【船机帮】船舶发动机尾气脱硫技术

综述了船舶发动机尾气脱硫技术的研究现状，结合实船条件及政策法规对降低船舶尾气硫氧化物排放量的方法进行了比较，发现通过燃烧低硫油来降低尾气硫氧化物排放量最简单便捷，不需要安装体积庞大的洗涤塔，没有污染性液体外排，可以和脱硝主流工艺SCＲ匹配实现船舶尾气脱硫脱硝。

随着低硫油产量的增加及价格的稳定，燃烧低硫油将是船舶尾气减少硫氧化物排放量的发展趋势。

在经济全球化的驱动下，船舶运输业和制造业得到了飞速发展，各种类型、不同大小的船舶大量制造并投入运营，由此 产生的环境污染问题也日益严峻，船舶发动机尾气排放( 废气中的SOx和 NOx等) 已成为沿海地区尤其是港口大气的主要污染源。 

船舶排放的SOx主要来源于船舶动力装置( 大型柴油机) 使用的高硫重油，为了对船用柴油机排放的SOx 加以控制，MAＲPOL 公约要求，在波罗的海、北海、北美以及美国加勒比海四大排放控制区(即ECA区域) 内，船舶燃油的硫含量在2015年1月1日以后，不得超过0.1%; 在2020年1月1日以后，除排放控制区以外的全球其它海域船用燃油的最大硫含量不得超过0. 5%，至2030年，将最终提高到0. 1%。 

为了降低船舶尾气对我国沿海地区的污染程度，交通运输部于2016年1月1日出台了 《珠三角、长三角、环渤海( 京津 冀) 水域船舶排放控制区实施方案》，在珠三角、长三角、环渤海( 京津冀) 水域设立了三个船舶大气污染物排放控制区，自2018年1月1日起，船舶在排放控制区内所有港口靠岸停泊期间都要使用硫含量≤0.5%m/m 的燃油; 自2019年1月1日起，船舶进入排放控制区后，必须使用硫含量≤0.5%m/m 的燃油。

随着国际碳中和步伐，我国法规对燃油硫含量的要求肯定会日渐严格。

图 1 船舶发动机用油含硫量限值 

Fig. 1 Fuel sulphur limits of ship engine oil

船舶尾气硫氧化物排放控制法规生效迫在眉睫，在排放控制区内航行的船舶硫氧化物排放必须满足规范要求，否则将面临巨额的罚款，为了应对越来越严厉的法规，目前有三种方案可供船东选择，分别是使用低硫油、船舶尾气脱硫后处理技术和使用替代燃料 LNG。

1. 使用低硫油

为了满足硫排放控制要求，最直接最方便的方案是使用符合规范要求的低硫油，目前一些在运营船舶为了暂时应对已经生效的法规，会在船舶上同时装载高硫油和低硫油，在排放控制区外燃烧高硫油，在排放控制区或港口内切换使用低硫油，可见切换使用高硫、低硫燃油对船舶发动机影响不大，对现有发动机技术稍微改进下就可以改烧低硫油。

同时，使用低硫油不需要安装体积庞大的脱硫塔，目前Wartsila公司开发的10MW发动机脱硫塔直径为3.5 米，高度为7.9米，需要较大安装空间，且可能会导致船体高度增加，无法通过部分跨海大桥，对船舶重心也会产生影响。

然而目前低硫油产量不足，且低硫油( 含硫 0.1%) 价格比高硫油( 含硫3.5%) 高约150 美元/t，使用低硫油会增加船舶运营成本。

一旦低硫油产量提升，价格会相应下降，低硫油推广将会越来越有利。 

2. 船舶尾气脱硫后处理技术

海洋卫士®船舶尾气处理系统

国际海事组织也允许船东安装尾气清洗系统对尾气进行脱硫处理，处理后尾气硫碳比为 4. 3 则等效于使用含硫0.1%的低硫油。

船舶不同于陆地，空间狭小，消耗物料多、物料输送困难且有副产物留存的干法、半干法脱硫技术不适用，湿法脱硫技术由于消耗的物料容易输送且产物可排入大海，较适合 船舶尾气脱硫，开发成功并有实船应用的湿法脱硫技术主要有开环海水脱硫技术、电解海水法脱硫技术、闭环淡水脱硫技术、混合式脱硫技术、镁基海水法脱硫技术。

