過渡時期的船舶脫硫技術(shù)

孫裔學 劉太民 楊柏楓 泉州師范學院交通與航海學院

1.引言

隨著航運業(yè)的發(fā)展，由船舶廢氣造成的空氣污染問題日趨嚴重，為此國際海事組織出臺了一系列的法規(guī)，自“2020限硫令”生效兩年以來，各國船東通過綜合考慮，在舊船改造和新船建造方面紛紛做出了不同的應(yīng)對措施。其中安裝廢氣脫硫裝置是一種相對較受船東歡迎的應(yīng)對方案。

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)廢氣脫硫裝置的廠家很多，廢氣脫硫裝置在使用中出現(xiàn)了一些問題，如腐蝕和結(jié)垢問題，一定程度上影響了廢氣脫硫裝置的脫硫效果，也增加了輪機員在日常維護管理中的負擔。這是本文要討論的主要內(nèi)容，也是今后廢氣脫硫裝置在市場上能否繼續(xù)受到船東和船員歡迎的關(guān)鍵。

2.限硫措施

“2020限硫令”要求，自 2020年1月1日起，在全球范圍內(nèi)實施船用燃油硫含量不超過 0.5%m/m，在排放控制區(qū)不超過0.1%m/m的規(guī)定。具體的應(yīng)對措施主要有三類：第一是采用LNG燃料；第二是使用低硫燃油；第三是安裝廢氣脫硫裝置。

2.1 LNG燃料

LNG燃料是滿足限硫令的理想燃料，但LNG燃料目前面臨成本、安全、供應(yīng)、儲存空間等諸多問題也是影響其發(fā)展的重要因素。同時，LNG燃料不能滿足IMO制定的2030年碳排放強度降低40%的減排目標，給使用LNG動力船舶的船東帶來了后顧之憂。

2.2 低硫油

低硫燃油在進入市場以來，因其性能差異，導致在使用中存在著許多安全隱患。所以也要求相關(guān)機構(gòu)加強對生產(chǎn)低硫燃油企業(yè)的管理，保證低硫燃油的質(zhì)量。除此之外，低硫燃油的價格與供應(yīng)問題也是船東選擇的重要依據(jù)。

2.3 廢氣脫硫裝置

廢氣脫硫裝置簡稱脫硫塔，脫硫塔通過海水洗滌廢氣可以有效降低廢氣中硫氧化物的排放，可以滿足“2020限硫令”的要求。雖然脫硫塔的初期投入也比較大，但可以繼續(xù)使用價格相對便宜的高硫燃油，2019年限硫令生效前期，高硫燃油相對與低硫燃油價格有較大的優(yōu)勢，國際船東綜合考慮經(jīng)濟效益和現(xiàn)有技術(shù)，比較傾向于通過安裝脫硫塔來滿足限硫令要求。根據(jù)中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會修船分會的數(shù)據(jù)，2019年上半年，中國修船行業(yè)總計完成脫硫塔改裝項目超過400臺套，手持訂單1100臺套。據(jù)克拉克森數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2020年底，共3802艘船舶安裝脫硫塔。然而意想不到的疫情席卷全球，加上某些國家石油價格戰(zhàn)的影響，大大縮小了高硫燃油與低硫燃油的價格差異，脫硫塔在成本上的優(yōu)勢不復存在，因此許多船東決定擱置或者暫時延遲脫硫塔的安裝計劃，臨時使用低硫燃油來滿足限硫令的要求。脫硫塔自進入市場以來，雖然可以滿足限硫令的要求，但其環(huán)保性一直受到各方的爭議，特別是開式脫硫塔。

綜上所述，應(yīng)對“2020限硫令”的三種方案各有利弊，各國船東綜合考慮各方因素，各有各的選擇，同時也是各有各的困擾。以脫硫塔為例，因其類型多樣，廠家繁多，以致于令許多船東在選擇時舉棋不定。

