船用柴油機廢氣脫硫技術和經濟性分析

王 娜 ,沈海濤

（1.浙江天地環保科技股份有限公司,浙江 杭州 311100;2.浙江浙能邁領環境科技有限公司,浙江 杭州 311200）

近年來,船舶排放污染物對大氣環境和海洋環境造成的污染和危害日趨嚴重.2014 年國際海事組織(IMO)統計數據顯示,船舶柴油機排放尾氣中的SO2約占全球排放總量的13%[1].為了減少船舶對大氣環境的影響,國際海事組織決定,自2020年1 月1 日起在全球實行“限硫令”,即船用燃油硫應不超過0.5%m/m[2].

船舶發動機廢氣脫硫系統是IMO 認可的應對硫排放要求的三種措施之一,具有脫硫效率高、設備適應性強、運行和維護費用較低、操作靈活等一系列優點[3].自2018 年下半年全球掀起了一股加裝脫硫系統的熱潮,到2020 年3 月,大約有4 014艘船舶進行了脫硫裝置運營或訂購.

早在“限硫令”之前,孫化棟[4]、吳斌等[5]、梁培生等[6]已對船舶脫硫進行了研究,但直到目前船舶脫硫裝置的真正交付使用,船舶脫硫技術、市場、運營和監管等方面才逐漸趨于完善.周松[7]、郭琳[8]等雖對脫硫裝置經濟性進行了研究,但未對最重要的影響因素——油價差進行動態分析,該因素在近年來國際油價波動巨大的背景下顯得尤為重要.本文重點對具有良好技術適用性和經濟性的鎂基混合式脫硫進行技術和經濟性分析.

1 船舶脫硫系統技術分析

目前比較成熟且已經實船商用的船舶廢氣脫硫技術主要有海水法、堿法、混合法等.海水法利用海水含有大量可溶性鹽,具有天然的酸堿緩沖能力及吸收SO2的能力,達到煙氣凈化的效果.堿法以淡水+NaOH 或者海水+Mg(OH)2作為脫硫劑,當吸收液的pH 值下降時只需繼續加入NaOH 或Mg(OH)2,具有脫硫效率高、能耗低、廢水量少的優勢.混合法根據海水法和堿法各自的特點開發形成一套混合式脫硫系統,提供靈活的海水洗滌與堿液洗滌模式切換,以便更好地適應船舶實際需求.在排放控制區,為了達到較高的脫硫效率切換至堿法,排放控制區之外,為了降低運行成本切換至海水法,鎂基混合式工藝流程如圖1 所示.在開式模式下,循環泵直接將海水打入洗滌塔中,對廢氣進行洗滌,反應后的廢水經檢測合格后直接排放至海中.在閉式模式下,循環泵將循環倉內的洗滌液打入洗滌塔中與廢氣進行反應,反應后的洗滌液回到循環倉.當循環倉內的洗滌水pH 值降低到下限值時,通過堿泵將Mg(OH)2藥劑自動添加到循環倉內,增加洗滌液的堿度,提高中和反應能力.當循環倉內的洗滌液密度達到上限值時,洗滌液自動排放廢水至廢水處理系統,處理后的廢水指標(pH、PAH 和濁度)符合要求后排放至大海.

圖1 混合式脫硫系統工藝流程

該系統較好地利用了海水法和堿法的技術優勢,公用一套循環泵組,通過循環泵前和洗滌塔廢水排放后4 個自動閥門的開關控制達到開閉式切換的目的,能夠使船舶適應不同航行環境,特別適合遠洋航線的大型船舶,減少船舶堿液存儲量與二次環境污染,但該類系統的結構、操作等更為復雜,初始投資成本更高.

船舶全時段使用閉式系統運行費用較高,因此船舶很少單獨安裝閉式系統.開式系統是直接引入海水參與反應后排回大海,對應用海域有較高要求.截至2020 年2 月,已有新加坡、中國、比利時、德國、法國、葡萄牙、西班牙、愛爾蘭、挪威等20 多個國家和地區的港口宣布禁止在一定范圍內使用開式脫硫系統,進入這些區域前需要先切換到閉式系統模式或使用低硫燃油.越來越多的船東選擇了混合式脫硫系統以應對全球的限硫令及各港口國的本地規定,因此本文著重對混合式脫硫系統的技術經濟性進行分析.

2 混合式脫硫系統經濟性分析

自2020 年1 月1 日限硫令實施近1 年后,船舶脫硫系統的建造成本和運行情況已基本穩定,此時的經濟性分析更真實,更具有實際指導意義.

2.1 全壽命周期費用分析法

把一定時期內所有的主要費用(包括支出和收益)都考慮在內,并把不同時間發生的費用以現值表示,才能對方案作出合理的經濟比較,從而實現資源的合理配置,實現經濟效益的最大化,稱為壽命周期費用分析法[9].全壽命周期成本最優要求人們從項目全壽命出發,不僅要考慮項目的初始投資,更要考慮項目在整個全壽命周期內的支持成本,包括運行、維修、更新直至報廢的全過程.

2.2 全壽命周期費用分析實例

以一艘營運遠洋集裝箱船為例,主機實際最大運行功率為37 100 kW,4 臺輔機最大運行功率均為 2 400 kW,歷史記錄統計該船舶日平均耗油120 t,正常每年航行按300 d 計,50 d 運行在排放控制區內,使用堿法系統,250 d 航行在排放控制區外,使用海水法系統.該船混合式脫硫系統于2019 年在中國安裝,改造周期約70 d,設定系統的全壽命周期為10 a,美元兌人民幣匯率以6.9 計.全壽命周期各項費用如下:

(1)燃油節省費.如果不安裝脫硫系統,則船舶在公海航行時須燃燒0.5% S 的HFO,排放限制區內航行須燃燒0.1% S 的MGO,而安裝脫硫系統后,則可以一直燃燒高硫重油HFO380.2020 年HFO380 平均價格約為280 美元·t-1,0.1% S的MGO平均價格約為400 美元·t-1,0.5% S 的HFO380 平均價格約為340 美元·t-1,高低硫油價差分別為120 美元·t-1和60 美元·t-1.燃油節省=燃油價差×排放區域內油耗,則一年的燃油節省費用為1 739 萬元.

