船舶廢氣除硫系統選型介紹

劉亮　林洪山　江傳平

摘 要：為滿足MARPOL附則VI第三章的要求，將有更多的廢氣除硫系統應用于船舶上。通過調研市場上現有除硫系統種類，對比了各種系統的特點，以便于船舶根據自身的實際情況選擇合適的除硫系統。

關鍵詞：船舶；除硫系統

中圖分類號：U664.12 文獻標識碼：A

Abstract： In order to comply with the requirement of the MARPOL Annex VI Chapter 3， more and more vessels will install the scrubber system. This paper introduces the different types of Scrubber system in the market in order that the type of scrubber will be chosen conveniently.

Key words： Ship； Scrubber system

1 背景

船舶運輸在各種運輸方式中占有很大一部分，因此來自船舶的排放直接影響著全球排放的總量。在全球日益關注環境保護的今天，如何減少船舶排放對環境造成的影響也越來越受到全球人們的關注。

MAPPOL公約要求在波羅的海、北海、北美以及美國加勒比海排放控制區內，船用燃油的硫含量在2015年1月1日以后不得超過0.1%；在2020年1月1日以后，全球其他海域船用燃油的最大硫含量不得超過0.5%。

目前，船舶行業對于柴油機排放相關要求的應對措施主要有三種：（1）使用低硫燃油；（2）使用LNG燃料；（3）采用洗滌塔去除排氣中的硫。在此三種方法中：第一種方法最簡單，但運營成本相對較高；第二種方法運營成本相對較低，但初期投入成本較大，且LNG作為易燃易爆氣體對其周圍的設備有防爆要求，提高了風險應對的成本，同時還受到航線LNG加注設施的限制；第三種方法船東可以繼續使用高硫油，運營成本低，初期投入僅增加了一個洗滌塔的成本，對周圍其他設備沒有影響，而且不受任何加注設施和航線的影響。隨著2020年的到來，低硫油將供小于求，預計價格會持續走高，因此裝配洗滌塔來滿足硫排放的要求是最好的選擇。

2 廢氣除硫系統原理

廢氣除硫的化學反應原理：2NaOH + H2SO3 →Na2SO3 + 2H2O 。

也就是通過堿性物質與煙氣中的含硫氣體發生中和反應，以達到除去煙氣中硫氧化物含量的目的。廢氣除硫系統包括兩大部分：（1）反應部分，即為堿液與煙氣發生化學反應的反應器；（2）水處理部分，即對反應后的水按分離式或膜過濾式進行必要的處理，以達到排放要求。

3 廢氣除硫系統的分類

廢氣除硫系統可按以下幾種方式分類：

3.1 按洗滌塔塔體形式分類

洗滌塔塔體形式可分為干式和濕式兩種。兩者最主要的區別在于在洗滌塔不工作時，柴油機排出的煙氣是否還能通過洗滌塔：（1）濕式洗滌塔（見圖1）。其廢氣進口一般在塔體側方，在洗滌塔不工作時，需將洗滌塔旁通；（2）干式洗滌塔（見圖2）。其廢氣進口在塔體底部，在洗滌塔不工作時廢氣仍能通過洗滌塔排出到大氣中。

關于干式洗滌塔旁通管的設置，根據DNVGL規范要求：如果多臺主機共用一個洗滌塔時，每臺主機排氣需帶有旁通管；但如果為一臺主機和多臺輔機共用時，則主機可不設旁通管，輔機需每臺設置一路旁通管。

3.2 按除硫模式分類

根據船舶的航線及水域要求，可選擇配備不同模式的除硫系統。主要分為三類：開式、閉式、混合式。

3.2.1 開式系統

開式系統為敞開系統，其原理為：通過海水泵吸入海水，再通過管路將海水噴入洗滌塔內與煙氣混合，由于海水中含有一定量的堿性物質，其與煙氣中SOx反應產生硫酸鹽及亞硫酸鹽隨海水一起落入洗滌塔底部通過管路直接排出舷外（見圖3）。