3.脫硫塔的類型

3.1 開式

開式脫硫塔利用海水中的堿性，直接通過海水對廢氣進行清洗，吸收其中的硫氧化物，同時也清洗了廢氣中的部分顆粒，然后將海水排出舷外。開式系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單，安裝與維護相對方便，更受船東的青睞。然而其排放的洗滌水中含有未被海水中和的硫氧化物、廢氣中吸收的顆粒、重金屬以及硝酸鹽等污染物，越來越引起環(huán)保人士的關(guān)注，他們認為開式脫硫塔是把污染從空中轉(zhuǎn)向海洋，基于此種觀點，許多國家和地區(qū)已經(jīng)立法禁止或限制開式脫硫塔洗滌水的排放。但是開式脫硫塔也有支持者，他們認為海洋中本來就含有硫，而且存在廣泛，開式脫硫塔排放的洗滌水完全在環(huán)境的容許范圍內(nèi)，至少短期內(nèi)不會對海洋環(huán)境造成不可接受的后果。

3.2 閉式

閉式脫硫塔通過在洗滌水中添加堿性添加劑，吸收并中和廢氣中的硫氧化物，洗滌水處理后再循環(huán)進行廢氣清洗。閉式系統(tǒng)將硫氧化物最終轉(zhuǎn)變成無機鹽，洗滌水不直接排放到舷外，不僅減少了大氣的污染，也減少了海洋的污染，是相對更環(huán)保的脫硫方案。然而閉式脫硫塔的安裝與運營成本相對較高，堿性藥物的投放和洗滌水的處理都加重了操作人員的工作負擔。

3.3 組合式

組合式脫硫塔是將開式和閉式組合在一起，結(jié)合不同海域的要求不同，選擇不同的運行方式。既能通過閉式系統(tǒng)滿足一些排放控制區(qū)的要求，也能通過開式系統(tǒng)減少堿性藥劑的使用成本。然而組合式脫硫塔的設(shè)備相對更多，系統(tǒng)更復雜，需占用更大的機艙空間，為機艙的建造或改裝增加了工作難度。

各國船東通過綜合考慮三種脫硫塔的各種利弊，目前選擇最多的還是開式系統(tǒng)，同樣問題最多、爭議最大的也是開式系統(tǒng)。

4.開式脫硫塔的主要問題

開式脫硫塔的廠家很多，國內(nèi)廠家有威海普益、武漢晶源、上海藍魂等，國外廠家有PureteQ、Alfa Laval、YAR A等。由于進入市場不久，不管國內(nèi)廠家，還是國外廠家，開式脫硫塔在使用過程中都存在一些亟待解決的問題。

首先，由于脫硫塔的處理水腐蝕很大，出海管路及傳感器的頭部很容易被腐蝕。

其次，脫硫塔內(nèi)部汽水接觸的地方很容易結(jié)水垢，由于水垢的存在，需要定期地清理，各個擋板也要定期地開關(guān)活絡(luò)，不然會開關(guān)不到位，導致開關(guān)失敗。

再次，由于需要定期檢查噴嘴是否堵塞，要么人進去內(nèi)部檢查，而內(nèi)部又沒有可以攀爬的梯子，要么只能把噴嘴管子拆出來，同時還要更換墊片，即費時又費力。

5.開式脫硫塔的改進方案

5.1 管路腐蝕問題

由于經(jīng)過脫硫塔的海水吸收了幾乎全部的硫氧化物，其處理后的水酸性很強，普通的鋼管難以承受其酸性引起的腐蝕，因此為了避免腐蝕，船舶脫硫塔的排出管路使用的是玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂管，即Glassreinforced expoxy簡稱GRE管，GRE玻璃鋼管是由環(huán)氧樹脂基體、高強度玻璃纖維及其它輔助材料通過纏繞工藝而制成。GRE管與其它防腐措施相比，綜合成本低，維護方便，經(jīng)濟效益好。

然而，GRE管是非金屬管道，不能與船體焊接在一起，因此在與船體相連的一段出舷短管只能選用耐腐蝕性相對較好的鋼管。對于這一段鋼管的防腐蝕問題也是各廠家關(guān)注的重點，各廠家都在積極尋求合理的解決方案。主要的應(yīng)對措施有以下三種：

第一，如 PureteQ廠家生產(chǎn)的開式脫硫塔，在針對處理水的酸性問題上對管路系統(tǒng)做了一定的改進，可以相對有效的解決出海管路的腐蝕問題。其具體措施是從中央冷卻器出海管引出一路冷卻海水通過脫硫塔處理水管路出海，通過冷卻水的稀釋作用，可顯著降低處理水的酸性，根據(jù)化驗結(jié)果顯示，可將處理水的pH值從2.4提升到5.1。