(2)設備及船舶改裝費.混合式船舶脫硫系統的一次性設備購置費為1 380 萬元,船舶改造及安裝費為966 萬元.

(3)停工損失費.因船舶安裝該脫硫裝置需停運70 d 進行改造,據船東統計數據顯示,停工期該船舶的平均盈利損失共約1 093 萬元.

(4)運行成本.包括物耗、能耗、人工費、維修費和廢物處理費,使用海水法和堿法下的平均物耗及能耗見表1.(a)物耗費:海水法的主要原料為海水,直接從大海中抽取,故不計其物耗費;堿法的主要原材料為Mg(OH)2,其耗量為560 kg·h-1,現單價約為4 000 元·t-1,故Mg(OH)2年購置費用約為269 萬元.(b)能耗費:海水法的電耗為510 kWh·h-1,堿法的電耗為520 kWh·h-1.根據船用發電機的效率計算出電價約為0.43 元·(kWh)-1,該脫硫系統的年耗電費為158 萬元.(c)人工費:因該脫硫設備的自動化程度較高,只需船員進行簡單的開啟和常規檢查工作,不需要增加額外的人工費,故人工費不計取.(d)維護費:按設備費的5%計取,即第i年的維護費=設備費×5%×(1+y)i-1,y為生產價格指數的增長率,按平均值2%計取.(e)廢棄物處理費:該混合式船舶脫硫系統產生的主要廢棄物為灰顆粒及帶鹽的普通固溶物,不屬于危廢范疇,其產生量為12 kg·h-1,目前該固廢物的處理費用約為3 000元·t-1,則每年產生的固廢物處理費約為4 萬元.

表1 海水法和堿法脫硫系統的平均物耗及能耗

表2 給出了該船安裝脫硫系統全壽命周期的經濟性評價[10].可以看出,在全年僅50 d 運行在排放控制區且油價差僅60 美元·t-1,油價處于歷史低位的情況下,該混合式脫硫系統的靜態回收期為2.8 a,并且運營10 a 后,凈現值高達8 879 萬元.行業基準收益率按12%考慮,該脫硫系統的動態投資回收期為3.1 a,折現后的凈現值為4 366 萬元,且隨著后期油價差的上漲,其收益將進一步增加.

2.3 影響因素分析

從表2 中可以看到,針對具體的一艘營運船舶,其營運日均油耗、脫硫系統的開閉式使用時間、電耗和物耗等相對穩定,在脫硫系統設備費和安裝費趨于穩定的情況下,高低硫油價差將成為脫硫系統經濟性的最大影響因素.從2018 年至今的高低硫油價歷史數據來看,HFO380 高硫油與0.5% S的低硫油平均價差約250 美元·t-1,2020 年1 月曾最高達350 美元·t-1.目前僅為之前平均價差的1/4,從長期來看,隨著世界經濟的逐步正常化,油價差上漲的空間較大.

表2 混合式脫硫系統經濟性評價

因此,本文進一步分析了高硫油與0.5% S 低硫油價差波動(區間為45～140 美元)對該集裝箱船脫硫系統的靜態、動態投資回收期和折現前、折現后凈現值的影響(高硫油與MGO 油價差按高、低硫油價差的2 倍考慮),如圖2 所示.

圖2 高低硫油價差對回收期和凈現值的影響

可以看到,凈現值隨著高低硫油價差的增大而增加,基本成正相關的線性關系.回收期隨著油價差的增大而減小,成負相關關系.當HFO380 高硫燃油與0.5% S 低硫燃油價差在45～90 美元·t-1之間時,靜態回收期下降幅度明顯(3.9 a 降至1.7 a);而油價差在90～140 美元·t-1之間時,靜態回收期下降相對平緩(1.7 a 降至1 a).油價差處于中高位后,脫硫系統節省的燃油費用會明顯增加,投資回收速度加快,當油價差大于140 美元·t-1時,至多運行1 a,燃油費用節省即可回收該脫硫系統運行10 a的全部投資和運行成本,且經計算,運行10 a 的折現前凈現值高達3 億元,投資回報率非常高.

雖然船舶航運市場具有周期性的波動,但整體而言,世界遠洋船舶數量一直呈增長趨勢,而高低硫油價差越大,船舶日均油耗越大,脫硫裝置的經濟性越好,因此大型遠洋船舶混合式脫硫系統具有巨大的市場潛力.

3 結論及展望

(1)混合式脫硫系統綜合了開式和閉式系統的優點,可滿足遠洋船舶在不同國家、不同海域航行時廢氣中SO2的達標排放,在技術上優勢明顯.

(2)運用全壽命周期費用分析方法,更加科學、全面地對大型船舶脫硫系統進行經濟性評價,可以得到不同航線、不同載重噸位、不同油價下船舶脫硫系統的靜態回收期和凈現值,為船東應對“限硫令”的選擇提供依據.

(3)從長遠考慮,大型遠洋船舶安裝混合式脫硫系統具有很好的經濟性,且隨著高低硫油價差的回升,混合式脫硫系統將展現巨大的市場潛力.