船舶廢氣脫硫脫硝工藝探究

朱翔 徐青松(武漢龍凈環保工程有限公司，湖北 武漢 430200)

0 引言

海洋運輸具有通行能力強、運輸量大、運費低廉的特點，其已經成為當前國際貿易運輸的重要方式。在海洋運輸過程中，船舶柴油機燃燒排放的廢氣以硫化物和氮氧化物為主，這些物質具有極強的污染性，其對于大氣環境危害較大，需加強船舶廢氣脫硫脫硝工藝的具體管理。

1 船舶廢氣中硫化物及氮氧化物排放控制標準

1.1 船舶廢氣硫化物排放標準

“2020 全球限硫令”對于海洋船舶廢氣硫化物排放提出了全新要求。其指出，自2020年1月1日開始，全球硫排放限額從3.5%直降到0.5%；同時沒有安裝替代設備SCRUBBER的船舶，將不被允許攜帶高硫燃油。該規定通過港口國PSC 對船舶的監管強制執行。在我國，2019年1月1日起，海船進入排放控制區，應使用硫含量不大于0.5%m/m 的船用燃油，大型內河船和江海直達船舶應使用符合新修訂的船用燃料油國家標準要求的燃油；其他內河船應使用符合國家標準的柴油(硫含量不大于10ppm)[1]。2020年1月1日起，海船進入內河控制區，應使用硫含量不大于0.1%m/m 的船用燃油。

1.2 船舶廢氣氮氧化物排放標準

MARPOL 公約中，對于氮氧化物的排放按照低速機、中速機、高速機進行劃分(見表1)。從2015年開始，低速機、中速機、高速機廢氣氮氧化物排放需在原基礎上分別下降76.38%、79.54%和74.02%[2]。

表1 船舶廢氣氮氧化物排放標準g/(kw·h)

綜上，船舶廢氣排放標準更加嚴格，有必要開展船舶廢氣脫硫脫硝工藝研究。

2 船舶廢氣脫硫脫硝工藝方法

2.1 船舶廢氣脫硫

2.1.1 船舶廢氣脫硫方法分類

按照脫硫工藝是否加水及產物干濕形態，可將脫硫工藝分為干法、半干法、濕法三種形態。根據脫硫系統中脫硫劑的循環方式不同，船舶濕法脫硫可以分為開式、閉式和混合式系統。

開式系統：指直接采用海水對廢氣進行清洗脫硫，完成脫硫后的洗滌水達標后直接排出船舷外的系統。

閉式系統：指采用堿液對廢氣進行清洗脫硫，完成脫硫后的洗滌水經補充堿液后循環進行廢氣清洗的系統。

混合系統：即將開式和閉式組合起來的系統，在不同海域/水域航行時可根據需要選擇運行開式或閉式系統，比如在公海航行時可選擇開式系統運行，而在洗滌水排放限制區域或淡水水域航行/停泊時，可選擇閉式系統運行。

在具體脫硫技術應用中，海水脫硫和堿液洗滌脫硫是兩種主要的應用形態。

2.1.2 海水脫硫

海水脫硫法系統裝置包含了煙氣系統、供排海水系統、SO2吸收系統。在實際處理中，海水具有極強的酸堿緩沖能力和強中和酸性氣體能力，在廢氣處理中，海水脫硫以天然海水作為基礎反應物，可有效去除煙氣中的SO2。

2.1.3 強堿法脫硫

強堿法脫硫在當前船舶廢氣脫硫中也有深入應用。與海水脫硫所不同的是，海水法脫硫用于開式系統，而強堿法脫硫用于閉式系統。在強堿法應用中，注重額外增加堿液供給，這樣能確保洗滌液保持在一定的堿度范圍內，氫氧化鈉溶液、氫氧化鎂等都是較為主要的堿性脫硫劑。具體應用原理如下：

