基于濕法脫硫工藝的船舶尾氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

向 軼，呂文豪，楊國(guó)華，呂 剛，茍遠(yuǎn)波

(1.西安航天動(dòng)力研究所，西安 710100；2.西安航天源動(dòng)力工程有限公司，西安 710100；3.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，西安 710072)

前 言

近年來(lái)，國(guó)際海運(yùn)的發(fā)展促進(jìn)了遠(yuǎn)洋船舶數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，船用柴油機(jī)及其鍋爐等設(shè)備排放的尾氣已經(jīng)成為全球大氣污染的重要來(lái)源，例如世界衛(wèi)生組織將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣列入1類致癌物清單[1]。硫氧化物(SOX)是船舶尾氣中的主要污染物，據(jù)國(guó)際海事組織(IMO)2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全世界船舶尾氣的SOX排放量約為1 060萬(wàn)t，占全球SOX總排放量的13%[2]。SOX帶來(lái)了嚴(yán)重的大氣污染，其中95%以上為二氧化硫(SO2)，因此船舶尾氣脫硫的關(guān)鍵是脫除SO2。

環(huán)保行業(yè)中對(duì)燃煤機(jī)組、工業(yè)窯爐和垃圾焚燒等煙氣的脫硫技術(shù)已較為成熟，但限于船上運(yùn)行環(huán)境的特殊性，現(xiàn)階段的煙氣脫硫技術(shù)很難直接移植到船用設(shè)備上，必須在各類工藝中進(jìn)行篩選并加以改良[3]。本文基于各類尾氣脫硫技術(shù)的對(duì)比，選取了鈉法、鎂法這兩種實(shí)用性強(qiáng)的濕法脫硫工藝進(jìn)行成本分析，為船舶尾氣脫硫裝置的工藝設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 船舶尾氣脫硫的相關(guān)政策

目前國(guó)內(nèi)外均設(shè)立了排放控制區(qū)，發(fā)布了控制船舶尾氣SOX排放的法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，主要表現(xiàn)在對(duì)燃油含硫量的限制?，F(xiàn)階段國(guó)際上的各大排放控制區(qū)及適用標(biāo)準(zhǔn)見表1[4-5]。我國(guó)交通運(yùn)輸部海事局在2019年10月23日發(fā)布了《2020年全球船用燃油限硫令實(shí)施方案》，將我國(guó)的管轄水域均列為排放控制區(qū)，其中對(duì)燃油含硫量的限制見表2[6]。由此可見，在未來(lái)幾年內(nèi)，全球各地的排放控制區(qū)和非排放控制區(qū)對(duì)燃油含硫量的限值標(biāo)準(zhǔn)會(huì)持續(xù)收緊。

為降低燃油含硫量，可選擇低硫燃油，但這樣會(huì)在原來(lái)的燃油成本上至少增加1 000元/t[7]，給船東帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前除美國(guó)加利福利亞外，其它控制區(qū)均許可采用船舶尾氣清洗裝置作為低硫燃油的等效處理方法[8]，相比于換用低硫油，其運(yùn)行成本大幅降低，是現(xiàn)階段應(yīng)對(duì)船舶尾氣排放新標(biāo)準(zhǔn)的重要途徑。

表1 國(guó)際上各排放控制區(qū)對(duì)燃油含硫量的限制Tab.1 Limitation of fuel sulfur content in emission control areas in the world

表2 我國(guó)對(duì)排放控制區(qū)燃油含硫量的限制Tab.2 Limitation of fuel sulfur content in emission control areas of China

2 脫硫技術(shù)對(duì)比

煙氣濕法脫硫技術(shù)在國(guó)內(nèi)脫硫市場(chǎng)中占比90%，是現(xiàn)階段的主流技術(shù)[9]，主要包括海水法、石灰石膏法、氨法、鎂法、鈉法等，脫硫效率高，運(yùn)行效果穩(wěn)定。船舶在海上航行時(shí)可充分利用海水資源作為配制脫硫劑的原料，因此適用于濕法脫硫，目前主流的濕法脫硫技術(shù)對(duì)比見表3。

