船舶废气除硫系统选型介绍

刘亮　林洪山　江传平

摘 要：为满足MARPOL附则VI第三章的要求，将有更多的废气除硫系统应用于船舶上。通过调研市场上现有除硫系统种类，对比了各种系统的特点，以便于船舶根据自身的实际情况选择合适的除硫系统。

关键词：船舶；除硫系统

中图分类号：U664.12 文献标识码：A

Abstract： In order to comply with the requirement of the MARPOL Annex VI Chapter 3， more and more vessels will install the scrubber system. This paper introduces the different types of Scrubber system in the market in order that the type of scrubber will be chosen conveniently.

Key words： Ship； Scrubber system

1 背景

船舶运输在各种运输方式中占有很大一部分，因此来自船舶的排放直接影响着全球排放的总量。在全球日益关注环境保护的今天，如何减少船舶排放对环境造成的影响也越来越受到全球人们的关注。

MAPPOL公约要求在波罗的海、北海、北美以及美国加勒比海排放控制区内，船用燃油的硫含量在2015年1月1日以后不得超过0.1%；在2020年1月1日以后，全球其他海域船用燃油的最大硫含量不得超过0.5%。

目前，船舶行业对于柴油机排放相关要求的应对措施主要有三种：（1）使用低硫燃油；（2）使用LNG燃料；（3）采用洗涤塔去除排气中的硫。在此三种方法中：第一种方法最简单，但运营成本相对较高；第二种方法运营成本相对较低，但初期投入成本较大，且LNG作为易燃易爆气体对其周围的设备有防爆要求，提高了风险应对的成本，同时还受到航线LNG加注设施的限制；第三种方法船东可以继续使用高硫油，运营成本低，初期投入仅增加了一个洗涤塔的成本，对周围其他设备没有影响，而且不受任何加注设施和航线的影响。随着2020年的到来，低硫油将供小于求，预计价格会持续走高，因此装配洗涤塔来满足硫排放的要求是最好的选择。

2 废气除硫系统原理

废气除硫的化学反应原理：2NaOH + H2SO3 →Na2SO3 + 2H2O 。

也就是通过碱性物质与烟气中的含硫气体发生中和反应，以达到除去烟气中硫氧化物含量的目的。废气除硫系统包括两大部分：（1）反应部分，即为碱液与烟气发生化学反应的反应器；（2）水处理部分，即对反应后的水按分离式或膜过滤式进行必要的处理，以达到排放要求。

3 废气除硫系统的分类

废气除硫系统可按以下几种方式分类：

3.1 按洗涤塔塔体形式分类

洗涤塔塔体形式可分为干式和湿式两种。两者最主要的区别在于在洗涤塔不工作时，柴油机排出的烟气是否还能通过洗涤塔：（1）湿式洗涤塔（见图1）。其废气进口一般在塔体侧方，在洗涤塔不工作时，需将洗涤塔旁通；（2）干式洗涤塔（见图2）。其废气进口在塔体底部，在洗涤塔不工作时废气仍能通过洗涤塔排出到大气中。

关于干式洗涤塔旁通管的设置，根据DNVGL规范要求：如果多台主机共用一个洗涤塔时，每台主机排气需带有旁通管；但如果为一台主机和多台辅机共用时，则主机可不设旁通管，辅机需每台设置一路旁通管。

3.2 按除硫模式分类

根据船舶的航线及水域要求，可选择配备不同模式的除硫系统。主要分为三类：开式、闭式、混合式。

3.2.1 开式系统

开式系统为敞开系统，其原理为：通过海水泵吸入海水，再通过管路将海水喷入洗涤塔内与烟气混合，由于海水中含有一定量的碱性物质，其与烟气中SOx反应产生硫酸盐及亚硫酸盐随海水一起落入洗涤塔底部通过管路直接排出舷外（见图3）。

