《船用柴油主机SOX减排及机后处理技术研究》8200字（论文）

船用柴油主机SOX减排及机后处理技术研究目录TOC\o"1-2"\h\u233050引言 1106071绪论 268321.1船舶硫氧化物的产生及危害 2157491.2IMO及我国对船用主柴油机排气中SOX的排放要求 334342船舶硫氧化物排放控制技术及方法 5245762.1低硫油 579702.2替代燃料 510192.3废气洗涤脱硫系统 6230053废气洗涤脱硫系统发展现状 8187863.1干式洗涤脱硫系统 8276553.2湿式洗涤脱硫系统 988134主机排气机后处理技术对比研究 133694结论 147750参考文献 15[摘要]船舶所产生的SOX排放已经成为沿海地区特别是港口城市的主要污染源之一，自2020年1月1日国际海事组织（IMO）“最严限硫令”的正式实行起，在全球范围航行的船舶必须使用含硫量低于0.5%的低硫油、更换替代燃料或使用经认可的废气洗涤脱硫装置。本文将根据当前IMO及我国的排放政策，针对船用柴油主机SOX减排及废气后处理措施进行研究，作为应对限硫政策的方法之一，对船舶废气洗涤脱硫技术的最新进展进行讨论，对不同种类洗涤脱硫系统进行对比研究，以期得到比较适用的方案。[关键词]船舶；柴油机；硫氧化物；脱硫0引言航运作为国际贸易的主要运输方式，其船用柴油主机所排放的SOX已经成为沿江、沿海地区大气主要的污染源之一，所排放的SOX废气不仅危害环境造成水域酸化而且威胁人类健康。近年来我国对船舶柴油机排气中SOX的政策要求愈发严格以及2020年1月1日IMO“限硫令”的实行，已经有不少船舶选择了加装脱硫塔的方式应对。安装脱硫装置属于长期投资，就目前高低硫油价格差以及加装脱硫塔的行情分析，安装脱硫装置的回报周期进一步被拉长，但对于大型船舶，例如VLCC，依旧是应对“限硫令”的重要方案之一。1绪论我国拥有漫长的海岸线，航运事业繁荣。截至2019年底，我国民用运输船舶拥有量达13.16×104艘。2020年全年我国港口完成货物吞吐量145亿吨其中实现外贸货物吞吐量45亿吨，增长4.0%。港口集装箱吞吐量26430万标准箱，增长1.2%。2020年全球港口货物吞吐量前十港口中中国港口占据其中8位[1]。研究表明我国船舶排放的SOX（硫氧化物）为1.1937Tg，占全球船舶总排放量的13.15%，这些船舶所排放的SOX已经成为航道沿线及周边港口城市的主要空气污染问题[2]。1.1船舶硫氧化物的产生及危害1.1.1船舶排气中硫氧化物的产生船用柴油主机排气中SOX的来源为含硫燃料油的燃烧，含硫燃料在燃烧时其中的硫元素与空气中氧元素反应被氧化成SO2，其中1～5%的SO2可再次与氧气反应生成SO3,其反应化学方程式为：S+O2→SO2（1-1）2SO2+O2→2SO3（1-2）1.1.2船舶硫氧化物排放的危害1）船用主柴油机所排放的SOX对柴油机本身造成的危害：主柴油机所排放的废气会随着排气总管、废气涡轮增压器等设备排放到空气中。这些硫氧化物高温下呈气态，直接与金属作用会发生气体腐蚀，而在低于其露点时也会生成硫酸产生低温腐蚀，除气缸部件外，排气阀杆、废气涡轮、排气管等也会对其产生一定的腐蚀，影响部件寿命。SO3还会使碳氢化合物加速聚合，促进碳渣的生成[3]。2）SOX排放对人体健康造成的影响：SOX中的SO2气体，是一种无色有强烈刺激性气味的气体，属世界卫生组织国际癌症研究机构公布的3类致癌物之一。空气中的SO2增高人呼吸道疾病发病率，浓度过高会使人出现溃疡和肺水肿直至窒息死亡。