船舶廢氣脫硫脫硝工藝探究

朱翔 徐青松(武漢龍凈環(huán)保工程有限公司，湖北 武漢 430200)

0 引言

海洋運(yùn)輸具有通行能力強(qiáng)、運(yùn)輸量大、運(yùn)費(fèi)低廉的特點(diǎn)，其已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸?shù)闹匾绞?。在海洋運(yùn)輸過程中，船舶柴油機(jī)燃燒排放的廢氣以硫化物和氮氧化物為主，這些物質(zhì)具有極強(qiáng)的污染性，其對(duì)于大氣環(huán)境危害較大，需加強(qiáng)船舶廢氣脫硫脫硝工藝的具體管理。

1 船舶廢氣中硫化物及氮氧化物排放控制標(biāo)準(zhǔn)

1.1 船舶廢氣硫化物排放標(biāo)準(zhǔn)

“2020 全球限硫令”對(duì)于海洋船舶廢氣硫化物排放提出了全新要求。其指出，自2020年1月1日開始，全球硫排放限額從3.5%直降到0.5%；同時(shí)沒有安裝替代設(shè)備SCRUBBER的船舶，將不被允許攜帶高硫燃油。該規(guī)定通過港口國(guó)PSC 對(duì)船舶的監(jiān)管強(qiáng)制執(zhí)行。在我國(guó)，2019年1月1日起，海船進(jìn)入排放控制區(qū)，應(yīng)使用硫含量不大于0.5%m/m 的船用燃油，大型內(nèi)河船和江海直達(dá)船舶應(yīng)使用符合新修訂的船用燃料油國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的燃油；其他內(nèi)河船應(yīng)使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的柴油(硫含量不大于10ppm)[1]。2020年1月1日起，海船進(jìn)入內(nèi)河控制區(qū)，應(yīng)使用硫含量不大于0.1%m/m 的船用燃油。

1.2 船舶廢氣氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)

MARPOL 公約中，對(duì)于氮氧化物的排放按照低速機(jī)、中速機(jī)、高速機(jī)進(jìn)行劃分(見表1)。從2015年開始，低速機(jī)、中速機(jī)、高速機(jī)廢氣氮氧化物排放需在原基礎(chǔ)上分別下降76.38%、79.54%和74.02%[2]。

表1 船舶廢氣氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)g/(kw·h)

綜上，船舶廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，有必要開展船舶廢氣脫硫脫硝工藝研究。

2 船舶廢氣脫硫脫硝工藝方法

2.1 船舶廢氣脫硫

2.1.1 船舶廢氣脫硫方法分類

按照脫硫工藝是否加水及產(chǎn)物干濕形態(tài)，可將脫硫工藝分為干法、半干法、濕法三種形態(tài)。根據(jù)脫硫系統(tǒng)中脫硫劑的循環(huán)方式不同，船舶濕法脫硫可以分為開式、閉式和混合式系統(tǒng)。

開式系統(tǒng)：指直接采用海水對(duì)廢氣進(jìn)行清洗脫硫，完成脫硫后的洗滌水達(dá)標(biāo)后直接排出船舷外的系統(tǒng)。

閉式系統(tǒng)：指采用堿液對(duì)廢氣進(jìn)行清洗脫硫，完成脫硫后的洗滌水經(jīng)補(bǔ)充堿液后循環(huán)進(jìn)行廢氣清洗的系統(tǒng)。

混合系統(tǒng)：即將開式和閉式組合起來的系統(tǒng)，在不同海域/水域航行時(shí)可根據(jù)需要選擇運(yùn)行開式或閉式系統(tǒng)，比如在公海航行時(shí)可選擇開式系統(tǒng)運(yùn)行，而在洗滌水排放限制區(qū)域或淡水水域航行/停泊時(shí)，可選擇閉式系統(tǒng)運(yùn)行。

在具體脫硫技術(shù)應(yīng)用中，海水脫硫和堿液洗滌脫硫是兩種主要的應(yīng)用形態(tài)。

2.1.2 海水脫硫

海水脫硫法系統(tǒng)裝置包含了煙氣系統(tǒng)、供排海水系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)。在實(shí)際處理中，海水具有極強(qiáng)的酸堿緩沖能力和強(qiáng)中和酸性氣體能力，在廢氣處理中，海水脫硫以天然海水作為基礎(chǔ)反應(yīng)物，可有效去除煙氣中的SO2。

2.1.3 強(qiáng)堿法脫硫

強(qiáng)堿法脫硫在當(dāng)前船舶廢氣脫硫中也有深入應(yīng)用。與海水脫硫所不同的是，海水法脫硫用于開式系統(tǒng)，而強(qiáng)堿法脫硫用于閉式系統(tǒng)。在強(qiáng)堿法應(yīng)用中，注重額外增加堿液供給，這樣能確保洗滌液保持在一定的堿度范圍內(nèi)，氫氧化鈉溶液、氫氧化鎂等都是較為主要的堿性脫硫劑。具體應(yīng)用原理如下：

