过渡时期的船舶脱硫技术

孙裔学 刘太民 杨柏枫 泉州师范学院交通与航海学院

1.引言

随着航运业的发展，由船舶废气造成的空气污染问题日趋严重，为此国际海事组织出台了一系列的法规，自“2020限硫令”生效两年以来，各国船东通过综合考虑，在旧船改造和新船建造方面纷纷做出了不同的应对措施。其中安装废气脱硫装置是一种相对较受船东欢迎的应对方案。

目前，国内外生产废气脱硫装置的厂家很多，废气脱硫装置在使用中出现了一些问题，如腐蚀和结垢问题，一定程度上影响了废气脱硫装置的脱硫效果，也增加了轮机员在日常维护管理中的负担。这是本文要讨论的主要内容，也是今后废气脱硫装置在市场上能否继续受到船东和船员欢迎的关键。

2.限硫措施

“2020限硫令”要求，自 2020年1月1日起，在全球范围内实施船用燃油硫含量不超过 0.5%m/m，在排放控制区不超过0.1%m/m的规定。具体的应对措施主要有三类：第一是采用LNG燃料；第二是使用低硫燃油；第三是安装废气脱硫装置。

2.1 LNG燃料

LNG燃料是满足限硫令的理想燃料，但LNG燃料目前面临成本、安全、供应、储存空间等诸多问题也是影响其发展的重要因素。同时，LNG燃料不能满足IMO制定的2030年碳排放强度降低40%的减排目标，给使用LNG动力船舶的船东带来了后顾之忧。

2.2 低硫油

低硫燃油在进入市场以来，因其性能差异，导致在使用中存在着许多安全隐患。所以也要求相关机构加强对生产低硫燃油企业的管理，保证低硫燃油的质量。除此之外，低硫燃油的价格与供应问题也是船东选择的重要依据。

2.3 废气脱硫装置

废气脱硫装置简称脱硫塔，脱硫塔通过海水洗涤废气可以有效降低废气中硫氧化物的排放，可以满足“2020限硫令”的要求。虽然脱硫塔的初期投入也比较大，但可以继续使用价格相对便宜的高硫燃油，2019年限硫令生效前期，高硫燃油相对与低硫燃油价格有较大的优势，国际船东综合考虑经济效益和现有技术，比较倾向于通过安装脱硫塔来满足限硫令要求。根据中国船舶工业行业协会修船分会的数据，2019年上半年，中国修船行业总计完成脱硫塔改装项目超过400台套，手持订单1100台套。据克拉克森数据统计，截至2020年底，共3802艘船舶安装脱硫塔。然而意想不到的疫情席卷全球，加上某些国家石油价格战的影响，大大缩小了高硫燃油与低硫燃油的价格差异，脱硫塔在成本上的优势不复存在，因此许多船东决定搁置或者暂时延迟脱硫塔的安装计划，临时使用低硫燃油来满足限硫令的要求。脱硫塔自进入市场以来，虽然可以满足限硫令的要求，但其环保性一直受到各方的争议，特别是开式脱硫塔。

综上所述，应对“2020限硫令”的三种方案各有利弊，各国船东综合考虑各方因素，各有各的选择，同时也是各有各的困扰。以脱硫塔为例，因其类型多样，厂家繁多，以致于令许多船东在选择时举棋不定。

3.脱硫塔的类型

3.1 开式

开式脱硫塔利用海水中的碱性，直接通过海水对废气进行清洗，吸收其中的硫氧化物，同时也清洗了废气中的部分颗粒，然后将海水排出舷外。开式系统因其结构简单，安装与维护相对方便，更受船东的青睐。然而其排放的洗涤水中含有未被海水中和的硫氧化物、废气中吸收的颗粒、重金属以及硝酸盐等污染物，越来越引起环保人士的关注，他们认为开式脱硫塔是把污染从空中转向海洋，基于此种观点，许多国家和地区已经立法禁止或限制开式脱硫塔洗涤水的排放。但是开式脱硫塔也有支持者，他们认为海洋中本来就含有硫，而且存在广泛，开式脱硫塔排放的洗涤水完全在环境的容许范围内，至少短期内不会对海洋环境造成不可接受的后果。

3.2 闭式

闭式脱硫塔通过在洗涤水中添加碱性添加剂，吸收并中和废气中的硫氧化物，洗涤水处理后再循环进行废气清洗。闭式系统将硫氧化物最终转变成无机盐，洗涤水不直接排放到舷外，不仅减少了大气的污染，也减少了海洋的污染，是相对更环保的脱硫方案。然而闭式脱硫塔的安装与运营成本相对较高，碱性药物的投放和洗涤水的处理都加重了操作人员的工作负担。