海水法屬于開式循環(huán)，是直接利用天然海水中的堿性成分(Na2CO3、NaHCO3等)來(lái)吸收SO2，廢水直接排放，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，已有相關(guān)的應(yīng)用業(yè)績(jī)，但海水法脫硫效率低且效果不穩(wěn)定，在排放控制區(qū)內(nèi)不能保證硫排放達(dá)標(biāo)，新出臺(tái)的《2020年全球船用燃油限硫令實(shí)施方案》也規(guī)定船舶不得在我國(guó)船舶大氣污染物排放控制區(qū)內(nèi)排放開式廢氣清洗系統(tǒng)洗滌水[6]，因此海水法在新標(biāo)準(zhǔn)下已不再適用。此外根據(jù)表3中的分析結(jié)果，石灰石膏法和氨法在船上作業(yè)的劣勢(shì)較明顯，同樣不適用于遠(yuǎn)洋船舶。結(jié)合未來(lái)幾年的排放政策，綜合考慮各技術(shù)的性能，本文認(rèn)為鎂法和鈉法是現(xiàn)階段比較適用于船用的脫硫工藝。

表3 濕法脫硫技術(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of wet desulfurization technology

3 船舶尾氣濕法脫硫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 船用柴油機(jī)基本情況

本文以MAN 6S50ME-C8.2低速柴油機(jī)作為研究對(duì)象，此型號(hào)柴油機(jī)一般作為船舶主柴油機(jī)，為6缸二沖程，使用含硫量較高的重油，其100%負(fù)荷下的主要參數(shù)見表4。另外該柴油機(jī)設(shè)置了渦輪增壓，可將412℃的尾氣降至230℃，以提高柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力。

表4 6S50ME-C8.2柴油機(jī)主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of 6S50ME-C8.2 diesel engine

3.2 技術(shù)方案

3.2.1 技術(shù)路線

船舶尾氣濕法脫硫的技術(shù)路線如下圖，采用閉式工藝流程，使脫硫劑循環(huán)利用。其中鎂法和鈉法兩種路線在設(shè)備數(shù)量及布置上基本相同，最大的區(qū)別在于吸收劑分別為Mg(OH)2溶液和NaOH溶液，由固體氧化鎂(MgO)和固體燒堿(片堿)配制，兩種路線的的主要化學(xué)反應(yīng)為：

圖 船舶尾氣濕法脫硫技術(shù)路線Fig. Marine exhaust gas wet desulfurization technology route

(1)鎂法

配漿：MgO +H2O → Mg(OH)2

脫硫：Mg(OH)2+ SO2→ MgSO3+H2O

總反應(yīng)為：MgO + SO2→ MgSO3

(2)鈉法

配漿：NaOH (s) +H2O → NaOH (l) +H2O

脫硫：2NaOH + SO2→ Na2SO3+H2O

3.2.2 設(shè)備材質(zhì)

船上缺乏淡水，故采用海水配制脫硫劑，并作為工藝水和沖洗水。海水對(duì)設(shè)備管道的腐蝕遠(yuǎn)大于淡水和淡水配制的堿液，主要是電化學(xué)腐蝕，因此除了316L不銹鋼、2205/2507雙相鋼等耐腐蝕材質(zhì)，還可以選擇海洋工程用鋼這類鋼材，如D36、F460、F690等[10]。

3.2.3 主要設(shè)備

不同于陸上作業(yè)，船上脫硫設(shè)備的布置方式需綜合考慮船舶結(jié)構(gòu)，盡量減少占地面積。如圖1所示，本文中將設(shè)備設(shè)計(jì)成垂直布置，吸收塔選用空塔結(jié)構(gòu)，從下至上分別布置吸收層、水洗層和除霧器。吸收層中噴淋的介質(zhì)為Mg(OH)2或NaOH漿液，是SO2的主要吸收劑；水洗層中噴淋的介質(zhì)為海水，作為吸收層的效果補(bǔ)充；除霧器用于除去尾氣中的水霧和氣溶膠。脫硫系統(tǒng)的主要設(shè)備見表5。

