船舶废气脱硫脱硝工艺探究

朱翔 徐青松(武汉龙净环保工程有限公司，湖北 武汉 430200)

0 引言

海洋运输具有通行能力强、运输量大、运费低廉的特点，其已经成为当前国际贸易运输的重要方式。在海洋运输过程中，船舶柴油机燃烧排放的废气以硫化物和氮氧化物为主，这些物质具有极强的污染性，其对于大气环境危害较大，需加强船舶废气脱硫脱硝工艺的具体管理。

1 船舶废气中硫化物及氮氧化物排放控制标准

1.1 船舶废气硫化物排放标准

“2020 全球限硫令”对于海洋船舶废气硫化物排放提出了全新要求。其指出，自2020年1月1日开始，全球硫排放限额从3.5%直降到0.5%；同时没有安装替代设备SCRUBBER的船舶，将不被允许携带高硫燃油。该规定通过港口国PSC 对船舶的监管强制执行。在我国，2019年1月1日起，海船进入排放控制区，应使用硫含量不大于0.5%m/m 的船用燃油，大型内河船和江海直达船舶应使用符合新修订的船用燃料油国家标准要求的燃油；其他内河船应使用符合国家标准的柴油(硫含量不大于10ppm)[1]。2020年1月1日起，海船进入内河控制区，应使用硫含量不大于0.1%m/m 的船用燃油。

1.2 船舶废气氮氧化物排放标准

MARPOL 公约中，对于氮氧化物的排放按照低速机、中速机、高速机进行划分(见表1)。从2015年开始，低速机、中速机、高速机废气氮氧化物排放需在原基础上分别下降76.38%、79.54%和74.02%[2]。

表1 船舶废气氮氧化物排放标准g/(kw·h)

综上，船舶废气排放标准更加严格，有必要开展船舶废气脱硫脱硝工艺研究。

2 船舶废气脱硫脱硝工艺方法

2.1 船舶废气脱硫

2.1.1 船舶废气脱硫方法分类

按照脱硫工艺是否加水及产物干湿形态，可将脱硫工艺分为干法、半干法、湿法三种形态。根据脱硫系统中脱硫剂的循环方式不同，船舶湿法脱硫可以分为开式、闭式和混合式系统。

开式系统：指直接采用海水对废气进行清洗脱硫，完成脱硫后的洗涤水达标后直接排出船舷外的系统。

闭式系统：指采用碱液对废气进行清洗脱硫，完成脱硫后的洗涤水经补充碱液后循环进行废气清洗的系统。

混合系统：即将开式和闭式组合起来的系统，在不同海域/水域航行时可根据需要选择运行开式或闭式系统，比如在公海航行时可选择开式系统运行，而在洗涤水排放限制区域或淡水水域航行/停泊时，可选择闭式系统运行。

在具体脱硫技术应用中，海水脱硫和碱液洗涤脱硫是两种主要的应用形态。

2.1.2 海水脱硫

海水脱硫法系统装置包含了烟气系统、供排海水系统、SO2吸收系统。在实际处理中，海水具有极强的酸碱缓冲能力和强中和酸性气体能力，在废气处理中，海水脱硫以天然海水作为基础反应物，可有效去除烟气中的SO2。

2.1.3 强碱法脱硫

强碱法脱硫在当前船舶废气脱硫中也有深入应用。与海水脱硫所不同的是，海水法脱硫用于开式系统，而强碱法脱硫用于闭式系统。在强碱法应用中，注重额外增加碱液供给，这样能确保洗涤液保持在一定的碱度范围内，氢氧化钠溶液、氢氧化镁等都是较为主要的碱性脱硫剂。具体应用原理如下：

强碱法脱硫与海水脱硫工艺基本相同。在实际脱硫处理中，含有硫氧化物的烟气会从脱硫塔底部向上经过，而多层喷淋循环液会从上而下经过，两者逆流充分接触混合，在这一过程中，烟气中的硫氧化物被海水吸收，剩余烟气在经过除雾器作用后，完成脱硫排放。而就脱硫后的循环液而言，只有极少的一部分会被排放到海水中进行淡化处理，其余循环液会在循环泵的支撑下，再次循环到脱硫塔顶进行喷淋。循环液每循环都会发生溶解作用，并生成大量的和这使得循环液pH 值降至2.7～3.5，影响了实际的脱硫效率。基于此，在该脱硫过程中配置循环箱，一方面，起到补充海水的作用，另一方面，在通过管路中补充氢氧化钠溶液或氢氧化镁浆液等碱液，提升整体脱硫效率。

2.2 船舶废气脱硝

当前较为成熟的船舶废气脱硝技术包含了机内燃烧控制技术和机外尾气净化技术。

2.2.1 机内燃烧控制技术

包括：废气再循环技术(EGR)、湿法低氮技术(乳化燃油)和发动机优化等。其中废气再循环技术运用较广，该技术可以有效的降低柴油机氮氧化物排放。主要有以下两个原因：一方面柴油机排出的废气循环进入气缸显著降低了燃烧前气缸中的含氧量，另一方面废气中含有较多的水蒸气，降低了燃烧过程所能达到的温度。一般EGR 可以在不影响柴油机输出功率的情况下降低氮氧化物50%～60%的排放，但是它的使用会影响到燃烧，增加燃油耗量，废气中的杂质也会增加，这限制了EGR 在柴油机中的应用。

2.2.2 尾气净化

常用的尾气净化脱硝技术包含了SNCR 和SCR 两种工艺。

SNCR(选择性非催化还原法)，是一种经济实用的脱硝技术，其原理是不采用催化剂的情况下，在炉膛内适宜温度(850～1100℃)喷入尿素溶液等氨基还原剂，与废气中的氮氧化物反应生成无毒无污染的N2和H2O，从而去除氮氧化物。因为SNCR 脱硝效率较低，同时船舶柴油机尾气温度达不到SNCR适宜温度，所以SNCR 无法用于船舶废气脱硝。SCR(选择性催化还原法)：是指利用还原剂有选择性地与氮氧化物在催化剂作用下进行催化还原反应，生成N2和H2O，具体反应原理为：

SCR 技术具有很高的脱硝效率，能够达到TierIII 的排放要求。当然，SCR 装置存在尺寸大、初期投资高的问题，但SCR技术可以非常有效地降低船舶柴油机氮氧化物排放，所以还是成为降低氮氧化物排放的首先技术方案。

3 船舶废气脱硫脱硝工艺发展趋势

相比于单一的脱硫或脱硝工艺，烟气脱硫脱硝一体化技术具有结构简单、占地小、成本低、运行可靠的特点。就目前而言，SCR 脱硝+钠碱脱硫、臭氧氧化联合脱硫脱硝、等离子体氧化联合脱硫脱硝、钠碱脱硫+分子筛吸附脱硝、活性炭联合脱硫脱硝、钠碱脱硫+络合脱硝等都是船舶废气脱硫脱硝工艺发展的主要趋势。从处理过程来看，这些一体化技术能有效去除传播废气中的硫化物和氮氧化物，实现废气净化，具有良好的经济效益和生态环保效益。

4 结语

船舶废气脱硫脱硝工艺对于海洋运输产业发展和环境保护具有深刻影响。现阶段，海洋运输行业船舶管理人员只有充分掌握国际上对于船舶废气硫化物、氮氧化物的排放控制标准，然后进行船舶废气脱硫脱硝工艺改进，才能有效地提升船舶废气脱硫脱硝工艺应用水平，促进海洋运输产业的可持续发展。