SO3其毒性与硫酸相同，对人皮肤和粘膜具有腐蚀性，刺激呼吸道，可引起结膜炎、水肿等症状严重会导致人死亡[4]。统计研究显示，每年都会有人误吸入过量硫氧化物造成死亡。3）SOX排放对环境造成的污染：在我国硫酸性酸雨的占比最高，酸雨会使树木成片死亡造成森林资源的减少，会使水体酸化对生态系统及水产养殖业造成不良影响，会对建筑、古迹、造成破坏。1.2IMO及我国对船用主柴油机排气中SOX的排放要求图1-1所示，欧洲洁净空气计划（CAFE）给出的全球SOX排放趋势预测，全球船舶所排放的SOX逐年递增，以至于有超过陆基排放的趋势。图1-1全球SOX排放趋势预测(欧洲洁净空气计划)为降低船用主柴油机排气中SOX，IMO及我国都对做出了相应的要求：1）根据国际海事组织（IMO）《MARPOL73/78防污染公约》附则VI中规定,由2005年5月19日起燃料油最高含硫量限制为4.5%，2012年1月1日后这一比例变为3.5%，于2020年1月1日后全球燃料油的最高含硫量限制为0.5%，图1-2所示。国际海事组织还规定,船舶除使用符合公约规定的燃油外,也可采用经认可的废气脱硫系统或其它技术从而降低船舶SOX的排放量，使排放达到使用合规低硫油时的排放标准[5]。该附则VI于2006年8月23日在我国生效。图1-2IMO及欧盟和加州海域对船用燃油含硫量的限制2）为深入贯彻落实党中央、国务院关于加快推进生态文明建设、打好污染防治攻坚战和打赢蓝天保卫战的部署，促进绿色航运发展和船舶节能减排[6]，我国也出台了相应政策，如《中华人民共和国大气污染防治法》、《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》（交海发〔2015〕177号）[6],以及在此基础上所制定的《船舶大气污染物排放控制区实施方案》交海发(〔2018〕168号)等。而在《船舶大气污染物排放控制区实施方案》中明确的目标是通过设立船舶大气污染物排放控制区（以下简称排放控制区），降低船舶硫氧化物、氮氧化物、颗粒物和挥发性有机物等大气污染物的排放，持续改善沿海和内河港口城市空气质量。在方案中针对进入排放控制区的船舶所使用的燃油含硫量作了明确的规定，规定如下：（1）2019年1月1日起，海船进入排放控制区，应使用硫含量不大于0.5%m/m的船用燃油，大型内河船和江海直达船舶应使用符合新修订的船用燃料油国家标准要求的燃油；其他内河船应使用符合国家标准的柴油。2020年1月1日起，海船进入内河控制区，应使用硫含量不大于0.1%m/m的船用燃油。（2）2020年3月1日起，未使用硫氧化物和颗粒物污染控制装置等替代措施的船舶进入排放控制区只能装载和使用按照本方案规定应当使用的船用燃油。（3）2022年1月1日起，海船进入沿海控制区海南水域，应使用硫含量不大于0.1%m/m的船用燃油。适时评估船舶使用硫含量不大于0.1%m/m的船用燃油的可行性，确定是否要求自2025年1月1日起，海船进入沿海控制区使用硫含量不大于0.1%m/m的船用燃油。方案中还要求对采用尾气后处理方式的，需安装排放监测装置，产生的废水废液也应当按照有关规定进行处理。2船舶硫氧化物排放控制技术及方法为了使船舶废气中硫氧化物的排放达到国际公约及各国家和地区的政策标准，避免因硫氧化物排放超标所造成的经济损失，自2020年1月1日“限硫令”正式实行以来全球船舶都进行了相应的减排措施。按国际海事组织规定，船舶可通过采用低硫油、使用新型的可替代燃料或是使用经认可的废气脱硫系统。2.1低硫油低硫燃油，依然属于传统燃料，设施设备改造相对简单容易，并且有利于减少硫氧化物的排放，符合法规要求[7]。