（1）开环海水脱硫技术

图 2 开环海水脱硫技术流程图 

Fig. 2 Flow chart of open loop seawater desulfurization technology

海水脱硫技术是利用海水的天然碱性来中和烟气中的SOx，广泛运用于海滨电厂烟气脱硫处理，所谓开环是指吸收后的海水直接外排，不循环使用。

海水取之不竭且脱硫效率也较高，从目前的实船实验结果来看，脱硫的效率可以达到 90%～99%，能满足IMO规范要求，因此被用于船舶尾气脱硫。

德国曼恩公司的Anders Andreasen 等通过模拟计算及实验验证，得出了发动机功率与脱硫设备海水用量的关系为 40～63m³/( MW·h) 。

10 MW发动机脱硫海水用量为400～630 m³/h， 海水泵压头约按30m计，则海水泵消耗的功率为55～75kW，约占发动机总功率的0.55%～0.75%。 

开环海水脱硫系统具有如下优点: 

用过的海水只需经过简单旋液分离器分离出 PM就可排放，不消耗其他化学试剂; 

系统所用设备少，维护方便; 

工艺流程简单稳定，操作方便。

但是吸收SOx后的外排海水 pH 值较低且含有大量杂质( 重金属、多环芳烃、未分离出的微小PM等) ，相当于将大气的污染转嫁给了海洋，长期运行会导致海洋酸化，因此，用海水作为脱硫液的脱硫设备在有些港口可能不被允许使用，美国加州就禁止在其沿海 200 海里以内运行海水脱硫系统。

其次，船舶在碱度极低的海水或者淡水中航行、海水温度过高等都会导致海水脱硫系统的脱硫效率降低或达不到规范要求。

因此，开环海水脱硫系统有一定的局限性，同时为了保护海洋环境，也不应该为了降低运行成本而安装海水脱硫系统。

（2）电解海水法脱硫技术

图 3 电解海水法脱硫技术流程图

 Fig. 3 Flow chart of electrolytic seawater desulfurization technology

由于部分海域海水碱度低，无法满足脱硫要求，通过电解海水生成pH值较高的NaOH 溶液，用此溶液喷淋脱硫可提高脱硫效果并减少洗涤液的流量。

电解海水可理解为电解NaCl溶液，阴极的产物为NaOH，可用来快速吸收船舶尾气中的 SO₂，电解反应方程式为:

2NaCl+2H₂O→Cl₂↑+H₂↑+2NaOH 电解海水法脱硫技术与开环海水脱硫技术相比，对海水碱度的依赖性要小一些，同时脱硫后外排废液pH高一些，对海水酸化影响程度小。

存在的问题是船舶电力有限，电解海水耗较大，调高pH值降低喷淋液流量减少的功耗无法抵消电解海水的功耗; 同时脱硫后溶液是直接外排，只能过滤出部分 PM，重金属、多环芳烃等有害物质无法去除，对环境还是有不利的影响。

（3）闭环淡水脱硫技术

图 4 闭环淡水脱硫技术流程图 

Fig. 4 Flow chart of closed loop fresh water desulfurization technology

为了解决开环海水脱硫系统遇到的问题，Wartsila公司开发了闭环淡水脱硫技术，该技术将50%NaOH溶液加入到循环喷淋的淡水中，提高喷淋液的pH值，用于吸收尾气中的SOx。

喷淋吸收尾气的淡水主体是循环使用的，加入的NaOH 和SOx生成的硫酸盐会导致溶液盐度上升，长时间运行会导致溶液达到饱和，析出晶体堵塞填料、喷头等，因此需要定期排出部分循环的淡水，并相应补充少量的淡水，排出的污水处理 达标后可直接排入大海。 

闭环淡水脱硫技术淡水喷淋量为10～25m³ /( MW·h) ，消耗50%NaOH溶液的量是15～16.7 L/( MW·h) ，补充淡水量为 0.1～ 0.3 m³ /( MW·h) ，相应的排出污水量也为 0.1～0.3 m³ / ( MW·h) 。

10MW发动机脱硫淡水喷淋量为100～250 m³/h， 循环泵压头约按30m计，则循环泵消耗的功率为15～45kW，约占发动机总功率的 0.15%～0.45%，喷淋泵电耗比开环海水脱硫技术低一些。

