船舶废气处理系统中化学药剂的储存

赵 翠，周青锋，井雷雷

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引言

根据国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）的新法规，从2020年1月1日起，全球范围内的船舶燃油含硫量需从不高于3.5%降低至不高于0.5%，而在ECA排放控制区内则继续实行不超过0.1%的规定[1]。同时，IMO要求2016年1月1日以后，所有航行在NECA（氮排放控制区）区域内的新建船舶必须满足Tier Ⅲ的排放要求[2]。

为满足排放要求，除采用低硫燃油和LNG外，目前新造船舶和改装船多数配置选择性催化还原（简称“SCR”）系统来降低氮氧化物排放并安装脱硫塔来降低硫排放。SCR系统通常需要使用尿素溶液，而脱硫塔系统则需要使用NaOH溶液或Mg(OH)2溶液等化学药剂。然而这些化学药剂对储存温度及储存容器材质等储存条件均有苛刻的要求，为了保证他们在船上的安全使用，需要研究出经济、安全的储存方法。

1 尿素溶液的储存

SCR技术是目前主流的船用柴油机NOX减排后处理技术，在催化剂的作用下，通过往排气管路喷入一定量的尿素溶液，使尿素在废气高温的作用下热解、水解生成NH3并与废气中的NOX发生反应，将NOX还原为氮气和水，从而降低废气中NOX含量。在实际使用中，船舶SCR系统普遍采用40%质量浓度的尿素水溶液（AUS40）作为还原剂，标准可参照ISO 18611-1/2/3[3]。

1.1 尿素溶液的特点

尿素又称碳酰胺，化学式为(NH2)2CO，是由碳、氮、氧、氢组成的有机化合物。AUS40是由不含任何其他添加物的纯尿素和纯水混合而成的尿素含量为40%的尿素水溶液，常温下不可燃、无臭无味、无毒性、挥发性差，受热易变质，低温易结晶。常温下尿素溶液的化学性质相对稳定，在50 ℃条件下，会有少量游离氨产生。游离析出的氨气具有刺激性气味，极易溶于水，会对粘膜，如视网膜、鼻粘膜等造成损伤。

1.2 尿素溶液储存容器材料选择

尿素水溶液是一种弱碱性的液体，会与铜、铁、铝等材料发生化学反应，造成变质、腐蚀。船舶上与尿素溶液储存、驳运、日用和泄放相关的管系、舱柜及其他可能与尿素接触的部件，都应选用合适的合金钢、不锈钢、不易燃的塑料、做过防腐涂层处理的普通碳钢或其他材料。

鉴于尿素管路的尺寸相对较小，综合考虑使用寿命，建议与尿素接触管路的材质选用不锈钢316L。尿素储存舱若为独立舱柜可使用不锈钢，若为结构舱柜可考虑钢制舱柜内特涂层的做法。同时，结构舱柜的构件应尽可能的朝向舱外，保持舱内光整便于涂层操作，相关材质特点的对照分析见表1。

表1 尿素溶液储存容器材质特点分析表

1.3 尿素溶液的储存温度要求

根据ISO 18611要求，不同储存温度工况下尿素的保质期是不一样的，尿素溶液的储存温度一般为0～35 ℃。

由于过高或过低的温度会影响尿素溶液的特性（长时间高于25 ℃易分解，低于1 ℃易结晶），应根据船舶航线或作业区域以及尿素溶液的存储温度范围，为尿素储存舱配置必要的冷却或加热系统[4]。在任何情况下，尿素溶液都应避免储存在温度高于40 ℃的环境中。当船上布置无法满足相应环境温度条件时，可采取的冷却方法如下：

1）如船上设有冷媒水机组单元，则可使用此单元冷却尿素溶液。

2）直接使用不超过32 ℃海水冷却尿素溶液至35 ℃（储存周期不超过6个月）。

3）在尿素舱与机舱的限界面所在区域增加通风量。

4）尽可能将尿素舱布置在可与海水接触且在水线下的区域，以有效的控制尿素舱温度。

5）与高温区域接触面铺设绝缘，有效降低温升速率。图1是某LNG船尿素舱包覆绝缘后的温升曲线，可以发现11 d后尿素舱溶液温度从35 ℃升到36 ℃，之后趋于平缓，温度基本稳定在36 ℃。

