原油運(yùn)輸中VOC 的回收

王雪

（南通中集太平洋海洋工程有限公司船舶開(kāi)發(fā)部，上海 200052）

近年來(lái)，雖然經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)有所放緩，但全球原油海運(yùn)量仍然逐年上升，2021 年全年的原油海運(yùn)量高達(dá)19 億噸，參與運(yùn)輸?shù)脑洼喖s為2900 艘。如何控制海運(yùn)造成的環(huán)境污染，已成為全球各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，其中油船揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）排放也受到了越來(lái)越多的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，挪威VOC 的年排放量為350,000 噸，其中約200,000 噸由穿梭油輪及其它原油運(yùn)輸船所排放。為了保護(hù)環(huán)境，減少全球（VOC）排放刻不容緩，同時(shí)減少VOC 排放也減少了船東的貨損，增加了經(jīng)濟(jì)效益。由于VOC 回收裝置高昂的投資成本，導(dǎo)致安裝主動(dòng)VOC 回收裝置的原油運(yùn)輸船少之又少，一種主要用于回收原油船在裝卸和運(yùn)輸過(guò)程中排放揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）的新型船舶進(jìn)入大眾視野。

1 原油運(yùn)輸中揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）的形成及特性

對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）這一概念，不同的國(guó)家不同標(biāo)準(zhǔn)有不同的定義：

比如，世界衛(wèi)生組織（WHO）對(duì)VOC 的定義為熔點(diǎn)低于室溫而沸點(diǎn)在50～260℃之間的揮發(fā)性有機(jī)化合物的總稱；美國(guó)聯(lián)邦環(huán)保署（EPA）將VOC 定義除CO、CO2、H2CO3、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨以外任何參加大氣光化學(xué)反應(yīng)的碳化合物。

本文討論的揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）僅限于MARPOL Annex VI Reg15 中涵蓋的由油船在運(yùn)輸及裝卸貨時(shí)排放的部分。

原油船VOC 的主要成分為甲烷氣體和非甲烷氣體NMVOC（Non Methane Volatile Organic Compounds），其中甲烷是一種溫室氣體，對(duì)大氣溫室效應(yīng)的影響高于二氧化碳，而 NMVOC 中含有的多種成分和大氣中的氮氧化物在陽(yáng)光（特別是紫外線）的作用下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生光化學(xué)氧化物和PM 等污染物，形成“光化學(xué)污染”。光化學(xué)氧化物主要包括醛和臭氧等有害物質(zhì)，其對(duì)人體的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其成因物NMVOC，而PM 則是形成霧霾天氣的主要原因之一。

原油船在裝油，卸油及運(yùn)輸過(guò)程中，由于艙內(nèi)的液位變化，船體運(yùn)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)氣體空間的壓力變化而導(dǎo)致油蒸汽的產(chǎn)生，由于VOC 屬于原油中的輕質(zhì)部分，此時(shí)更容易從原油中揮發(fā)出來(lái)，當(dāng)艙內(nèi)的氣體空間的壓力值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，VOC 就會(huì)隨蒸汽一起排放到大氣當(dāng)中，造成大氣污染。

2 原油船VOC 的控制排放標(biāo)準(zhǔn)

2.1 國(guó)際海事組織（IMO）

根據(jù)MEPC.176(58)決議修訂的MARPOL73/78 附則Ⅵ第15.6 條的規(guī)定，載運(yùn)原油的液貨船舶，應(yīng)備有并實(shí)施經(jīng)主管機(jī)關(guān)或授權(quán)組織批準(zhǔn)的VOC 管理計(jì)劃，計(jì)劃應(yīng)根據(jù)IMO 制定的相關(guān)指南編寫(xiě)，管理計(jì)劃的要求已于2010 年7 月1 日起實(shí)施。為此，IMO 2009 年7 月17 日批準(zhǔn)了《VOC 管理計(jì)劃編制指南》，即MEPC.185(59)，具體的技術(shù)細(xì)節(jié)可參考MPEC.1/Circular.680。

