船舶尾气脱硫治理技术现状与应用

梁培生　张国政

摘 要：针对全社会对船舶尾气排放控制日益严格，而远洋船舶所燃烧的重油会释放大量的尾气，这些尾气中主要为NOX和SOX等污染物，对海洋生态环境和沿海居民的身心健康构成严重威胁。文章介绍了国内外船舶尾气处理的各种方法及其优缺点，对各项技术发展趋势、经济性和应用前景进行了分析，并提出合理选择脱硫技术的建议。

关键词：船舶；尾气；脱硫；应用

中图分类号：X736.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0155-03

Abstract： In view of the increasingly strict control of ship exhaust emission by the whole society， the heavy oil burned by ocean-going ships will release a large amount of tail gas， which is mainly composed of pollutants such as NOX and SOX. It poses a serious threat to the marine ecological environment and the physical and mental health of coastal residents. This paper introduces various methods of marine tail gas treatment at home and abroad and their advantages and disadvantages， analyzes the development trend， economy and application prospect of various technologies， and puts forward some suggestions for the reasonable selection of desulphurization technology.

Keywords： ship； tail gas； desulphurization； application

前言

隨着社会经济的迅猛发展，特别是世界经济一体化格局逐步形成，各国之间的经贸来往更加频繁，海上船舶运输价廉便捷的特点使其成为了国际贸易货物运输中的主要形式。但由于船舶发动机主要是柴油机，采用的燃料是柴油等重油，相对于其它机动车尾气，船舶排出的尾气NOx、SOx（氮化物、硫化物）浓度较高，而SOx等不仅对人的各个器官产生毒害作用，极大危害人体健康，而且形成的酸雨对地球上的树林、住宅建筑、水生动植物都造成损害。硫化物是船舶有害排放物中量最大的一种，随着国际贸易、海上船舶运输的迅猛发展，有统计表明，柴油机动力船每年向大气排放的硫化物超过950万t，正严重危害着地球这个人类生存环境的安全。

1 船舶尾气污染物成分构成与危害

柴油机尾气成分较为复杂，据测定，主要有CO、CO2、HC、PM、NOX、SOX等，其中主要污染物是NOX和SOX，被IMO列为需严格控制的船舶柴油机尾气污染物。SO2一般由燃料中的硫燃烧合成，故尾气的SO2含量仅与燃油的含硫量高低相关，与柴油机功率的大小、结构等无关。对人的身心健康和地球生态危害最大的也是SO2。而NOx则由空气中的氮气产生反应，在高压环境里燃烧而成。NOx对人体的危害主要是呼吸系统，另外还会影响大气对流层里的臭氧和OH的含量高低。因此，通常对船舶尾气的治理重点是处理尾气中的SOX和 NOX。

2 目前柴油机尾气脱硫技术

在火力发电厂，煤炭燃烧排放的烟气其脱硫技术已比较成熟，然而对于柴油机排放的硫化物的处理还处在广泛的试验探索阶段。基于船舶的特点，如可利用的空间小、淡水资源稀缺、排出烟气温度高（>230°C），体积大的处理设备无法使用，耗材和处理后的副产物也不能大量存放等，船舶尾气脱硫与其它工业烟气的脱硫工艺与技术不尽相同，必须结合其自身特点开展探索与研究。纵观国内外研究现状，基于技术的经济性和可行性以及船舶特点进行综合考量，在逐步推广的有以下几种方法：

2.1 海水脱硫法

海水脱硫原理是通过中和作用洗去烟气中的硫化物。海水一般呈碱性，其pH值的范围在7.5-8.5之间，海水中主要成分为氯化物，以及碳酸盐和硫酸盐等。一般碱度范围1.3-2.6mmol/L， 鉴于海水中的碳酸盐类物质对酸性化合物有中和和吸收效果，原因为尾气中的SO2与海水进行化合生成S032-：SO2+H2O→2H++SO32-，生成的H+的随之与海水中的碳酸根离子形成反应：H++HCO3→CO2+H2O。但由于硫酸会使海水酸度增高，导致氧的溶解量降低，对海洋生物的生长不利，所以给尾气脱硫后的海水是不允许立即排入海里的，一般需要将SO32-转化为SO42-后再排入大海。

船舶如果在大海航行，则应用海水脱硫法是最具优势的，因为海水的来源廉价而方便，但如果在内陆江河的航行，因为江河是淡水，所以要脱硫则只能在淡水中添加碳酸钠或氢氧化钠等碱性添加剂，以此使淡变成碱性，具备脱硫效果。海水脱硫法常做成开放式，海水吸收SO2后再经过曝气系统处理，满足标准要求后才能排入海洋，因而需要在船舶尾部增设曝气系统，对脱硫后的海水进行稀释、曝气处理后再排入海中。

而需要在江河和大海都要航行的船舶，则需要两种系统同时配备，随时切换使用。图1为Liean marine公司设计的混合系统。该系统与旋风除尘器类似，主发动机和辅机引擎排放的废气进入洗淋器内，进入内腔后，废气与喷嘴的喷淋液接触受到冷却并发生反应，冷却后的废气被风机加速形成旋流，进入洗淋器下方，继续与喷淋液发生作用，尾气被脱硫后从洗淋器下部的排气管里由下往上排出系统，尾气中直径较大的水滴被分离出，达到除雾效果。该系统结构紧凑，压降较低，无需额外增加除雾装置，进口与排放口有热交换过程，可减少烟羽现象。

图1 Liean marine公司混合系统

混合式系统综合了海水脱硫法和淡水中添加氢氧化钠或碳酸钠法的技术优势，以Liean marine公司混合系统为例，其处理指标为：混合式系统所需能耗占为整机总功率的1.6%，处理效能191000kg/h，脱硫率超过98%，硫化物的吸收率超过80%。可以看出，海水法脱硫技术用于船舶柴油机的尾气硫化物的治理已较为稳定成熟，整体运行可靠，治理效果也能达到国际标准要求。

