SOx和NOx減排技術(shù)在液化氣船上的應(yīng)用

周鑫元，張佩蕾，王 開

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

鑒于硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）的危害及人類社會(huì)對(duì)環(huán)境污染問題日益關(guān)切，有關(guān)國(guó)際組織及國(guó)家相繼以法律法規(guī)的形式對(duì)船舶SOx和NOx排放加以限制。表1為全球范圍內(nèi)船用燃油含硫量限制規(guī)定。此外，日本、韓國(guó)、新加坡和澳大利亞等國(guó)家都有納入國(guó)際海事組織（International Maritime Organization,IMO）SOx排放控制區(qū)的計(jì)劃。

針對(duì)NOx排放，IMO規(guī)定：2011年1月1日及此后建造的船舶在非NOx排放控制區(qū)內(nèi)航行時(shí)，柴油機(jī)的NOx排放需滿足第二階段（Tier II）標(biāo)準(zhǔn)；2016年1月1日及此后建造的船舶在排放控制區(qū)內(nèi)（北美水域及美屬加勒比海）航行時(shí)，柴油機(jī)的NOx排放量應(yīng)滿足第三階段（Tier III）標(biāo)準(zhǔn)。另外，波羅的海和北海到2021年也將納入NOx排放控制區(qū)。

表1 全球范圍內(nèi)船用燃油含硫量限制規(guī)定

1 SOx減排技術(shù)

目前，SOx排放的控制方法主要有以下3種：

1) 控制燃油中的硫含量，使用硫含量符合標(biāo)準(zhǔn)的燃油，如低硫柴油（Low Sulphur Distillate Oil, LSDO）；

2) 使用液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）、乙烷、液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas, LPG）和甲醇等不含硫的清潔燃料；

3) 在廢氣排放到大氣之前對(duì)其進(jìn)行處理，即安裝廢氣濾清系統(tǒng)（Exhaust Gas Cleaning System, EGCS），目前市場(chǎng)上主要有干式系統(tǒng)和濕式系統(tǒng)2種，其中濕式系統(tǒng)又可分為開式、閉式和混合式等3種。

各種SOx減排技術(shù)的對(duì)比見表2。

表2 SOx減排技術(shù)對(duì)比

續(xù)表2

2 NOx減排技術(shù)

船舶的NOx排放量主要受原動(dòng)機(jī)燃料類型、燃燒溫度和含氧量等因素的影響。NOx的減排技術(shù)也基本上考慮這些因素，主要技術(shù)有：使用清潔燃料、油水乳化、進(jìn)氣加濕、機(jī)內(nèi)調(diào)整、廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation, EGR）和選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction, SCR）等。選擇性催化還原、使用清潔燃料和廢氣再循環(huán)是目前使用最為廣泛并可達(dá)到IMO Tier III標(biāo)準(zhǔn)的減排技術(shù)。這3種NOx減排技術(shù)對(duì)比見表3。

表3 3種NOx減排技術(shù)對(duì)比

3 液化氣船減排技術(shù)應(yīng)用

江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“江南造船”）進(jìn)入液化氣船建造領(lǐng)域已有數(shù)十年，具備艙容從5000m3到93000m3，溫度從-10℃到-165℃，壓力從0.025MPa到1.8MPa，貨物包含LPG、乙烷、乙烯和LNG，涵蓋A型艙、B型艙、C型艙和薄膜型艙的全系列液化氣船的研發(fā)和建造能力，成功打造出“中國(guó)江南”型液化氣船。為不斷提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從液化氣船的推進(jìn)系統(tǒng)和液貨系統(tǒng)等的特性出發(fā)，研究各船型最適用的減排組合，下面介紹幾個(gè)典型案例。

3.1 22000m3 LEG運(yùn)輸船

該船的機(jī)艙和上層建筑（以下簡(jiǎn)稱“上建”）布置在艉部，低速柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)定距槳，設(shè)置3個(gè)或4個(gè)IMO C型獨(dú)立液貨艙，適合裝載乙烯、LPG、無水氨和氯乙烯（VCM）等。綜合考慮該船配備有再液化系統(tǒng)而能處理液貨蒸發(fā)氣以及降低初投資兩因素，該船不考慮使用清潔燃料實(shí)現(xiàn)減排，即配置常規(guī)燃油動(dòng)力系統(tǒng)，并采用2種SOx減排方案，具體見表4。

表4 22000m3 LEG船減排方案

由于不考慮雙燃料方案，目前該船的柴油發(fā)電機(jī)NOx減排只能通過低壓SCR實(shí)現(xiàn)。方案1使用低硫油來滿足SOx排放要求；低速主機(jī)選用SCR實(shí)現(xiàn)NOx減排，以便與柴油發(fā)電機(jī)低壓SCR共用一套還原劑系統(tǒng)。方案 2通過安裝 Scrubber來滿足 SOx排放要求，船上需同時(shí)配置用于 SCR的還原劑系統(tǒng)和用于Scrubber的NaOH系統(tǒng)，因此主機(jī)NOx減排選用SCR系統(tǒng)和EGR系統(tǒng)均可。