強(qiáng)堿法脫硫與海水脫硫工藝基本相同。在實(shí)際脫硫處理中，含有硫氧化物的煙氣會(huì)從脫硫塔底部向上經(jīng)過，而多層噴淋循環(huán)液會(huì)從上而下經(jīng)過，兩者逆流充分接觸混合，在這一過程中，煙氣中的硫氧化物被海水吸收，剩余煙氣在經(jīng)過除霧器作用后，完成脫硫排放。而就脫硫后的循環(huán)液而言，只有極少的一部分會(huì)被排放到海水中進(jìn)行淡化處理，其余循環(huán)液會(huì)在循環(huán)泵的支撐下，再次循環(huán)到脫硫塔頂進(jìn)行噴淋。循環(huán)液每循環(huán)都會(huì)發(fā)生溶解作用，并生成大量的和這使得循環(huán)液pH 值降至2.7～3.5，影響了實(shí)際的脫硫效率?；诖?，在該脫硫過程中配置循環(huán)箱，一方面，起到補(bǔ)充海水的作用，另一方面，在通過管路中補(bǔ)充氫氧化鈉溶液或氫氧化鎂漿液等堿液，提升整體脫硫效率。

2.2 船舶廢氣脫硝

當(dāng)前較為成熟的船舶廢氣脫硝技術(shù)包含了機(jī)內(nèi)燃燒控制技術(shù)和機(jī)外尾氣凈化技術(shù)。

2.2.1 機(jī)內(nèi)燃燒控制技術(shù)

包括：廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)、濕法低氮技術(shù)(乳化燃油)和發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化等。其中廢氣再循環(huán)技術(shù)運(yùn)用較廣，該技術(shù)可以有效的降低柴油機(jī)氮氧化物排放。主要有以下兩個(gè)原因：一方面柴油機(jī)排出的廢氣循環(huán)進(jìn)入氣缸顯著降低了燃燒前氣缸中的含氧量，另一方面廢氣中含有較多的水蒸氣，降低了燃燒過程所能達(dá)到的溫度。一般EGR 可以在不影響柴油機(jī)輸出功率的情況下降低氮氧化物50%～60%的排放，但是它的使用會(huì)影響到燃燒，增加燃油耗量，廢氣中的雜質(zhì)也會(huì)增加，這限制了EGR 在柴油機(jī)中的應(yīng)用。

2.2.2 尾氣凈化

常用的尾氣凈化脫硝技術(shù)包含了SNCR 和SCR 兩種工藝。

SNCR(選擇性非催化還原法)，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的脫硝技術(shù)，其原理是不采用催化劑的情況下，在爐膛內(nèi)適宜溫度(850～1100℃)噴入尿素溶液等氨基還原劑，與廢氣中的氮氧化物反應(yīng)生成無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O，從而去除氮氧化物。因?yàn)镾NCR 脫硝效率較低，同時(shí)船舶柴油機(jī)尾氣溫度達(dá)不到SNCR適宜溫度，所以SNCR 無(wú)法用于船舶廢氣脫硝。SCR(選擇性催化還原法)：是指利用還原劑有選擇性地與氮氧化物在催化劑作用下進(jìn)行催化還原反應(yīng)，生成N2和H2O，具體反應(yīng)原理為：

SCR 技術(shù)具有很高的脫硝效率，能夠達(dá)到TierIII 的排放要求。當(dāng)然，SCR 裝置存在尺寸大、初期投資高的問題，但SCR技術(shù)可以非常有效地降低船舶柴油機(jī)氮氧化物排放，所以還是成為降低氮氧化物排放的首先技術(shù)方案。

3 船舶廢氣脫硫脫硝工藝發(fā)展趨勢(shì)

相比于單一的脫硫或脫硝工藝，煙氣脫硫脫硝一體化技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地小、成本低、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。就目前而言，SCR 脫硝+鈉堿脫硫、臭氧氧化聯(lián)合脫硫脫硝、等離子體氧化聯(lián)合脫硫脫硝、鈉堿脫硫+分子篩吸附脫硝、活性炭聯(lián)合脫硫脫硝、鈉堿脫硫+絡(luò)合脫硝等都是船舶廢氣脫硫脫硝工藝發(fā)展的主要趨勢(shì)。從處理過程來看，這些一體化技術(shù)能有效去除傳播廢氣中的硫化物和氮氧化物，實(shí)現(xiàn)廢氣凈化，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)保效益。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶廢氣脫硫脫硝工藝對(duì)于海洋運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有深刻影響?，F(xiàn)階段，海洋運(yùn)輸行業(yè)船舶管理人員只有充分掌握國(guó)際上對(duì)于船舶廢氣硫化物、氮氧化物的排放控制標(biāo)準(zhǔn)，然后進(jìn)行船舶廢氣脫硫脫硝工藝改進(jìn)，才能有效地提升船舶廢氣脫硫脫硝工藝應(yīng)用水平，促進(jìn)海洋運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。