開式系統中反應后的水是不做任何處理直接排出舷外的，其系統原理簡單、成本相對較低。但此系統有一定的局限性，如遇到限制排放水域時系統無法使用；另外，受海水的堿度影響，堿度越低所需海水量就越多、海水泵容量就越大、塔身內的噴嘴會越多，故當堿值太低時也無法達到處理要求。因此，如果確定使用開式系統時，前期需明確航行水域的堿度，一般標準設計堿值為2 200?mol/L。

3.2.2 閉式系統

閉式系統處理原理為：利用循環艙中堿性物質通過循環泵泵入洗滌塔與煙氣中SOx反應，反應后的水進入循環艙后繼續在內部參與循環，當循環艙出口的水的堿值達不到設定要求時，泵從反應物質艙將堿性物質溶液加入循環艙以達到堿值的要求。

閉式系統較開式系統復雜，設備也比開式系統多，還需要消耗反應物質，增加了船舶的初期投入成本及后續的船舶運營成本。

閉式系統根據反應物質的不同，可分為鈉基法和鎂基法兩種：鈉基法使用NaOH溶液作為反應物質；鎂基法使用Mg（OH）2溶液作為反應物質。

（1）鈉基法的主要配置為：洗滌塔、循環艙、循環泵、冷卻器、NaOH艙、NaOH泵、水處理系統、油渣艙等。其處理原理如前所示，見圖4。

由于循環艙的水會繼續參與反應，反應后的水含有固體顆粒和油污，以及當硫酸鹽及亞硫酸鹽達到一定飽和度時會析出晶體，需通過水處理系統分離出循環艙水溶液的雜質及油污。同時，因為排出的渣會包含一定水分，加上系統工作時也會蒸發一些水，因此需定期向循環艙中補充淡水，為減少淡水的蒸發量，系統用冷卻器降低循環水溶液的溫度。

（2）鎂基法處理系統原理如前所示（見圖5）。它與鈉基法不同的是反應物質為Mg（OH）2。由于Mg（OH）2是通過MgO與海水反應產生，因此鎂基法可直接使用海水機配制Mg（OH），由于MgO的市場價格更低，所以從后續運營成本上來看，MgO更具有優勢。

3.2.3 混合式系統

混合式系統（見圖6）既有開式模式又有閉式模式，因此混合式系統靈活性更高。在非限排區域及海水堿值足夠的區域，系統選用開式模式；在限排區域及海水堿值不足的區域，系統選用閉式模式。

雖然混合式原理更復雜、設備更多，初期的投入成本也更高，但混合式運營成本更低、靈活性更高、更經濟。

3.3 水處理系統的分類

根據水處理裝置的原理不同，可將水處理裝置分為兩類：分離機式水處理系統；膜式水處理系統。

（1）分離機式水處理系統就是用離心機來除去水中的雜質；而膜式水處理系統是通過膜來過濾廢水中的雜質。相較于分離機式，膜式水處理系統產生的廢渣更少，因此在船舶艙容有限時可選用膜式水處理系統。

水處理裝置還有一種特殊設計，即當船舶選用EGR來滿足NOx排放時，由于EGR的原理為通過廢氣再循環將柴油機產生的廢氣引入參與燃燒反應，對引入的廢氣需進行沖刷洗滌，產生的廢水也需進行處理，這樣EGR水處理裝置與除硫裝置的水處理單元可共用，既節省了設備和艙柜的數量，又能方便船舶的機艙布置。

以某2 000 TEU集裝箱船為例，本船為滿足NOx及SOx的要求，主機配備EGR、發電機組配備LPSCR來滿足NOx排放要求；主機和發電機組共用的一個洗滌塔，滿足SOx排放要求；其水處理裝置為膜式水處理系統，當除硫裝置水處理系統與EGR水處理系統共用時，膜式水處理模塊為3套；當兩者分開處理廢水時，膜式水處理模塊為5套。這種設計要注意一點是： EGR為MAN柴油機獨有的設計，當EGR水處理裝置與除硫裝置的水處理裝置共用時，該水處理裝置需得到MAN的認可。

4 總結

綜上所述，在船舶設計的初期需了解船東對于洗滌塔的具體需求，如航線、水域、航行周期等，以此來選擇一個最優方案滿足船東的需求。如船舶所航行區域為非限排區域，且水域中水的堿值足夠，那么就可以選用開式系統，既滿足了法規要求，經濟性也更好。endprint