VOC 管理計(jì)劃的主要目的是通過(guò)優(yōu)化操作程序以最大限度減少VOC 的釋放，以及利用裝置、設(shè)備或設(shè)計(jì)的改變防止或最大限度減少VOC 排放。

優(yōu)化操作程序主要通過(guò)貨艙的手動(dòng)壓力釋放程序，高速透氣閥的日常維護(hù)，管子及艙蓋墊圈的狀態(tài)檢查，惰性氣體的注入程序，裝載順序，流速和艙內(nèi)液位控制等方面來(lái)減小VOC 的排放。具體可參見(jiàn)以上指南文件，本文不再贅述。

2.2 歐盟

歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)在1999 年的哥特堡草案中決定2010 年之前將NMVOC 的排放量在 1990 年的基礎(chǔ)上減少30%。

2.3 美國(guó)

美國(guó)于1990 年要求在美國(guó)國(guó)內(nèi)碼頭卸貨的原油船需安裝蒸汽排放控制裝置(USCG 46 CRF Part 39),并在各裝船港口配備VOC 接收裝置，目前，美國(guó)海岸港口已禁止沒(méi)有油氣收集系統(tǒng)的船舶?？?。IMO 1992 年頒布的MSC/Circ.585 參考了USCG 標(biāo)準(zhǔn)，1997 年MARPOL ANNEX VI reg15 涵蓋了MSC/Circ.585 并使之成為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。

3 利用裝置、設(shè)備減少VOC 排放

VOC 回收一般有兩種方法，即主動(dòng)和被動(dòng)回收技術(shù)。

被動(dòng)式回收裝置中最為人所知的是KVOC 系統(tǒng)，其基本原則是在油艙內(nèi)安裝一個(gè)依據(jù)裝載速率設(shè)計(jì)的額外的注入管，以降低注入時(shí)的貨油流速，從而保持貨艙內(nèi)飽和蒸汽的體積，以減小VOC 的排放。

主動(dòng)VOC 回收包括運(yùn)用壓縮冷凝原理，吸收原理，吸附原理來(lái)進(jìn)行VOC 的回收：

3.1 凝結(jié)回收系統(tǒng)

該系統(tǒng)的工作原理與LPG 運(yùn)輸船的再液化裝置類似。通過(guò)VOC 回收裝置里的壓縮機(jī)、冷凝器以及分離器，VOC 被冷凝、加壓后存儲(chǔ)在液態(tài)儲(chǔ)存罐中。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善成熟，VOC液化后可以作為燃料被鍋爐、主機(jī)等使用。

圖1 凝結(jié)系統(tǒng)

3.2 吸收回收系統(tǒng)

系統(tǒng)的主要設(shè)備是吸收柱。油艙內(nèi)的VOC 蒸汽和惰氣混合物被壓縮機(jī)加壓后，從吸收柱底部進(jìn)入；一部分原油被油泵從裝油主管路上的支路吸入，加壓后從吸收柱上部進(jìn)入，吸收逆流的VOC 蒸汽，然后從管柱底部回到裝油主管路上，與裝載原油混合后進(jìn)入油艙內(nèi)；未被吸收的氣體（主要成分為惰氣）通過(guò)貨油透氣桅桿排放至大氣。

圖2 吸收系統(tǒng)

3.3 活性炭吸收系統(tǒng)

系統(tǒng)的主要設(shè)備是炭過(guò)濾器、真空泵和吸收器?；竟ぷ髟硎翘空婵瘴郊夹g(shù)，首先由炭過(guò)濾器過(guò)濾吸收艙內(nèi)產(chǎn)生的油氣；隨后該炭過(guò)濾器由一個(gè)真空泵降壓再生，以恢復(fù)其吸附能力，并在下一環(huán)節(jié)吸附油氣；最后所釋放出來(lái)的高濃油氣進(jìn)入吸收器，被艙內(nèi)來(lái)的原油吸收后返回到艙內(nèi)。

圖3 活性炭吸收系統(tǒng)

表1 VOC 回收方式比較

4 壓縮冷凝VOC 主動(dòng)回收裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

本文將著重介紹壓縮冷凝原理的回收裝置，該回收裝置一般由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：