2.2 干式脱硫法

干式脱硫法与海水脱硫法相比，工艺相对简单，所需能耗也低。但由于其处理后其温度仍较高，反而有利于处理物的快速扩散，避免通常的“白烟”形成，整个过程也没有污水、需要另加其它处理工艺等缺陷。其处理过程为：尾气先进行预除尘处理，然后被消石灰脱硫吸收，再在反应塔里充分混合并发生发生化学反应，尾气中的SOX与氢氧化钙进行化学反应，生成CaSO3H2O以及CaSO4等，从而达到脱除二氧化硫的目的。干式脱硫法最大制约因素是脱硫剂的供给和反应后副产物的堆积处理。干式脱硫法的特点是：对吸收剂要求高，脱硫剂利用率不高，反应后副产品多，处理和利用还比较麻烦。脱硫剂稳定性较低，需要现场配置，需要增加配置装置，因此此方法还处于实验研究阶段，还没有在实际航行船只上进行更多相关试验。

2.3 石灰石脱硫法

系利用石灰石或生石灰为化学吸收剂，把尾气中的SOX进行分离和吸收，然后将其转化为石膏类物质。其过程：先把石灰石加工成流体状，再放置于吸收塔里，与尾气混合充分，变成浓浆状，濃浆中的CaCO3与进行SO2反应，得到CaSO3，然后和空气中的氧气反应生成CaSO4，最后得到石膏物。此法虽然技术方案比较成熟，而且运行可靠，脱硫效率高，吸收剂成本低，但此法需水量较大，吸收剂的运输量大，副产物多。因此此法由于吸收剂和副产物的量较多，造成运输和堆放的不便，加上船舶上可操作空间小，实际使用并不太方便。

2.4 镁式脱硫法

镁式脱硫的方法主要以氧化镁作为吸收剂，首先在制浆器械中制得Mg（OH）2溶液，然后使之与尾气在反应塔内进行充分接触，其中Mg（OH）2与尾气中的SO2反应生成 MgSO2，MgSO2经过脱水，干燥后可做其它用途。

此法脱硫工艺所用的硬件设备与比石灰石法相比，所需空间体积小，投资费用低，脱硫剂用量少，成本低，反应时间短，工艺运行可靠，与其它方法相比，管路不易堵塞，最终反应物溶于水，MgSO2可以在大型水体或海域中可以作为无污染排放物，无需对其进行较为较为麻烦的净化处理。正是由于此原因，故镁法脱硫与钙法相比，具有较好的应用前景。

3 脱硫技术的应用

由上述可知，各种脱硫方法均有其局限性和适用范围，因此在选择时要根据船舶航行条件和原料来源难易程度选择确定适合自身条件的脱硫方式。在总体上应考虑经济、有效、安全、节约等原则，同时兼顾占地空间、可循环利用等因素，充分权衡各脱硫工艺的不同特点，既要满足MARPOL排放标准，又要因地制宜，合理选择适合自身特点的经济合理工艺。

3.1 船舶的航行区域和环境

根据船舶的航行环境和水域条件选择合理的脱硫工艺，比如干式脱硫法其效率高，工艺可靠，但系统占地面积大，形成的副产物包括石膏和废水都较难处理，因此此法有其局限性。而海水法的与之相比，工装简单、运行方便、脱硫率较高、不需加放其它化学品，因此投资小、费用低。所在区域如海水碱度合适，所在海域的环境能通过海事、环保部门的审查要求，考虑采用海水脱硫是比较经济合理的。

3.2 吸收剂的来源及副产物处理难易程度

选择合理的脱硫工艺，脱硫剂的来源和价格成本是必须考虑的一个重要因素，比如干法的原料成本高，形成的副产物处理也比较麻烦，对设备的防腐性、可靠性也有较高要求。干石灰价格较低，原料供应充足，但用量大，如果船舶载重量有限，运载不了量大的脱硫剂，就要考虑脱硫剂能重复利用的脱硫法，包括旋转啧雾法，该法所用设备占地小，脱硫剂可循环利用，可避免在航行时需要携带大量的脱硫剂及处理后的副产物等。

3.3 初期投资和年均运行费用

属于脱硫工艺经济性问题。要考虑初期投资和年均运行费用，降低不必要的成本；另外要针对自身柴油机所用燃料的含硫量高低，尽量选择前期投资小、脱硫费用低的工艺，如啧雾干燥法、海水法等。

4 结束语

综上所述，海水法和石灰石脱硫法均适合在船舶上应用，但是在实际应用时，一般需要对柴发动机的管路系统进行部分改造，同时加装反应装置。今后柴油机船舶的脱硫技术，其研发重点及发展趋势，应该是改进现有工艺，研发新技术，提高脱硫率，进一步降低成本。而研究新技术，开发新的装备，降低设备造价和运行成本是今后努力的方向。研制既能脱硫又能脱氮的处理技术，是未来发展的趋势。

船舶尾气排放形成的地球环境污染问题，正越来越引起社会各界的广泛重视，目前世界各国都已纷纷采取措施，持续投入巨资，研究开发新技术、新工艺，来满足船舶尾气治理的需要，以迅速减少船舶尾气排放，保护人类赖以生存的环境。另外，在源头上减排也被提上重要的位置，也是最根本有效的减少污染的措施，这需要在船用燃料上寻求突破，短期内仍较难有大的进展。另一方面，高效地把尾气中的多种污染物同时进行净化处理，也是未来船舶尾气净化技术的发展方向。

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