排氣進(jìn)行清洗的過程，洗滌水的成分也基本相同，因此，可以考慮主機(jī)EGR系統(tǒng)和EGC系統(tǒng)采用同一套水處理系統(tǒng)(WTS)。這樣設(shè)計(jì)的好處是既可以減少設(shè)備采購的成本和維保費(fèi)用，也可以節(jié)省機(jī)艙有限的空間，降低設(shè)備布置難度，還可以繼續(xù)在氮氧化物排放控制區(qū)域內(nèi)使用重油。目前國外發(fā)電機(jī)廠商和水處理系統(tǒng)廠商正在聯(lián)合開發(fā)這種新裝置。

目前的脫硝裝置通常是針對(duì)使用含硫量為0.1%的低硫油設(shè)計(jì)的，船舶在進(jìn)入氮氧化物排放控制區(qū)域前需提前切換到含硫量0.1%的低硫油，在這種情況下無需再使用廢氣清洗系統(tǒng)。

4 結(jié)論

相關(guān)法規(guī)陸續(xù)出臺(tái)，并明確了實(shí)施節(jié)點(diǎn)，船舶廢氣硫排放問題的解決迫在眉睫。船舶廢氣脫硫系統(tǒng)不僅充分利用了重質(zhì)燃油資源，有效解決了廢氣硫排放問題，還可大幅降低因采用低硫油而引起的船舶營運(yùn)成本的提升。船舶廢氣脫硫系統(tǒng)是具有廣闊市場前景的新興環(huán)保設(shè)備，我國相關(guān)船舶配套企業(yè)應(yīng)積極開展研制。