2020年以前大多数船舶在航行时主要使用含硫量高的重油（IFO），而轻柴油（MDO与MGO）虽然含硫量低但价格高，使用重油可以为船东节省大量运营成本。不过由于其含硫量较高，在船舶运营期间会产生大量的硫氧化物，相比轻柴油对环境造成不良影响更大。随着2020年1月1日“最严限硫令”的实行，高硫重油市场份额逐步被低硫油所替代。低硫油(LSFO)属于重质燃料油的一种，是由普通重油经过一系列化学处理的方式从而减少了燃料油中的硫含量得到的。以新加坡港为例，2019年12月低硫燃料（包括LSFO和MGOLS）的销量环比增长51%，至312.7万吨，而当月销售的HSFO为12.71万吨。低硫油的优势在于价格相对轻柴油更为低廉，可以满足IMO的排放标准，目前低硫油是应对限硫政策的主要措施。2.2替代燃料船舶产生废气的主要原因来自于燃料油的燃烧，使用替代燃料可以从根本上解决排放问题，目前液化天然气（LNG）为燃料的LNG动力船舶占新能源船舶的主体。只使用LNG几乎可以百分之百减少硫氧化物的排放，或者使用LNG+柴油双动力，且通过多次实践研究发现，LNG+柴油混合动力船跟仅应用柴油的动力船相比更加节能，大约能够降低20%~25%的成本，而且在维修方面，LNG+柴油混合动力船的成本费用也小于柴油船舶[8]。但液化天然气与柴油价格差比较小，且无论是旧船改装还是再造新船成本都非常高，LNG在运输和储存要求也比较高，另外船舶LNG加注站也需要大量投资建设。在航运市场不景气的今天，LNG动力船舶的发展阻力比较大。2.3废气洗涤脱硫系统废气洗涤脱硫又称脱硫塔是在船舶仍然使用高硫油的情况下通过在排气端安装脱硫装置，利用废气后处理的方式减少船舶硫氧化物排放，从船舶排放的废气中脱硫也是结局硫氧化物排放超标的另一个有效手段。目前，船舶废气洗涤脱硫系统主要分为干式和湿式两种类型，其中船舶主流的废气洗涤脱硫系统为湿式洗涤脱硫系统，而湿式又分为开环式、闭环式和混合式。在2020年9月荷兰研究咨询机构CEDelfe发布了关于船用EGCS（废气净化）系统对气候影响的最新报告。该研究比较了使用EGCS和使用低硫船用燃料对环境的不同影响。结论是，EGCS对环境的影响小于低硫船用燃料，会导致碳排放增加。而且低硫油可能存在引发船舶机械故障的问题，2020年底联合国人权署（UNOHCR）在一份报告中提到，在2020年仓促引入低硫油后，目前全球10万艘船舶中，有70%的船舶使用了低硫油，这引发了很多船舶故障，并将成为接下来的调查重点。不过IMO回应：“从2020年到2021年为止，IMO尚未收到任何报告与VLSFO相关的安全问题。”而选择使用废气洗涤脱硫系统，首先其脱硫率高，一般能达到95%以上，运行和维护费用较低,操作灵活,可避免更换燃料时存在的安全隐患[9]。其次因为属于后处理的方式，加装废气脱硫系统不会影响船舶主柴油机的工作状态和工作参数且与其它系统有着较好的兼容性[10]。虽然需要后期改装，但相比LNG船改装，安装脱硫洗涤塔的技术较为成熟，改装更为方便，适应性较好。安装脱硫洗涤塔初期投资较大，回本周期长。是利用高硫油与低硫油的价格差逐步回本，属于长期投资。但2020年以来对低硫油需求量的增加使得高硫油所占市场份额大跌，受到2020年全球新冠疫情和“全面油价战争”的冲击以及低硫油技术的影响，如图2-1所示，高低硫油的价格差显著减小。即使在2020年底以来高低硫油价格略有拉开基本维持在80美元每吨，这也使得加装废气后处理装置的成本回收周期拉长，且包括我国在内已有部分国家和地区已禁止船舶在领海范围或港口区域使用开环式洗涤塔，安装脱硫塔的经济性相比2020年以前有所降低。