闭环淡水脱硫技术与开环海水脱硫技术相比更环保，主要是外排废液少且经过处理后才排放，过滤出的PM、重金属、多环芳烃等杂质(约1.3 dm³ /( MW·h) ) 储存在污泥柜中，等待上岸处理，实现对海洋的 “零排放”，因此运行闭环淡水脱硫技术的船舶可以在任何水域使用废气脱硫设备。

存在的主要问题是消耗淡水和 NaOH，运行成本比开环海水脱硫系统高，船舶上淡水储量有限，而且 NaOH 是危险化学品，对船员的皮肤和眼睛有腐蚀伤害的风险，必须使用专门的舱室储存。

（4）混合式脱硫技术

图 5 混合式脱硫技术流程图

 Fig. 5 Flow chart of hybrid desulfurization technology

混合式脱硫技术是开环海水脱硫技术和闭环淡水脱硫技术的结合体，主要特点是可在允许使用海水脱硫的海域运行开环海水脱硫，降低运行成本，在禁止使用海水脱硫或者海水碱度过低脱硫效果不好时，切换运行闭环淡水脱硫，提高了系统的适应性，是目前船东较倾向的脱硫系统，但是相当于安装两套系统，初期投资大一些，同时此系统长期运行开环海水脱硫，对海洋存在污染。

（5）镁基海水法脱硫技术 

图 6 镁基海水法脱硫流程图

Fig. 6 Flow chart of magnesium based seawater desulfurization technology

镁基海水法脱硫技术类似于电解海水法脱硫技术，通过向海水中添加部分Mg( OH)₂ 浆液提高溶液的pH值，提高溶液吸收SOx的能力，降低吸收液的喷淋量。

该系统同闭环淡水脱硫技术一样采用闭路循环水方式，使用海水做循环洗涤水，为了维持溶液的盐度平衡，需要不断补入新鲜海水，并排出定量的海水，外排海水的pH值没有下降很多，不会造成海水酸化。

不同于直接大流量海水吸收，镁基海水法脱硫技术外排海水量不大，可对外排海水进行处理，处理后PM、重金属、多环芳烃等杂质含量满足规范要求，因此镁基海水法脱硫设备在任何区域都可运行。

加入的 Mg(OH)₂ 浆液和海水均可以吸收 SOx，Mg(OH)₂的消耗量小一些，相对于闭环淡水脱硫技术，运行成本更低，约为闭环淡水脱硫技术的1/3。

但是 Mg(OH)₂非常易于沉积，如果直接装载Mg(OH) ₂浆液需要加入分散剂并不断搅拌抑制 Mg( OH)₂ 沉淀，Mg(OH) ₂ 溶解度很小，需要的储槽体积大于50%NaOH溶液; 现场制备 Mg(OH)₂ 浆液工艺复杂，由氧化镁粉加热水熟化产生，氧化镁溶解较慢且需要不断搅拌。

相对来说，镁基海水法脱硫技术要比其他四种脱硫技术复杂一些，可能无法实现完全无人操作。

3.使用替代燃料 LNG

液化天然气( LNG，liquefied natural gas) 主要成分是甲烷， 燃烧LNG的发动机几乎不排放SOx和 PM，同时还可减少85% ～ 90%的NOx和15%～20%的CO₂排放，可同时满足IMO规范对SOx、NOx排放的要求，是公认的绿色清洁燃料，储量丰富，价格居于高硫油和低硫油之间。 

使用LNG为燃料实现脱硫遇到的首要问题是传统的发动机无法燃烧 LNG 燃料，必须改装专门燃烧LNG的发动机，对于旧船改造来说不可行，燃烧LNG燃料的发动机及配套系统价格极其昂贵，预计会增加约1500～ 3000万美元的造船成本，远超安装脱硫塔的成本。

LNG 加注站还未普及，可能存在无气可加 的尴尬局面。

LNG 易燃易爆，当LNG以气态形式输送时必须采用双层壁的管道，双层壁管道之间的环形空间需要保持通风，并实时监测是否泄漏，可见使用LNG燃料存在很大的安全风险。

LNG的密度不到船用重油的一半，所需燃料舱是等量燃油舱的3～4倍，LNG一般在－162 ℃储存，船舶条件恶劣，震动摇摆幅度大，LNG 储罐安全维护难度大。

目前，只有部分新造船选择安装LNG发动机，其经济性取决于LNG与低硫油的价格差异及安装脱硝设备的成本，目前来说这种价格优势还不明显，因此让船东普遍接受LNG作为船舶燃料还为时过早。

海洋卫士®LNG新燃料供给系统

END