SOx和NOx減排技術在液化氣船上的應用

周鑫元，張佩蕾，王 開

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

鑒于硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）的危害及人類社會對環境污染問題日益關切，有關國際組織及國家相繼以法律法規的形式對船舶SOx和NOx排放加以限制。表1為全球范圍內船用燃油含硫量限制規定。此外，日本、韓國、新加坡和澳大利亞等國家都有納入國際海事組織（International Maritime Organization,IMO）SOx排放控制區的計劃。

針對NOx排放，IMO規定：2011年1月1日及此后建造的船舶在非NOx排放控制區內航行時，柴油機的NOx排放需滿足第二階段（Tier II）標準；2016年1月1日及此后建造的船舶在排放控制區內（北美水域及美屬加勒比海）航行時，柴油機的NOx排放量應滿足第三階段（Tier III）標準。另外，波羅的海和北海到2021年也將納入NOx排放控制區。

表1 全球范圍內船用燃油含硫量限制規定

1 SOx減排技術

目前，SOx排放的控制方法主要有以下3種：

1) 控制燃油中的硫含量，使用硫含量符合標準的燃油，如低硫柴油（Low Sulphur Distillate Oil, LSDO）；

2) 使用液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）、乙烷、液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas, LPG）和甲醇等不含硫的清潔燃料；

3) 在廢氣排放到大氣之前對其進行處理，即安裝廢氣濾清系統（Exhaust Gas Cleaning System, EGCS），目前市場上主要有干式系統和濕式系統2種，其中濕式系統又可分為開式、閉式和混合式等3種。

各種SOx減排技術的對比見表2。

表2 SOx減排技術對比

續表2

2 NOx減排技術

船舶的NOx排放量主要受原動機燃料類型、燃燒溫度和含氧量等因素的影響。NOx的減排技術也基本上考慮這些因素，主要技術有：使用清潔燃料、油水乳化、進氣加濕、機內調整、廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation, EGR）和選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction, SCR）等。選擇性催化還原、使用清潔燃料和廢氣再循環是目前使用最為廣泛并可達到IMO Tier III標準的減排技術。這3種NOx減排技術對比見表3。

表3 3種NOx減排技術對比

3 液化氣船減排技術應用

江南造船（集團）有限責任公司（以下簡稱“江南造船”）進入液化氣船建造領域已有數十年，具備艙容從5000m3到93000m3，溫度從-10℃到-165℃，壓力從0.025MPa到1.8MPa，貨物包含LPG、乙烷、乙烯和LNG，涵蓋A型艙、B型艙、C型艙和薄膜型艙的全系列液化氣船的研發和建造能力，成功打造出“中國江南”型液化氣船。為不斷提高市場競爭力，從液化氣船的推進系統和液貨系統等的特性出發，研究各船型最適用的減排組合，下面介紹幾個典型案例。

3.1 22000m3 LEG運輸船

該船的機艙和上層建筑（以下簡稱“上建”）布置在艉部，低速柴油機直接驅動定距槳，設置3個或4個IMO C型獨立液貨艙，適合裝載乙烯、LPG、無水氨和氯乙烯（VCM）等。綜合考慮該船配備有再液化系統而能處理液貨蒸發氣以及降低初投資兩因素，該船不考慮使用清潔燃料實現減排，即配置常規燃油動力系統，并采用2種SOx減排方案，具體見表4。

表4 22000m3 LEG船減排方案

由于不考慮雙燃料方案，目前該船的柴油發電機NOx減排只能通過低壓SCR實現。方案1使用低硫油來滿足SOx排放要求；低速主機選用SCR實現NOx減排，以便與柴油發電機低壓SCR共用一套還原劑系統。方案 2通過安裝 Scrubber來滿足 SOx排放要求，船上需同時配置用于 SCR的還原劑系統和用于Scrubber的NaOH系統，因此主機NOx減排選用SCR系統和EGR系統均可。