強堿法脫硫與海水脫硫工藝基本相同。在實際脫硫處理中，含有硫氧化物的煙氣會從脫硫塔底部向上經過，而多層噴淋循環液會從上而下經過，兩者逆流充分接觸混合，在這一過程中，煙氣中的硫氧化物被海水吸收，剩余煙氣在經過除霧器作用后，完成脫硫排放。而就脫硫后的循環液而言，只有極少的一部分會被排放到海水中進行淡化處理，其余循環液會在循環泵的支撐下，再次循環到脫硫塔頂進行噴淋。循環液每循環都會發生溶解作用，并生成大量的和這使得循環液pH 值降至2.7～3.5，影響了實際的脫硫效率。基于此，在該脫硫過程中配置循環箱，一方面，起到補充海水的作用，另一方面，在通過管路中補充氫氧化鈉溶液或氫氧化鎂漿液等堿液，提升整體脫硫效率。

2.2 船舶廢氣脫硝

當前較為成熟的船舶廢氣脫硝技術包含了機內燃燒控制技術和機外尾氣凈化技術。

2.2.1 機內燃燒控制技術

包括：廢氣再循環技術(EGR)、濕法低氮技術(乳化燃油)和發動機優化等。其中廢氣再循環技術運用較廣，該技術可以有效的降低柴油機氮氧化物排放。主要有以下兩個原因：一方面柴油機排出的廢氣循環進入氣缸顯著降低了燃燒前氣缸中的含氧量，另一方面廢氣中含有較多的水蒸氣，降低了燃燒過程所能達到的溫度。一般EGR 可以在不影響柴油機輸出功率的情況下降低氮氧化物50%～60%的排放，但是它的使用會影響到燃燒，增加燃油耗量，廢氣中的雜質也會增加，這限制了EGR 在柴油機中的應用。

2.2.2 尾氣凈化

常用的尾氣凈化脫硝技術包含了SNCR 和SCR 兩種工藝。

SNCR(選擇性非催化還原法)，是一種經濟實用的脫硝技術，其原理是不采用催化劑的情況下，在爐膛內適宜溫度(850～1100℃)噴入尿素溶液等氨基還原劑，與廢氣中的氮氧化物反應生成無毒無污染的N2和H2O，從而去除氮氧化物。因為SNCR 脫硝效率較低，同時船舶柴油機尾氣溫度達不到SNCR適宜溫度，所以SNCR 無法用于船舶廢氣脫硝。SCR(選擇性催化還原法)：是指利用還原劑有選擇性地與氮氧化物在催化劑作用下進行催化還原反應，生成N2和H2O，具體反應原理為：

SCR 技術具有很高的脫硝效率，能夠達到TierIII 的排放要求。當然，SCR 裝置存在尺寸大、初期投資高的問題，但SCR技術可以非常有效地降低船舶柴油機氮氧化物排放，所以還是成為降低氮氧化物排放的首先技術方案。

3 船舶廢氣脫硫脫硝工藝發展趨勢

相比于單一的脫硫或脫硝工藝，煙氣脫硫脫硝一體化技術具有結構簡單、占地小、成本低、運行可靠的特點。就目前而言，SCR 脫硝+鈉堿脫硫、臭氧氧化聯合脫硫脫硝、等離子體氧化聯合脫硫脫硝、鈉堿脫硫+分子篩吸附脫硝、活性炭聯合脫硫脫硝、鈉堿脫硫+絡合脫硝等都是船舶廢氣脫硫脫硝工藝發展的主要趨勢。從處理過程來看，這些一體化技術能有效去除傳播廢氣中的硫化物和氮氧化物，實現廢氣凈化，具有良好的經濟效益和生態環保效益。

4 結語

船舶廢氣脫硫脫硝工藝對于海洋運輸產業發展和環境保護具有深刻影響。現階段，海洋運輸行業船舶管理人員只有充分掌握國際上對于船舶廢氣硫化物、氮氧化物的排放控制標準，然后進行船舶廢氣脫硫脫硝工藝改進，才能有效地提升船舶廢氣脫硫脫硝工藝應用水平，促進海洋運輸產業的可持續發展。