图2-1高低硫油价格差不过就2021年4月7日新加波港船用燃料油现货价格来看，高硫油现货报价350.76美元/吨，0.5%低硫燃料油现货报价462.01元/吨，低高硫价差走阔，价差目前已稳定在略高于100美元/吨的水平，与去年低于100美元的价差相比，船东和投资者更倾向订造装有脱硫塔的新船。而根据Gibson的数据，已经有31%的现役超大型油轮安装了脱硫塔，还有7%计划进行改装。另根据BIMCO的统计数据显示，安装脱硫塔船舶数量15个月增长近一倍，这就意味着洗涤塔对于船舶特别是如VLCC船这类大型船舶经济意义依旧显著，长远来看船舶加装脱硫塔依旧应对“限硫令”的有效手段。具体安装脱硫塔船队数据如表2-1所示。表2-12021年3月1日主要船型中，脱硫塔船队占比情况数量占比运力/载重吨占比集装箱船15.9%28.7%干散货船11.422.7%原油轮24.5%29.9%成品油轮4.2%13.4%3废气洗涤脱硫系统发展现状船舶废气洗涤脱硫系统(EGCS)主要分为干式洗涤脱硫系统和湿式洗涤脱硫系统两大类[9]。3.1干式洗涤脱硫系统干式脱硫是以氢氧化钙（Ca（OH）2）等碱性固体颗粒作为吸附剂直接与硫氧化物反应，因不会产生液态物质所以被称为干式脱硫。最有代表性干式脱硫洗涤系统如图3-1所示，此干式脱硫洗涤系统是由CoupleSystems公司与MAN公司合作开发并取得专利的DryEGCS,此于2010年4月获得了德国船级社的认证[11]。带有硫氧化物的船舶废气，通过烟道进入该脱硫系统的吸收器中，然后进入到反应颗粒舱，在反应颗粒仓内硫氧化物与脱硫剂进行反应，实现废气中硫氧化物的高效去除[12]图3-1DryEGCS船舶干式脱硫系统干式洗涤脱硫的优缺点：1）能耗低；2）反应产物为固体容易处理，不会污染海洋环境；3）不会使废气温度显著降低使位于下游的SCR能够达到其工作温度；4）脱硫效率高，可达99%；5）大量固体吸附剂和反应产物占用较大储存空间。3.2湿式洗涤脱硫系统由于船舶运营环境的缘故，船舶安装洗涤脱硫系统主要以湿式洗涤脱硫系统为主。湿式洗涤脱硫系统又有三种形式：开环式、闭环式、混合模式。3.2.1开环式洗涤脱硫系统开环式，天然海水的酸碱pH值一般为7．5～8．5，其中含有大量的弱酸和弱碱盐类，所以天然海水具有很强的酸碱缓冲以及吸收酸性气体的性能[13]。利用海水所自带的碱性吸收废气中的SOX,而废液在经处理后排放入海中，以确保不会破坏环境，其反应化学原理如下：SO2的吸收过程：SO2(g)+H2O(l)→H2SO3(3-1)H2SO3(l)⇌H+(l)+HSO-3(l)(3-2)HSO-3(l)⇌H+(l)+SO2-3（l）(3-3)海水中和过程：HCO-3(l)+H+(l)→CO(g)+H2O(3-4)HSO-3(l)+H+(l)→H2O+SO2-3(g)(3-5)OH-(l)+H+(l)→H2O(3-6)开环式海水洗涤脱硫的优点：1）开环式的湿法洗涤脱硫系统直接采用海水作为洗涤液，不需额外添加化学药剂；2）其结构较为简单安装成本远低于其他模式；3）洗涤废水不需存储；开环式海水洗涤系统的不足：1）船舶所处海域的海水盐度及温度会对脱硫效果造成影响；2）海水消耗量大，洗涤系统耗能多；3）CO2排放增加；4）包含我国在内的部分国家和地区其领海内或港口区域已经禁止开环式湿法洗涤脱硫系统的运行和洗涤废水的排放，所以开环式船舶仍需要加装低硫油，必要时切换至低硫油运行。