3.2 37500m3 LEG運輸船

該船的機艙和上建布置在艉部，低速柴油機直接驅動定距槳，設置3個IMO C型獨立液貨艙，適合裝載LPG、乙烯、無水氨和VCM等。該船還設置有2個甲板罐，既可作為液貨艙，又可作為LNG或乙烷雙燃料系統的燃料艙。該船設計使用雙燃料系統，可采用 LNG雙燃料系統或乙烷雙燃料系統，減排方案見表5和表6。

表5 37500m3 LEG船LNG雙燃料減排方案

表6 37500m3 LEG船乙烷雙燃料減排方案

在 LNG雙燃料方案中，幾乎所有的排放都可通過燃燒天然氣來達到要求；但是，若低速雙燃料主機選用的是采用Diesel循環的ME-GI機，則需采用額外的NOx減排手段，SCR和EGR均可。

在乙烷雙燃料方案中，考慮到市場上無特別成熟的乙烷雙燃料機組，故配備常規燃油發電機組，其減排只能通過LSDO和低壓SCR來實現。雙燃料乙烷低速機中僅采用Diesel循環的MAN-GIE機可選，因此仍需配置額外的NOx減排措施，配備的SCR系統可與發電機共用還原劑系統。

3.3 84000m3 LPG運輸船

該船的機艙和上建布置在艉部，低速柴油機直接驅動定距槳，設置4個IMO A型獨立液貨艙，適合裝載LPG。該船目前有常規燃油系統和LPG雙燃料系統，各系統對應的減排方案見表7和表8。燃油系統減排選型思路與22000m3LEG運輸船的相似，LPG雙燃料系統減排選型思路與37500m3LEG運輸船乙烷雙燃料系統選型思路相似，此處不再贅述。

表7 常規燃油系統VLGC減排方案

表8 LPG雙燃料系統VLGC減排方案

3.4 90000m3乙烷運輸船

該船是江南造船針對美國頁巖氣革命，為滿足美國至亞洲的乙烷運輸需求而開發的專用運輸船。該船的機艙和上建布置在艉部，低速雙燃料柴油機直接驅動定距槳，設置4個IMO B型獨立液貨艙或4個GTT Mark III型薄膜艙，主要用來運輸乙烷，可兼裝LPG、乙烯和LNG（LNG僅針對薄膜艙）。針對不考慮兼裝LNG的該類型船，從減少油耗和降低初投資的角度出發，擬配備MAN-GIE主機（即乙烷雙燃料低速機），其減排方案和選型思路與37500m3LEG運輸船乙烷雙燃料系統選型思路相同，此處不再贅述。針對考慮兼裝LNG的薄膜型船舶，擬選配W?rtsil?中速雙燃料機（考慮到其既可燃燒LNG，又可燃燒乙烷），減排方案見表9。

表9 VLEC兼裝LNG的減排方案

3.5 中小型LNG船

目前江南造船研發的中小型LNG船有7500m3LNG加注船、10000m3LNG加注船、30000m3LNG運輸船和80000m3LNG運輸船等4種。作為中小型LNG船，船上一般不配備LNG蒸發氣再液化系統，因此該類型船首選雙燃料動力系統來消耗LNG蒸發氣。基于此，對于采用Otto循環的LNG雙燃料柴油機船，其柴油機的SOx和NOx減排均可通過燃燒LNG來實現，其鍋爐的SOx減排可采用雙燃料或LSDO來實現。對于采用Diesel循環的LNG雙燃料柴油機（即采用MAN-GI機的船），需采取額外的NOx減排方案。表10為采用MAN-GI主機的80000m3LNG運輸船減排方案。

表10 80000m3 LNG運輸船減排方案

4 結 語

船舶SOx減排技術與NOx減排技術之間既存在著顯著差別，又有一定的聯系，例如：EGR技術運用了SOx減排中的廢氣濾清技術；廢氣和燃油中的硫含量會對SCR和EGR產生直接影響；使用清潔燃料可同時降低SOx和NOx排放。研發人員應綜合考慮成本、船型、運營區域和燃料可獲得性等方面，在研發設計船舶時選擇最適宜的減排方案。本文對目前業內常用的SOx和NOx減排技術的優缺點進行了分析，并以江南造船研發、建造的各類液化氣船為例研究了不同類型液化氣船減排方案選型的問題，可供業界相關研究參考。