（1）氣體清潔系統(tǒng)：去除VOC 攜帶的所有雜質(zhì)，包括從貨艙中剝離的鐵銹。

（2）壓縮系統(tǒng)：清潔后，VOC 需要以液體形式壓縮。

（3）氣體冷凝系統(tǒng)：冷凝分為兩個(gè)階段：第一階段為冷凝和干燥：去除淡水/海水；第二階段冷凝：丙烯。

典型的系統(tǒng)框圖如下，市面上也有成熟的系統(tǒng)甚至撬塊可供選擇，如瓦錫蘭的VOC 回收撬塊：

圖4 主動(dòng)回收系統(tǒng)布置

5 VOC 回收船

5.1 目前在油船港口安裝主動(dòng)VOC 回收裝置的難點(diǎn)

（1）很多碼頭為非油船專用碼頭，回收裝置利用率低。

（2）很多碼頭離市區(qū)距離近，環(huán)境評(píng)估通過(guò)難度高。

（3）如需嚴(yán)格控制VOC 排放，只能選擇壓縮冷凝系統(tǒng)，投資高，回報(bào)低，壓縮冷凝系統(tǒng)的初期投資高達(dá)一千萬(wàn)美元左右。

在此背景下，移動(dòng)式VOC 回收裝置的概念應(yīng)運(yùn)而生。由于VOC 處理裝置的大小和油船的裝卸速率相關(guān)，中大型油輪的移動(dòng)回收裝置的選擇只能是VOC回收船。目前的VOC 回收船一般是將具有動(dòng)力定位能力的近海供應(yīng)船的船體加裝VOC 回收裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)油輪的VOC 回收及再利用。VOC 回收系統(tǒng)可以回收VOC 排放物，并使用液化后的VOC（LVOC）作為船上電力燃料，或回注回油輪，或?qū)VOC 存儲(chǔ)在船上的儲(chǔ)罐中，再回卸到岸上的收集設(shè)施。這種設(shè)計(jì)能在裝卸過(guò)程中完全回收排放的VOC 氣體，并取代了傳統(tǒng)燃料，從而減少原油油輪的整體碳排放。

VOC 排放物在經(jīng)過(guò)清洗，壓縮和冷凝后，最終形成沒(méi)有被液化的（SVOC）和被液化的（LVOC）。SVOC 會(huì)作為燃?xì)廨啓C(jī)或帶有渦輪發(fā)電機(jī)組的鍋爐的燃料，用于發(fā)電。而LVOC 將與液化天然氣混合，為主輔助發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料，并產(chǎn)生電力和惰性氣體（在碼頭卸載時(shí)）。

對(duì)VOC 回收船的一般要求如下：

船舶需要具備動(dòng)力定位能力（2 級(jí)以上更好），具備與原油船/穿梭油輪一起以動(dòng)力定位模式執(zhí)行VOC回收操作。

甲板下需要布置一個(gè)裝載LVOC 的貨艙，考慮一定的經(jīng)濟(jì)性，通常罐子容積可裝載回收3-4 條原油油輪釋放的LVOC。

通常LVOC 儲(chǔ)罐為type C 類型的罐子，需要根據(jù)貨品類型保持一定的壓力值，且滿足IGC 規(guī)范的相關(guān)要求。

該船需要配備有快速釋放能力的蒸汽回流軟管以對(duì)接原油油輪和VOC 船上的回收裝置。

具備一定的甲板面積，以安裝VOC 回收單元。

配備用于儲(chǔ)存沉淀物的緩沖罐。

5.2 工作原理

（1）由原油油輪的歧管吊連接到蒸汽回流歧管。

（2）動(dòng)力定位傳感器可以保持裝有VOC 回收裝置的平臺(tái)供應(yīng)船和連接了軟管的原油油輪在任何時(shí)間保持安全及位置恒定，當(dāng)原油油輪與連接著歧管的吊一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，平臺(tái)供應(yīng)船將保持相對(duì)于原油油輪的精確定位。