图3-2为开环式洗涤系统原理图，其中最具代表性的就是Wärtsilä开环式洗涤系统，该系统已经获得挪威船级社和意大利船级社认证。实验证明该系统脱硫效率可达90%～95%，但燃油消耗量增加2%。据DNVGL统计，2019年安装脱硫塔的3266艘船舶中，开环式脱硫塔的船舶占比高达80.3%，达到2625艘。可见开环式脱硫塔占据船舶废气后处理市场极大份额。图3-2开式海水洗涤系统原理图3.2.2闭环式洗涤脱硫系统闭环式，指在淡水中投放碱性物质（如氢氧化钠等），使排气中的硫氧化物与水中碱性物质发生反应，生成盐类从而达到脱硫的效果，其原理如下：NaOH(l)+SO2(g)→Na2SO4(l)+H2O(3-7)NaOH(l)+SO3(g)→Na2SO3(l)+H2O(3-8)闭环式淡水洗涤脱硫的优点：1）使用淡水作为溶剂，脱硫效果不会受到如海水盐度及温度的影响；2）洗涤废水储存在船上，不会存在排放污染海洋的问题；3）功耗低脱硫效率高。闭环式淡水洗涤脱硫的缺点：1）相比开环式，闭环式结构更复杂，安装成本更高；2）使用强碱性溶液，使船舶航行存在一定风险；3）脱硫剂和额外淡水的存储占据额外空间；4）增加了造水机的工作量；5）船舶装载危险化学品需要得到相应批准。图3-3为闭式洗涤系统原理图。闭式需要额外舱室储存烧碱和洗涤废水。烧碱被海水稀释后在脱硫塔内部雾化与废气充分接触，发生化学综合反应，以达到对尾气脱硫的目的，洗涤后的废水需收集在独立的储存舱室，靠岸后由专门的机构对洗涤废水进行处理[14]。图3-3闭式淡水洗涤系统原理图其中具有代表性的为Wärtsilä公司开发的船舶废气淡水洗涤脱硫系统，此系统已于2009年通过挪威船级社、德国劳氏船级社和法国船级社的认证,授予硫排放控制区的合格证书。该系统是第一个获得该项认证的船舶SOX后处理装置。试验证明，此脱硫系统脱硫率可达99%。3.2.3混合式洗涤脱硫系统混合式洗涤脱硫是将开环式与闭环式相结合，由两套系统并行运行。海水处理系统处理完成后酸碱度监测完成后排入海水中。淡水处理系统处理完成后回收在废液柜里面，最终由岸基储存罐回收[15]。可根据船舶航行的实际情况进行切换。图3-4为混合式洗涤脱硫系统原理图。图3-4混合式系统原理图混合脱硫系统的优缺点：1）兼具开环式与闭环式，可随时切换，以实现船舶全海域航行；2)系统结构更加复杂，改装工程量大周期更长，成本更高，管路占据空间更大；3)增加了船员操作和管理难度。因混合式洗涤脱硫系统在改造成本上的问题，使得目前未能成为主流。但部分公司所研发的混合洗涤脱硫装置已经开始实船应用。1)如在开环式系统和闭环式系统基础上,Wärtsilä公司开发了船舶混合洗涤脱硫系统。目前,MVTarago和MVTamesis(Wilhelmsen)等多艘船舶已订购了Wärtsilä混合洗涤脱硫系统。2)CleanMarine公司的洗涤脱硫系统，试验证明此系统脱硫率可达98%，但会略微增加燃油的消耗量，2013年底,StoltTankersandNYKStoltTankers公司为其在沪东中华造船(集团)有限公司制造的两艘化学品船订购了CleanMarine公司的EGCS系统,于2015年安装。据公司估计，船舶使用该系统仅需要1～2年，即可回收成本。目前混合模式大多数用于邮轮或者客滚船，因为这些船大多数时间都是近海运营和停靠在港口内。4主机排气机后处理技术对比研究干式脱硫技术与湿式脱硫技术都属于机后处理技术，两者都是针对船舶已经产生的废气进行处理使废气达到国际海事组织（IMO）的排放要求。由于二者在原理上的差异使得二者从反应原料、反应产物和装置结构上都有所不同。