第二，在出舷短管內(nèi)部涂裝耐腐蝕材料，如乙烯酯玻璃鱗片和酚醛環(huán)氧等。乙烯酯玻璃鱗片涂料是一種具有耐化學性極好、快速固化等特點的超厚漿型防護涂料。其原理是不飽和聚酯在引發(fā)劑的作用下，跟苯乙烯發(fā)生自由基聚合，最終固化形成涂膜。適用于適當處理的碳鋼底材表面。玻璃鱗片彼此平行或者重疊排列，形成一道防止介質(zhì)擴散的屏障，迫使介質(zhì)迂回滲入，延緩和增大腐蝕介質(zhì)到達基體表面的時間和阻力，延長了基體的使用壽命。添加的玻璃鱗片還有極佳的耐磨性能。由于高固體含量涂料所含的揮發(fā)性溶劑很少，減少了固化過程溶劑揮發(fā)造成的缺陷和針孔數(shù)量，進一步提高了涂層的防腐性能。酚醛環(huán)氧固化后交聯(lián)密度高，擁有良好的防腐性、耐化學品性、耐熱性和耐磨性。

第三，直接選用耐腐蝕性更好的雙相不銹鋼，雙相不銹鋼由鐵素體和奧氏體兩相組成，通常雙相不銹鋼鐵素體含量的質(zhì)量分數(shù)為40%～60%。它保留了鐵素體不銹鋼導熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐點腐蝕，以及氯化物應(yīng)力腐蝕的特點；又具有奧氏體不銹鋼韌性好、抗晶間腐蝕、力學性能以及焊接性能好的優(yōu)點，其鎳含量多為1%～2%，而奧氏體不銹鋼鎳含量多為8%～25%，主要通過降低鎳含量降低成本。雙相不銹鋼在海洋工程、化工行業(yè)、石油、造紙、海水利用、發(fā)電等眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，也符合脫硫塔裝置部件材料的性能要求。

以上三種應(yīng)對措施在預防出舷短管的腐蝕問題上，效果都相對較好。第一種通過降低處理水的酸性來減少腐蝕，后兩種則是通過提高材料的抗腐蝕性能來應(yīng)對較強的酸性。從不同的角度處理同一個問題。到底哪種效果最好，還需要時間的檢驗。

5.2 內(nèi)部結(jié)垢問題

脫硫塔內(nèi)部的結(jié)垢問題，主要是由于噴嘴噴出的冷卻水霧與高溫煙氣混合，不僅使水霧溫度急劇升高而產(chǎn)生水垢，而且其中溶解了大量的沒有充分燃燒的煙灰，因而很容易使脫硫塔內(nèi)部結(jié)垢，水垢太多影響了脫硫塔各部件的正常工作，比如排氣擋板四周結(jié)垢會影響正常開關(guān)，大塊水垢也會掉落到廢棄鍋爐頂部，增加主機的排氣背壓，減低燃燒效率，增加油耗。因此經(jīng)過一段時間的積累，到港后，輪機人員都要進入脫硫塔內(nèi)部手動清理水垢，極大的增加了輪機人員的工作量。

結(jié)垢的主要成分是海水中的鹽和廢氣中的煙灰，因而減少結(jié)垢可以從這兩個方面考慮，減少煙灰最直接的措施就是提高燃燒質(zhì)量。減少海水中鹽的結(jié)垢，比較有效的方法就是避免鹽的析出。經(jīng)過對比不同廠家的脫硫塔，發(fā)現(xiàn)其遇到的結(jié)垢問題各有不同，同時其設(shè)計進水量也有所差別。經(jīng)過與船上操作人員的溝通，發(fā)現(xiàn)增大脫硫塔進水量可以減少結(jié)垢，因為增大進水量，便可以降低脫硫塔內(nèi)部的溫度，減少其鹽的析出，同時水量大也可溶解更多的鹽，順便帶走一些煙灰，顯著降低結(jié)垢的生成量。然而每臺脫硫塔都有其設(shè)計的額定流量，改變其設(shè)計流量，不僅會影響發(fā)動機的負荷，而且還會增大主機的背壓。