（3）在原油油輪一邊的軟管將配備盲板法蘭，另一邊平臺(tái)供應(yīng)船的接頭需要帶有集成快速釋放的能力，以便在緊急情況下可以快速釋放。

（4）當(dāng)軟管被安全的連接到原油油輪的歧管上時(shí)，VOC 開(kāi)始通過(guò)軟管被輸送到平臺(tái)供應(yīng)船，此時(shí)原油油輪上的立管閥將被關(guān)閉。

（5）VOC 經(jīng)過(guò)處理后，清潔的氣體會(huì)進(jìn)入緩沖罐。

（6）清潔的VOC 進(jìn)入由兩個(gè)壓縮機(jī)組成的回收裝置，碳?xì)浠衔锉环譃閮蓚€(gè)階段進(jìn)行液化：第一階段，去除海水；第二階段：冷凝釋放碳?xì)浠衔镏休^重的部分進(jìn)入船上的壓力容器罐中，LVOC 是一種輕烴燃料，可用作發(fā)電模塊和惰性氣體發(fā)生器單元中的清潔燃料。

（7）較輕的不能冷凝的碳?xì)浠衔铮ㄊＳ郪OC-SVOC）被送入回收系統(tǒng)的發(fā)電模塊，確保100%的VOC 回收率和零排放。

（8）當(dāng)裝載完成，軟管斷開(kāi)連接，儲(chǔ)存在軟管卷盤(pán)中。

（9）此時(shí)平臺(tái)供應(yīng)船可以在原油油船單點(diǎn)系泊的附近作為拖船使用。

6 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

6.1 適用規(guī)范

目前船級(jí)社尚未頒布適用的專用船級(jí)符號(hào)，一般按照工程船入級(jí)。由于船上有用氣體作為燃料，且有裝載液化氣他的獨(dú)立液罐，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，布置要求，隔離要求也需要參考IGC 和IGF 的相關(guān)要求。

6.2 電站的配備

裝卸過(guò)程中不能冷凝的碳?xì)浠衔飼?huì)持續(xù)送入汽輪機(jī)中以提供需要的電力；當(dāng)單靠汽輪機(jī)不足以提供船上需要的電力時(shí)，船上的柴油發(fā)電機(jī)需啟動(dòng)并網(wǎng)以保證提供全船用電；當(dāng)裝卸油完成，氣輪機(jī)斷開(kāi)，此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)需提供全船的電力需求；由于汽輪機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、并網(wǎng)的頻率比較高，配備電池PI 系統(tǒng)可保證電力系統(tǒng)的平穩(wěn)供電，也能使柴油發(fā)電機(jī)工作在燃油經(jīng)濟(jì)點(diǎn)。

6.3 船體穩(wěn)性及破艙

由于本船大部分的回收模塊，緩存艙和氣輪機(jī)均布置在甲板以上部分，因此船體重心會(huì)較高，給完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性帶來(lái)一定的難度。

此船是作為回收液化氣體的海工輔助船使用，在破損時(shí)首先需要滿足MSC235(82)的破艙穩(wěn)性要求，其次需要滿足散裝運(yùn)輸液化氣體船（IGC）的相關(guān)破艙穩(wěn)性要求。分艙上會(huì)有一定難度，部分活動(dòng)區(qū)域會(huì)比較狹小。

表2 MSC235(82) &IGC 破損范圍對(duì)比表

7 VOC 回收船缺點(diǎn)

作為新的概念設(shè)計(jì)，減少VOC 的排放可以有益于我們的環(huán)境和氣候，也有助于可持續(xù)的利用能源。但是從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，VOC船的造價(jià)高是可以遇見(jiàn)的缺點(diǎn)，無(wú)論是甲板上的VOC 回收模塊，甲板下的LVOC 壓力儲(chǔ)罐，還是船上的氣輪機(jī)和電池組都會(huì)使整船價(jià)格偏于昂貴，然而靠回收VOC 帶來(lái)的效益會(huì)相對(duì)較低，也會(huì)相對(duì)較慢，保守估計(jì)至少需要3-5 年的時(shí)間才能收回成本。過(guò)去兩年油價(jià)波動(dòng)幅度大，那么這種高造價(jià)的新型船舶，是否會(huì)吸引船東的眼球，還有待于進(jìn)一步觀望。