3.3 组合式

组合式脱硫塔是将开式和闭式组合在一起，结合不同海域的要求不同，选择不同的运行方式。既能通过闭式系统满足一些排放控制区的要求，也能通过开式系统减少碱性药剂的使用成本。然而组合式脱硫塔的设备相对更多，系统更复杂，需占用更大的机舱空间，为机舱的建造或改装增加了工作难度。

各国船东通过综合考虑三种脱硫塔的各种利弊，目前选择最多的还是开式系统，同样问题最多、争议最大的也是开式系统。

4.开式脱硫塔的主要问题

开式脱硫塔的厂家很多，国内厂家有威海普益、武汉晶源、上海蓝魂等，国外厂家有PureteQ、Alfa Laval、YAR A等。由于进入市场不久，不管国内厂家，还是国外厂家，开式脱硫塔在使用过程中都存在一些亟待解决的问题。

首先，由于脱硫塔的处理水腐蚀很大，出海管路及传感器的头部很容易被腐蚀。

其次，脱硫塔内部汽水接触的地方很容易结水垢，由于水垢的存在，需要定期地清理，各个挡板也要定期地开关活络，不然会开关不到位，导致开关失败。

再次，由于需要定期检查喷嘴是否堵塞，要么人进去内部检查，而内部又没有可以攀爬的梯子，要么只能把喷嘴管子拆出来，同时还要更换垫片，即费时又费力。

5.开式脱硫塔的改进方案

5.1 管路腐蚀问题

由于经过脱硫塔的海水吸收了几乎全部的硫氧化物，其处理后的水酸性很强，普通的钢管难以承受其酸性引起的腐蚀，因此为了避免腐蚀，船舶脱硫塔的排出管路使用的是玻璃纤维增强环氧树脂管，即Glassreinforced expoxy简称GRE管，GRE玻璃钢管是由环氧树脂基体、高强度玻璃纤维及其它辅助材料通过缠绕工艺而制成。GRE管与其它防腐措施相比，综合成本低，维护方便，经济效益好。

然而，GRE管是非金属管道，不能与船体焊接在一起，因此在与船体相连的一段出舷短管只能选用耐腐蚀性相对较好的钢管。对于这一段钢管的防腐蚀问题也是各厂家关注的重点，各厂家都在积极寻求合理的解决方案。主要的应对措施有以下三种：

第一，如 PureteQ厂家生产的开式脱硫塔，在针对处理水的酸性问题上对管路系统做了一定的改进，可以相对有效的解决出海管路的腐蚀问题。其具体措施是从中央冷却器出海管引出一路冷却海水通过脱硫塔处理水管路出海，通过冷却水的稀释作用，可显著降低处理水的酸性，根据化验结果显示，可将处理水的pH值从2.4提升到5.1。

第二，在出舷短管内部涂装耐腐蚀材料，如乙烯酯玻璃鳞片和酚醛环氧等。乙烯酯玻璃鳞片涂料是一种具有耐化学性极好、快速固化等特点的超厚浆型防护涂料。其原理是不饱和聚酯在引发剂的作用下，跟苯乙烯发生自由基聚合，最终固化形成涂膜。适用于适当处理的碳钢底材表面。玻璃鳞片彼此平行或者重叠排列，形成一道防止介质扩散的屏障，迫使介质迂回渗入，延缓和增大腐蚀介质到达基体表面的时间和阻力，延长了基体的使用寿命。添加的玻璃鳞片还有极佳的耐磨性能。由于高固体含量涂料所含的挥发性溶剂很少，减少了固化过程溶剂挥发造成的缺陷和针孔数量，进一步提高了涂层的防腐性能。酚醛环氧固化后交联密度高，拥有良好的防腐性、耐化学品性、耐热性和耐磨性。

第三，直接选用耐腐蚀性更好的双相不锈钢，双相不锈钢由铁素体和奥氏体两相组成，通常双相不锈钢铁素体含量的质量分数为40%～60%。它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点腐蚀，以及氯化物应力腐蚀的特点；又具有奥氏体不锈钢韧性好、抗晶间腐蚀、力学性能以及焊接性能好的优点，其镍含量多为1%～2%，而奥氏体不锈钢镍含量多为8%～25%，主要通过降低镍含量降低成本。双相不锈钢在海洋工程、化工行业、石油、造纸、海水利用、发电等众多行业中得到广泛应用，也符合脱硫塔装置部件材料的性能要求。

以上三种应对措施在预防出舷短管的腐蚀问题上，效果都相对较好。第一种通过降低处理水的酸性来减少腐蚀，后两种则是通过提高材料的抗腐蚀性能来应对较强的酸性。从不同的角度处理同一个问题。到底哪种效果最好，还需要时间的检验。