图1 尿素溶液储存舱绝缘的有限元分析

另外尿素溶液的冰点为0 ℃，为了防止管路结晶，可采用以下方法：

1）考虑航区环境，确定是否需要配备电加热器，如需要，可设置铺设在箱柜表面的电伴热系统。

2）采用独立的热水加热系统为尿素舱加热（适用于高冰级船）。

3）在尿素系统长时间不使用时，可采用淡水将尿素溶液从管路中置换出来，防止尿素结晶堵塞管路。

1.4 尿素溶液储存方案

如果船舶航行在不同地域且温差较大，尤其是在热带地区进行航行的情况，为了维持尿素溶液的活性，需保证溶液温度在一定的适用范围之内。为此尿素舱可设隔离空舱，在舱壁增加绝热包覆，并在舱内配备冷却盘管。考虑到冬季机舱的环境温度通常高于5 ℃，设计时做好尿素舱与水舱、油舱及露天的隔离，同时可在尿素舱附近设有空间加热器以备不时之需。

某型化学品船，尿素舱布置在机舱后部，未与机舱直接相连，同时与外板隔有一定的距离，各个面布置有绝缘包覆，见图2。

在设计阶段对尿素舱的散热进行计算，以便选取合适的位置。实船布置时还需考虑建造时期的舱内喷涂特殊防腐漆的工作，以及营运保养时期的舱内清洁工作。

2 NaOH溶液的储存

在脱硫塔内，向柴油机等设备排出的尾气喷入碱性溶液，硫氧化物会溶解于洗涤水中，从而清除排向大气中的硫氧化物。目前采用的碱性溶液主要有NaOH溶液和Mg(OH)2溶液，NaOH溶液腐蚀性较强，药剂成本较高。

图2 某化学品船尿素储存舱布置

2.1 NaOH溶液的特点

氢氧化钠也称烧碱，化学式是NaOH，与酸发生中和反应并放热。固碱易潮解，遇潮时对铝、锌和锡有腐蚀性，并放出易燃易爆的氢气。不会燃烧，遇水和水蒸汽大量放热，形成腐蚀性溶液。其健康危害为：有强烈刺激和腐蚀性。粉尘刺激眼和呼吸道，腐蚀鼻中隔；直接接触皮肤和眼可引起灼伤；误服可造成消化道灼伤，粘膜糜烂、出血和休克。

2.2 NaOH溶液储存容器材料选择

碱液储存、驳运相关的管系、舱柜、承滴盘或其他可能与溶液接触的任何部件，禁止使用铝、锌、铜或镀锌钢等材料。碱液舱和管道可使用不锈钢、涂层钢、聚合物或其他合适的材料。船上布置时，碱液储存舱通常为结构舱柜，舱室内表面可以采用多道环氧树脂保护，管子和阀件推荐采用不锈钢（SUS316L）材质。

2.3 NaOH溶液的储存温度要求

目前，多数厂商采用50%的NaOH溶液（简称碱液）作为闭式或混合式脱硫系统的中和介质。为了在储存及输运过程中使溶液维持在规定的温度范围内，应设有合适的温度控制措施，防止温度低时产生结晶影响使用，或者温度高时导致材料过度腐蚀。

由于50%的NaOH溶液在12 ℃以下开始结晶，碱液舱和管路需进行保温并设加热装置，加热方法有：

1）采用低温冷却水（36 ℃）加热碱液至30 ℃，该方法加热时间长，但可避免加热温度过高导致腐蚀。图3为某化学品船碱液舱的热损失，根据热损失可估算加热盘管的长度。

图3 某化学品船碱液舱的热损失

2）采用电加热，该方法加热时间短，但需要监控，以避免局部过热从而加速腐蚀速率。图4为某集装箱船使用的浸入式加热器，带温度监控装置。加热管由不锈钢管加热元件构成，水平安装于碱液舱上。

图4 法兰连接式电加热器

3）采用蒸汽加热，由于蒸汽温度过高，一般不推荐该方法。碱液的腐蚀破坏，最典型的就是碳钢的应力腐蚀开裂，即通常所说的“碱脆”。实际上，对于50%的碱液，碳钢的应力腐蚀约在49 ℃以上时就会发生。因此，船上碱液的理想储存温度为27～37 ℃，加热温度不宜超过49 ℃。