表5 船舶尾氣濕法脫硫主要設(shè)備清單Tab.5 List of main devices for marine exhaust gas wet desulfurization

3.3 運(yùn)行成本分析

3.3.1 脫硫劑費(fèi)用

根據(jù)表1、表2中的內(nèi)容，按排放控制區(qū)的燃油含硫量限值0.1% m/m、非排放控制區(qū)限值0.5% m/m設(shè)計(jì)，排放標(biāo)準(zhǔn)不同也導(dǎo)致了脫硫劑耗量的不同，因此在脫硫劑消耗費(fèi)用上，需針對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算。將燃油含硫量折算成SO2排放量，主要指標(biāo)如下：

3.3.1.1 SO2脫除量WSO2

SO2脫除量WSO2的計(jì)算式為：

WSO2=W0×(S0-S1)/S0

式中，W0為柴油機(jī)SO2初始排放量，S0為燃油含硫量，S1為脫硫后對(duì)應(yīng)的燃油含硫量折算值。根據(jù)表4中顯示的數(shù)據(jù)，W0=112kg/h，S0=3.0% m/m，S1=0.1% 或0.5% m/m。

3.3.1.2 脫硫劑耗量Q

對(duì)于鎂法和鈉法，其脫硫劑分別按MgO和NaOH計(jì)算，結(jié)合4.2.1節(jié)中的化學(xué)反應(yīng)式，脫硫劑耗量Q的計(jì)算式為：

Q=WSO2×(M/MSO2)

式中，M為脫硫劑的分子量，鎂法中M=40，鈉法中M=80；MSO2為SO2的分子量，MSO2=64。

根據(jù)以上計(jì)算式，結(jié)合表4中的柴油機(jī)參數(shù)，計(jì)算得到表6。

表6 船舶尾氣濕法脫硫的脫硫劑消耗費(fèi)用Tab.6 The desulfurizer consumption cost of marine exhaust gas wet desulfurization

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)，對(duì)于MAN 6S50ME-C8.2低速柴油機(jī)，在燃用含硫量3.0%的重油時(shí)，使用脫硫劑給每噸燃油增加的費(fèi)用分別為鎂法58.5～67.8元/t，鈉法257.7～298.9元/t，非排放控制區(qū)的費(fèi)用比排放控制區(qū)降低了13.8%。

對(duì)比鎂法和鈉法，發(fā)現(xiàn)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，鈉法的脫硫劑費(fèi)用是鎂法的4.4倍。分析原因，主要是因?yàn)樵诨瘜W(xué)反應(yīng)中，每吸收1mol的SO2分別需要消耗2mol的NaOH和1mol的MgO，同時(shí)NaOH和MgO分子量相等，均為40，因此對(duì)于相同質(zhì)量的脫硫劑，鈉法的SO2吸收量大約只有鎂法的一半。此外，市場(chǎng)上片堿價(jià)格要遠(yuǎn)高于氧化鎂，由此造成了鈉法的脫硫劑費(fèi)用偏高。

3.3.2 其他消耗

電耗主要來(lái)自泵與風(fēng)機(jī)。同時(shí)由于脫硫系統(tǒng)的工藝水為海水，故水耗可折算為各類泵的電耗。船舶上的供電來(lái)自于發(fā)電柴油機(jī)，蒸汽來(lái)自于鍋爐，故電耗和蒸汽消耗最終都折算為油耗。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性分析，MAN 6S50ME-C8.2低速柴油機(jī)脫硫系統(tǒng)的水、電、蒸汽、壓縮空氣等物料的費(fèi)用約為150元/h，折算成給每噸燃油增加的費(fèi)用為90元/t。

3.3.3 脫硫系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)3.3.1和3.3.2中對(duì)主要物料消耗的計(jì)算，脫硫系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)用為鎂法148.5～157.8元/t，鈉法347.7～388.9元/t，與換用低硫燃油1 000元/t的成本增加相比，采用尾氣脫硫系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)用降低了60%～85%。

對(duì)比兩種脫硫方案，由于燒堿的消耗量更大、價(jià)格更高，加上水、電、蒸汽、壓縮空氣等物料的費(fèi)用，采用鈉法的總運(yùn)行費(fèi)用大約是鎂法的2.4倍。同時(shí)由于燒堿屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，不宜在船上大量存放，因此建議采用鎂法作為脫硫方案。