开式系统中反应后的水是不做任何处理直接排出舷外的，其系统原理简单、成本相对较低。但此系统有一定的局限性，如遇到限制排放水域时系统无法使用；另外，受海水的碱度影响，碱度越低所需海水量就越多、海水泵容量就越大、塔身内的喷嘴会越多，故当碱值太低时也无法达到处理要求。因此，如果确定使用开式系统时，前期需明确航行水域的碱度，一般标准设计碱值为2 200?mol/L。

3.2.2 闭式系统

闭式系统处理原理为：利用循环舱中碱性物质通过循环泵泵入洗涤塔与烟气中SOx反应，反应后的水进入循环舱后继续在内部参与循环，当循环舱出口的水的碱值达不到设定要求时，泵从反应物质舱将碱性物质溶液加入循环舱以达到碱值的要求。

闭式系统较开式系统复杂，设备也比开式系统多，还需要消耗反应物质，增加了船舶的初期投入成本及后续的船舶运营成本。

闭式系统根据反应物质的不同，可分为钠基法和镁基法两种：钠基法使用NaOH溶液作为反应物质；镁基法使用Mg（OH）2溶液作为反应物质。

（1）钠基法的主要配置为：洗涤塔、循环舱、循环泵、冷却器、NaOH舱、NaOH泵、水处理系统、油渣舱等。其处理原理如前所示，见图4。

由于循环舱的水会继续参与反应，反应后的水含有固体颗粒和油污，以及当硫酸盐及亚硫酸盐达到一定饱和度时会析出晶体，需通过水处理系统分离出循环舱水溶液的杂质及油污。同时，因为排出的渣会包含一定水分，加上系统工作时也会蒸发一些水，因此需定期向循环舱中补充淡水，为减少淡水的蒸发量，系统用冷却器降低循环水溶液的温度。

（2）镁基法处理系统原理如前所示（见图5）。它与钠基法不同的是反应物质为Mg（OH）2。由于Mg（OH）2是通过MgO与海水反应产生，因此镁基法可直接使用海水机配制Mg（OH），由于MgO的市场价格更低，所以从后续运营成本上来看，MgO更具有优势。

3.2.3 混合式系统

混合式系统（见图6）既有开式模式又有闭式模式，因此混合式系统灵活性更高。在非限排区域及海水碱值足够的区域，系统选用开式模式；在限排区域及海水碱值不足的区域，系统选用闭式模式。

虽然混合式原理更复杂、设备更多，初期的投入成本也更高，但混合式运营成本更低、灵活性更高、更经济。

3.3 水处理系统的分类

根据水处理装置的原理不同，可将水处理装置分为两类：分离机式水处理系统；膜式水处理系统。

（1）分离机式水处理系统就是用离心机来除去水中的杂质；而膜式水处理系统是通过膜来过滤废水中的杂质。相较于分离机式，膜式水处理系统产生的废渣更少，因此在船舶舱容有限时可选用膜式水处理系统。

水处理装置还有一种特殊设计，即当船舶选用EGR来满足NOx排放时，由于EGR的原理为通过废气再循环将柴油机产生的废气引入参与燃烧反应，对引入的废气需进行冲刷洗涤，产生的废水也需进行处理，这样EGR水处理装置与除硫装置的水处理单元可共用，既节省了设备和舱柜的数量，又能方便船舶的機舱布置。

以某2 000 TEU集装箱船为例，本船为满足NOx及SOx的要求，主机配备EGR、发电机组配备LPSCR来满足NOx排放要求；主机和发电机组共用的一个洗涤塔，满足SOx排放要求；其水处理装置为膜式水处理系统，当除硫装置水处理系统与EGR水处理系统共用时，膜式水处理模块为3套；当两者分开处理废水时，膜式水处理模块为5套。这种设计要注意一点是： EGR为MAN柴油机独有的设计，当EGR水处理装置与除硫装置的水处理装置共用时，该水处理装置需得到MAN的认可。

4 总结

综上所述，在船舶设计的初期需了解船东对于洗涤塔的具体需求，如航线、水域、航行周期等，以此来选择一个最优方案满足船东的需求。如船舶所航行区域为非限排区域，且水域中水的碱值足够，那么就可以选用开式系统，既满足了法规要求，经济性也更好。endprint