因此，若要顯著降低結(jié)垢的生成，必須對脫硫塔、主機和發(fā)動機重新設(shè)計，這是在安裝脫硫塔之前要考慮的；對于已經(jīng)安裝的脫硫塔，只能在脫硫塔結(jié)垢、主機背壓、發(fā)動機負荷等多種因素之間尋求一個合理的平衡點。

5.3 噴嘴檢查問題

由于GRE管路或海水中含有一些雜質(zhì)或垃圾，在使用中會慢慢堆積在噴嘴口，導致噴嘴被堵塞，噴嘴堵塞將直接影響水霧對硫氧化物的吸收，使排氣中硫氧化物超標，因此需要定期檢查噴嘴。噴嘴的檢查主要是從外部拆除噴嘴及與其相連的管子，然后整根抽出來，檢查后需要重新更換墊片，費時又費力。如果進入脫硫塔，從內(nèi)部檢查，便可很容易檢查噴嘴的堵塞情況，然而噴嘴分布在整個脫硫塔里面，大多數(shù)位置較高，脫硫塔內(nèi)部沒有可以攀爬的梯子，所以希望后期在設(shè)計上能進行稍微改進。

通過分析不同的改進方案，希望能引起各脫硫塔廠家的關(guān)注，也希望通過后續(xù)的跟蹤調(diào)研，來反饋各改進方案在長期運轉(zhuǎn)中的效果差異，以尋求最佳的解決方案。

6.脫硫塔的應(yīng)用前景

首先，2021年，隨著高硫燃油價格優(yōu)勢的降低，以及低硫燃油質(zhì)量的進一步規(guī)范和提高，一些尚未安裝脫硫塔的船舶選擇使用低硫油來應(yīng)對限硫令的要求，導致近期脫硫塔的安裝訂單大幅度減少。

其次，隨著液化天然氣燃料在船舶發(fā)動機上的應(yīng)用日趨成熟，一些公司選擇液化天然氣和油氣混合燃料作為船舶發(fā)動機的燃料，以滿足對目前限硫令的要求。

再次，在碳達峰和碳中和背景下，各國海事組織、航運企業(yè)和研究機構(gòu)都在致力于新能源的開發(fā)與研究。馬士基航運公司表示，將在2023年推出世界上第一艘碳中和貨船。

然而，航運市場與國際形勢變幻莫測。諸多不確定因素的影響，使船東的選擇依舊舉棋不定，今后脫硫塔的需求和前景依然不太明朗。但是不管脫硫塔未來幾年的需求如何，根據(jù)市場反饋，目前已經(jīng)安裝的脫硫塔在使用中已經(jīng)暴露出許多亟待解決的問題，只有針對性解決脫硫塔目前存在的問題，逐步改進設(shè)計和處理方案，才能減輕輪機人員的工作負擔。才能為后續(xù)脫硫塔的應(yīng)用解決后顧之憂，才能為脫硫塔爭取更大的市場空間。

同時，為滿足IMO中長期的減排目標，雖然新型環(huán)保燃料的研發(fā)一直都在進行，但受到脫硫塔的啟發(fā)，國內(nèi)外各研發(fā)機構(gòu)已經(jīng)開始考慮是否可以借鑒類似技術(shù)實現(xiàn)脫碳。因此，在脫硫塔的改進過程中，如果能實現(xiàn)脫碳和脫氮，不僅可以滿足IMO中長期的減排目標，更能為脫硫塔的應(yīng)用前景帶來更廣闊的發(fā)展空間。

7.結(jié)論

隨著環(huán)保意識的不斷增強，同時由于環(huán)境惡化引起的異常自然現(xiàn)象愈加頻繁，針對海上運輸帶來的海洋與空氣污染，國際海事組織對船舶 SOx的排放要求也日趨嚴格，船用脫硫塔作為控制SOx排放的有效手段之一，其在安裝、運行及操作上都得到了船舶企業(yè)的認可，而且能夠在短時間內(nèi)收回成本，然而在管理過程中還存在一些問題，需要不斷的改進和完善，使脫硫塔更加便于操作與管理，在環(huán)保脫硫方面發(fā)揮更大的作用。