湿式脱硫又分为开环式、闭环式和混合模式，不同模式之间也互有优缺点，干式脱硫技术与湿式脱硫对比总结由表4-1所示。干式脱硫湿式脱硫开环式模式闭环式模式混合模式反应原料Ca（OH）2颗粒海水淡水及NaOH淡水及NaOH产物处理船上储存排放入海废水储存视情况调整操作维护废物收集无需维护无需维护模式切换脱硫效率99%90%~95%99%98%SCR兼容性兼容兼容（但要时刻注意废气温度是否达标）余热回收前后兼容兼容（只能安装在EGC前方）表4-1干式脱硫与湿式脱硫对比虽然干式脱硫技术和湿式脱硫技术都有产品在船舶上进行了应用但因船舶运营环境的缘故使得目前在湿式脱硫技术上的研究和应用实例远多于干式脱硫技术。不过性能的孰优孰劣还不能完全确定。1）干式虽然在与其他设备兼容性上存在一定优势，但由于反应原理导致干式脱硫设备质量大。而且储存大量Ca（OH）2固体颗粒必定会占据更多的船舶空间，可能会占据货物空间。2）开环式目前最大的问题来自于洗涤废水的排放，我国国家环保总局发布的船舶排放管理文件中已禁止船舶在全国沿海和内河的开环式洗涤器排放水和燃烧残渣，于2020年1月1日起生效。同时禁止的还有新加坡、阿联酋富查伊拉、比利时、德国、拉脱维亚、立陶宛、爱尔兰、挪威等地的水域，可以预测将来限制开环式海水洗涤脱硫系统的水域会更多。3）闭环式和混合模式脱硫废水需要独立储存，相应的也会占据相当一部分船舶空间。储存的废液靠岸后由专门机构进行回收处理，这也会产生一定成本。不过在要求较高的海域这两种模式的脱硫洗涤系统可以畅通无阻。其中混合模式又可以转换为开环式模式，在无限制排放海域可同开环式一样将脱硫废水排放入海。4）使用开式脱硫塔在监控、排放等方面要严格遵循2015年废气清洗系统导则[16]其中原则性的要求或待澄清明确的要求可参考2020年废气清洗系统导则草案的要求。值得注意的是如所建造开环式系统设计合理的话，后期可以轻松升级到完全混合式洗涤塔系统，使得系统满足未来可能出现的更严格的排放限制。结论针对船用柴油主机废气排放造成的大气污染问题，分析研究了船舶柴油机排气中SOX产生的机理和对人类、环境、设备的影响以及IMO及我国对船舶柴油机排气中SOX的排放的政策要求。将船舶脱硫技术的进展、控制SOX排放的机后处理措施与当前形势相结合进行了研究得出以下总结：1）从环保的角度考虑，干式和闭环式对船舶主柴油机排气的处理最为彻底，对环境污染小，后续处理得当可实现零排放。2）对于船东而言，如何在符合国际公约和地区政策的前提下来提高经济性是最重要的，所以改装成本更低的开环式脱硫洗涤系统目前更符合船舶运营的经济效益。3）船舶废气洗涤脱硫技术趋于成熟，包含开环式与闭环式优点的混合式洗涤脱硫系统未来前景会更广阔，其灵活性使得混合式脱硫设备能够适应全球水域，而且在应对燃油价格波动方面适应性更强。4）根据船用洗涤塔和压载水系统产业发展研究报告第二版内容，可以得出合理设计的开式系统后期存在轻松升级为混合式系统的可能。所以综上所述得出结论：未来长航程大型船舶安装开环式洗涤脱硫系统足以满足要求，后期如有需要则可进一步升级。参考文献[1]国家统计局.中国统计年鉴:2020[M].北京:中国统计出版社,2020.[2]李军伟、张晓红、张新民.我国船舶大气污染物排放及控制研究[J].资源节约与环保,2020,No.227(10):108-111.[3]MDEngines,Two-StrokeW.ExhaustGasEmissionControlTodayandTomorrowApplicationonMAN