從2020年起，船舶航行在非排放控制區(qū)也需要持續(xù)開啟脫硫系統(tǒng)，增加了船舶的航行成本。對(duì)于燃油含硫量3.0%的情況，要符合非排放控制區(qū)含硫量0.5%的要求，需達(dá)到的脫硫效率為83.3%，根據(jù)以往文獻(xiàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，堿度合適的海水脫硫效率能達(dá)到90%[11]，可以滿足非排放控制區(qū)的脫硫需求，因此采用本文中介紹的脫硫系統(tǒng)，當(dāng)船舶航行至非排放控制區(qū)時(shí)，可以停止供應(yīng)氧化鎂或燒堿，塔內(nèi)的吸收層和水洗層噴淋的介質(zhì)均改為海水，即可省去脫硫劑的消耗，將脫硫系統(tǒng)給燃油增加的成本降到約90元/t，使經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步提高。

3.4 船舶脫硫廢水的處理方法

船舶尾氣脫硫后產(chǎn)生的廢水成分較復(fù)雜，包含COD、懸浮顆粒物、多環(huán)芳烴(PAHs)、油類等污染物。目前與船舶尾氣脫硫廢水排放的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表7，因此需要結(jié)合水質(zhì)特點(diǎn)和排放要求，設(shè)計(jì)一種適用于船舶的廢水處理系統(tǒng)。

表7 船舶尾氣脫硫廢水相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 Relevant standards for desulfurization wastewater from ship exhaust gas

目前針對(duì)船舶生活污水的處理工藝較成熟，包括曝氣氧化、重力除油、加藥消毒、生化處理等技術(shù)，均有較好的效果。針對(duì)脫硫廢水的特點(diǎn)，需要在原有裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提升處理效果。

4 結(jié) 論

2020年1月1日起實(shí)施的全球船用燃油限硫新規(guī)，對(duì)船舶航行過程中的硫排放提出了更高要求。本文基于濕法脫硫工藝，以MAN 6S50ME-C8.2低速柴油機(jī)為例，對(duì)船舶尾氣脫硫技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，主要結(jié)論如下：

4.1 濕法脫硫工藝效率高、原料來(lái)源廣泛，適用于船舶尾氣脫硫，綜合考慮使用效果、經(jīng)濟(jì)性和安全性等因素，認(rèn)為鎂法和鈉法在船舶這種特殊環(huán)境下運(yùn)行的可行性較高。

4.2 鎂法和鈉法這兩種工藝在設(shè)備及布置上基本相同，主要區(qū)別在于吸收劑分別為MgO和NaOH；分析得出鈉法的脫硫劑消耗費(fèi)用是鎂法的4.4倍，加上水、電、蒸汽、壓縮空氣等物料的費(fèi)用，采用鈉法的總運(yùn)行費(fèi)用大約是鎂法的2.4倍，即鎂法的經(jīng)濟(jì)性更好。

4.3 與換用低硫燃油的方式相比，濕法脫硫技術(shù)路線成本優(yōu)勢(shì)明顯，在獲得相同的減排效果下，費(fèi)用降低了60%～85%，如果在非排放控制區(qū)采用海水法脫硫，總運(yùn)行費(fèi)用還可進(jìn)一步降低。

4.4 船舶尾氣脫硫廢水包含COD、懸浮顆粒物、PAHs、油類等污染物，可在現(xiàn)有船用水處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，選擇合適的脫硫廢水處理工藝，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放或回用。

同時(shí)也應(yīng)看到，很多老舊船上可供尾氣脫硫改造的空間不足，需要合理規(guī)劃，以盡量減少占地，這也是技術(shù)實(shí)施需要克服的困難。但總體而言，采用濕法脫硫工藝處理船舶尾氣技術(shù)上可行，運(yùn)行費(fèi)用更低，其中鎂法脫硫具有更好的經(jīng)濟(jì)性，能滿足現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的排放政策要求，適合大規(guī)模推廣。