5.2 内部结垢问题

脱硫塔内部的结垢问题，主要是由于喷嘴喷出的冷却水雾与高温烟气混合，不仅使水雾温度急剧升高而产生水垢，而且其中溶解了大量的没有充分燃烧的烟灰，因而很容易使脱硫塔内部结垢，水垢太多影响了脱硫塔各部件的正常工作，比如排气挡板四周结垢会影响正常开关，大块水垢也会掉落到废弃锅炉顶部，增加主机的排气背压，减低燃烧效率，增加油耗。因此经过一段时间的积累，到港后，轮机人员都要进入脱硫塔内部手动清理水垢，极大的增加了轮机人员的工作量。

结垢的主要成分是海水中的盐和废气中的烟灰，因而减少结垢可以从这两个方面考虑，减少烟灰最直接的措施就是提高燃烧质量。减少海水中盐的结垢，比较有效的方法就是避免盐的析出。经过对比不同厂家的脱硫塔，发现其遇到的结垢问题各有不同，同时其设计进水量也有所差别。经过与船上操作人员的沟通，发现增大脱硫塔进水量可以减少结垢，因为增大进水量，便可以降低脱硫塔内部的温度，减少其盐的析出，同时水量大也可溶解更多的盐，顺便带走一些烟灰，显著降低结垢的生成量。然而每台脱硫塔都有其设计的额定流量，改变其设计流量，不仅会影响发动机的负荷，而且还会增大主机的背压。

因此，若要显著降低结垢的生成，必须对脱硫塔、主机和发动机重新设计，这是在安装脱硫塔之前要考虑的；对于已经安装的脱硫塔，只能在脱硫塔结垢、主机背压、发动机负荷等多种因素之间寻求一个合理的平衡点。

5.3 喷嘴检查问题

由于GRE管路或海水中含有一些杂质或垃圾，在使用中会慢慢堆积在喷嘴口，导致喷嘴被堵塞，喷嘴堵塞将直接影响水雾对硫氧化物的吸收，使排气中硫氧化物超标，因此需要定期检查喷嘴。喷嘴的检查主要是从外部拆除喷嘴及与其相连的管子，然后整根抽出来，检查后需要重新更换垫片，费时又费力。如果进入脱硫塔，从内部检查，便可很容易检查喷嘴的堵塞情况，然而喷嘴分布在整个脱硫塔里面，大多数位置较高，脱硫塔内部没有可以攀爬的梯子，所以希望后期在设计上能进行稍微改进。

通过分析不同的改进方案，希望能引起各脱硫塔厂家的关注，也希望通过后续的跟踪调研，来反馈各改进方案在长期运转中的效果差异，以寻求最佳的解决方案。

6.脱硫塔的应用前景

首先，2021年，随着高硫燃油价格优势的降低，以及低硫燃油质量的进一步规范和提高，一些尚未安装脱硫塔的船舶选择使用低硫油来应对限硫令的要求，导致近期脱硫塔的安装订单大幅度减少。

其次，随着液化天然气燃料在船舶发动机上的应用日趋成熟，一些公司选择液化天然气和油气混合燃料作为船舶发动机的燃料，以满足对目前限硫令的要求。

再次，在碳达峰和碳中和背景下，各国海事组织、航运企业和研究机构都在致力于新能源的开发与研究。马士基航运公司表示，将在2023年推出世界上第一艘碳中和货船。

然而，航运市场与国际形势变幻莫测。诸多不确定因素的影响，使船东的选择依旧举棋不定，今后脱硫塔的需求和前景依然不太明朗。但是不管脱硫塔未来几年的需求如何，根据市场反馈，目前已经安装的脱硫塔在使用中已经暴露出许多亟待解决的问题，只有针对性解决脱硫塔目前存在的问题，逐步改进设计和处理方案，才能减轻轮机人员的工作负担。才能为后续脱硫塔的应用解决后顾之忧，才能为脱硫塔争取更大的市场空间。

同时，为满足IMO中长期的减排目标，虽然新型环保燃料的研发一直都在进行，但受到脱硫塔的启发，国内外各研发机构已经开始考虑是否可以借鉴类似技术实现脱碳。因此，在脱硫塔的改进过程中，如果能实现脱碳和脱氮，不仅可以满足IMO中长期的减排目标，更能为脱硫塔的应用前景带来更广阔的发展空间。

7.结论

随着环保意识的不断增强，同时由于环境恶化引起的异常自然现象愈加频繁，针对海上运输带来的海洋与空气污染，国际海事组织对船舶 SOx的排放要求也日趋严格，船用脱硫塔作为控制SOx排放的有效手段之一，其在安装、运行及操作上都得到了船舶企业的认可，而且能够在短时间内收回成本，然而在管理过程中还存在一些问题，需要不断的改进和完善，使脱硫塔更加便于操作与管理，在环保脱硫方面发挥更大的作用。