2.4 NaOH溶液储存方案

图5为某化学品船的NaOH溶液储存舱，布置在机舱二甲板舷侧。为了安全及方便保温，与周围其他舱室设置隔离空舱。舱内布置加热盘管，加热介质为低温冷却水，加热盘管采用对接焊形式，且对接焊完成后需进行清洁，酸洗钝化等流程。舱室内表面钢板做特涂处理，外部做绝热包覆。

箱柜的涂装问题需要格外注意，进行施工前需与船东确认工艺流程，经过认可后方可进行下一步施工。另外，规范要求对该类设备布置的就近区域安装安全淋浴和洗眼设备。

图5 某化学品船NaOH储存舱布置

3 Mg(OH)2溶液的储存

Mg(OH)2溶液药剂成本较低，通常是使用氧化镁固体磨成超细粉末，与水、添加剂等混合成料浆，配成一定浓度的Mg(OH)2溶液（简称浆液）。利用循环泵将浆液喷入吸收塔，使气/液充分混合，从而降低废气中的硫含量。

3.1 Mg(OH)2溶液的特点

氢氧化镁又称苛性镁石、轻烧镁砂等，化学式是Mg(OH)2，为白色晶体或粉末。溶于稀酸和铵盐溶液，几乎不溶于水和醇。水溶液呈弱碱性，对眼睛、呼吸系统和皮肤有刺激性。

目前船上大多采用浓度53%的Mg(OH)2溶液作为脱硫剂，其密度为1 440 kg/m3，PH值为10。但有厂家指出在溶液浓度高于30%时，即使使用用泵循环搅拌也会沉淀。氢氧化镁浆料的物性比较可见表2，可以发现固含量为20%～30%的浆料，可常温长期储存，流动性好，黏度适中，适于泵送。

表2 氢氧化镁浆料物性比较

3.2 Mg(OH)2溶液储存容器材料选择

对于输送存在硫化氢腐蚀或浆液介质的管道和阀件推荐采用不锈钢材质，以确保装置长周期运行。船上布置时，Mg(OH)2溶液储存舱通常为结构舱柜，由于其碱性较弱，可直接在钢质液舱内表面涂上特殊防护漆后储存。

3.3 Mg(OH)2溶液的储存温度要求

Mg(OH)2溶液是一种稳定的水悬浮液，最小储存温度为4 ℃。一般推荐的储存温度为20～30 ℃，且储存于阴凉干燥、有防护设施的区域。遵循同等安全原则，储存要求考虑满足碱液的相关要求[5]。

图6 某船浆液舱沉淀情况

由于浆液溶解度低，非常易于沉淀（见图6），容易造成管路堵塞，浆液舱应设有防沉淀装置。常见的防沉淀措施如下：

1）浆液循环泵

为防止氢氧化镁浆液舱内氢氧化镁颗粒沉淀，采用浆液循环泵组（见图7），通过浆液的循环造成的扰动防止颗粒物沉淀。

2）压缩空气搅拌

向浆液舱中通入压缩空气（见图8），通过气体搅拌作用防止氢氧化镁颗粒的沉降。

图7 安装浆液循环泵

图8 压缩空气搅拌

3）淡水反冲洗功能

当闭式系统停止时，采用淡水冲洗浆液加注管路和浆液舱吸口（见图9），防止浆液停留在管路中，致使浆液沉淀造成管路堵塞。

图9 淡水反冲洗

另外，可以在浆液中添加防凝固剂等，能够有效地防止浆液沉淀。

3.4 储存方案

浆液舱设防沉淀装置和舱室的大小、形状也有关。为防止沉淀堆积，将搅拌泵安装在舱室的最低点，防沉淀进口管则设计在舱室的最高位置，和浆液的出口管呈对角布置。另外，设计结构时应尽可能保证药剂舱底部甲板面的平整，底部不设加强筋，加强筋布置在舱室侧面且最好在外部。

4 结论

随着国际社会对船舶污染问题的关注，船舶废气排放标准越来越严格，合规燃料价格过高，安装排放控制系统则成为了多数船东的优先选择。由于废气处理系统中的化学药剂本身具有有毒、腐蚀、易挥发、容易结晶等特点，加之系统的功能性要求，这对药剂的储存也提出了很高的要求。化学药剂可能对人员和设备造成一定危害，属于危险品，因此合理储存化学药剂对船舶安全航行和船上人员健康有着重大的意义。