3.2 37500m3 LEG運(yùn)輸船

該船的機(jī)艙和上建布置在艉部，低速柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)定距槳，設(shè)置3個(gè)IMO C型獨(dú)立液貨艙，適合裝載LPG、乙烯、無水氨和VCM等。該船還設(shè)置有2個(gè)甲板罐，既可作為液貨艙，又可作為L(zhǎng)NG或乙烷雙燃料系統(tǒng)的燃料艙。該船設(shè)計(jì)使用雙燃料系統(tǒng)，可采用 LNG雙燃料系統(tǒng)或乙烷雙燃料系統(tǒng)，減排方案見表5和表6。

表5 37500m3 LEG船LNG雙燃料減排方案

表6 37500m3 LEG船乙烷雙燃料減排方案

在 LNG雙燃料方案中，幾乎所有的排放都可通過燃燒天然氣來達(dá)到要求；但是，若低速雙燃料主機(jī)選用的是采用Diesel循環(huán)的ME-GI機(jī)，則需采用額外的NOx減排手段，SCR和EGR均可。

在乙烷雙燃料方案中，考慮到市場(chǎng)上無特別成熟的乙烷雙燃料機(jī)組，故配備常規(guī)燃油發(fā)電機(jī)組，其減排只能通過LSDO和低壓SCR來實(shí)現(xiàn)。雙燃料乙烷低速機(jī)中僅采用Diesel循環(huán)的MAN-GIE機(jī)可選，因此仍需配置額外的NOx減排措施，配備的SCR系統(tǒng)可與發(fā)電機(jī)共用還原劑系統(tǒng)。

3.3 84000m3 LPG運(yùn)輸船

該船的機(jī)艙和上建布置在艉部，低速柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)定距槳，設(shè)置4個(gè)IMO A型獨(dú)立液貨艙，適合裝載LPG。該船目前有常規(guī)燃油系統(tǒng)和LPG雙燃料系統(tǒng)，各系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的減排方案見表7和表8。燃油系統(tǒng)減排選型思路與22000m3LEG運(yùn)輸船的相似，LPG雙燃料系統(tǒng)減排選型思路與37500m3LEG運(yùn)輸船乙烷雙燃料系統(tǒng)選型思路相似，此處不再贅述。

表7 常規(guī)燃油系統(tǒng)VLGC減排方案

表8 LPG雙燃料系統(tǒng)VLGC減排方案

3.4 90000m3乙烷運(yùn)輸船

該船是江南造船針對(duì)美國(guó)頁巖氣革命，為滿足美國(guó)至亞洲的乙烷運(yùn)輸需求而開發(fā)的專用運(yùn)輸船。該船的機(jī)艙和上建布置在艉部，低速雙燃料柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)定距槳，設(shè)置4個(gè)IMO B型獨(dú)立液貨艙或4個(gè)GTT Mark III型薄膜艙，主要用來運(yùn)輸乙烷，可兼裝LPG、乙烯和LNG（LNG僅針對(duì)薄膜艙）。針對(duì)不考慮兼裝LNG的該類型船，從減少油耗和降低初投資的角度出發(fā)，擬配備MAN-GIE主機(jī)（即乙烷雙燃料低速機(jī)），其減排方案和選型思路與37500m3LEG運(yùn)輸船乙烷雙燃料系統(tǒng)選型思路相同，此處不再贅述。針對(duì)考慮兼裝LNG的薄膜型船舶，擬選配W?rtsil?中速雙燃料機(jī)（考慮到其既可燃燒LNG，又可燃燒乙烷），減排方案見表9。

表9 VLEC兼裝LNG的減排方案

3.5 中小型LNG船

目前江南造船研發(fā)的中小型LNG船有7500m3LNG加注船、10000m3LNG加注船、30000m3LNG運(yùn)輸船和80000m3LNG運(yùn)輸船等4種。作為中小型LNG船，船上一般不配備LNG蒸發(fā)氣再液化系統(tǒng)，因此該類型船首選雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)來消耗LNG蒸發(fā)氣?；诖?，對(duì)于采用Otto循環(huán)的LNG雙燃料柴油機(jī)船，其柴油機(jī)的SOx和NOx減排均可通過燃燒LNG來實(shí)現(xiàn)，其鍋爐的SOx減排可采用雙燃料或LSDO來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于采用Diesel循環(huán)的LNG雙燃料柴油機(jī)（即采用MAN-GI機(jī)的船），需采取額外的NOx減排方案。表10為采用MAN-GI主機(jī)的80000m3LNG運(yùn)輸船減排方案。

表10 80000m3 LNG運(yùn)輸船減排方案

4 結(jié) 語

船舶SOx減排技術(shù)與NOx減排技術(shù)之間既存在著顯著差別，又有一定的聯(lián)系，例如：EGR技術(shù)運(yùn)用了SOx減排中的廢氣濾清技術(shù)；廢氣和燃油中的硫含量會(huì)對(duì)SCR和EGR產(chǎn)生直接影響；使用清潔燃料可同時(shí)降低SOx和NOx排放。研發(fā)人員應(yīng)綜合考慮成本、船型、運(yùn)營(yíng)區(qū)域和燃料可獲得性等方面，在研發(fā)設(shè)計(jì)船舶時(shí)選擇最適宜的減排方案。本文對(duì)目前業(yè)內(nèi)常用的SOx和NOx減排技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并以江南造船研發(fā)、建造的各類液化氣船為例研究了不同類型液化氣船減排方案選型的問題，可供業(yè)界相關(guān)研究參考。