船用柴油机脱硫设备应用

章烈琪

（厦门海洋职业技术学院，厦门 361001）

目前，船用柴油机燃油含硫量受到国际和国内法规的严格限制，具体数值见表1。其中：排放控制区域（Emission Control Area，ECA）区域是指波罗的海、北海、北美以及美国加勒比海4大排放控制区；京津冀区域是指珠三角、长三角和环渤海水域排放控制区。国际防止船舶造成污染（International Convention for the Prevention of Pollution from Ships，MARPOL）公约规定，2015年1月1日开始，船舶燃油硫含量在ECA内不超过0.1%，终极目标是到2030年全球海域船用燃油硫含量不超过0.1%[1]。我国于2016年对船舶柴油机尾气硫含量排放做了严格限定，初步目标是从2019年1月1日起，进入排放控制区的船舶燃油硫含量不超过0.5%[2]。在船舶燃油含硫量严格限制的背景下，海水脱硫技术因脱硫剂容易获得、脱硫效率高、设备操作维护简单和经济性好等技术优势，极具应用前景。本文针对某船用柴油机海水脱硫设备进行理论计算和实船应用分析，研究结果可为船用柴油机脱硫设备的选择和实船应用提供一定的指导[3]。

表1 国际和国内法规对船用柴油机燃油硫含量的控制要求

1 船用柴油机海水脱硫设备工作原理

1.1 海水脱硫法原理

利用海水的弱碱性作为脱硫剂，将柴油机尾气中的二氧化硫溶解吸收，处理后的柴油机尾气含硫量达到排放要求通过烟囱排出[4]。处理后的海水呈酸性，需要通过添加碱性溶液进行中和，同时引入空气进行氧化和爆气处理，pH值达到相应标准后排出舷外。具体脱硫过程设计的化学方程式如下[5]。

溶解吸收过程为

中和过程为

曝气氧化过程为

1.2 海水脱硫设备简介

本文采用的海水脱硫设备主要由U形开式循环脱硫塔、气体分析仪以及进出水分析仪等组成。脱硫设备原理如图1所示。

图1 海水脱硫设备原理

脱硫塔主要由喷射单元和吸收单元组成。其中：喷射单元由一大一小的两组螺旋状的海水喷头组成；吸收单元由下往上由填料、一大一小两组螺旋状喷头、除雾器、除雾器清洁喷头组成。气体分析仪主要对排气中不同气体进行检测和硫氧化物含量测定，保证柴油机排气脱硫率符合要求。进出水分析仪主要测定海水的pH值、温度等，确保处理后的海水符合排放标准，避免造成二次污染[6]。

2 柴油机尾气脱硫效率影响因素

根据文献[7]，柴油机尾气脱硫效率主要受燃油含硫量、排气温度、海水温度和pH值影响，对柴油机尾气脱硫效率影响分别如图2、图3、图4和图5所示。

图2 排气温度对脱硫效率影响

图3 燃油含硫量对脱硫效率影响

图4 海水温度对脱硫效率影响

图5 海水pH值对脱硫效率影响

图2显示，脱硫效率随排气温度增加逐渐降低。排气温度在150～190 ℃范围内变化时，脱硫率在96%以上。因此，在实船脱硫设备在使用过程中，柴油机排气温度宜控制在上述温度范围内。图3显示，燃油含硫量在1.0%～3.0%时对脱硫效率基本没有影响，因此船舶柴油机燃油宜选择含硫量3.0%以内，可最大限度保证经济性和脱硫效率。图4显示，海水温度在0～15 ℃时对脱硫效率基本没有影响，超过20 ℃时对脱硫效率影响较大。因此，在使用脱硫设备时，海水温度宜保持在20 ℃以下。图5表明，脱硫效率随海水pH值增加而增加，但总体影响较小。此外，脱硫设备实船运行表明，脱硫效率还会受到出口背压的影响，实际上是风向风速的影响，宜选择在风向风速稳定的状态下运行脱硫设备。

综上所述，船用海水脱硫设备使用时应控制较低的柴油机排气温度和海水温度，保证燃油品质、适宜的海水pH值和稳定的风速风向。结果表明，柴油机排气温度、燃油含硫量和海水温度分别控制在150 ℃、3.5%、20 ℃时，海水脱硫设备的脱硫效率可以达到98%。

3 海水脱硫设备实船应用分析

3.1 海水脱硫设备实船工作过程

柴油机排气经过脱硫塔喷射单元，一大一小的两组螺旋状的海水喷头同时打开喷水，海水可以以最大范围扩散与废气接触。废气在喷射单元被初步洗涤和吸收，将大于200 ℃的废气冷却至40 ℃，同时将废气中的不完全燃烧产物及烟灰随水一起冲走。

废气经喷射单元后进入吸收单元，处于喷头下方的填料是许多直径为10 cm的圆圈状不锈钢卷，厚3～4 m，主要作用是增加海水与废气的接触面积，实现更好的洗涤吸收[8]。废气经过填料后，大部分硫氧化物与海水结合，不完全燃烧产物及烟灰进一步被海水冲走。

3.2 海水脱硫设备实船关键参数控制

3.2.1 硫碳比

气体分析仪检测经过脱硫塔后废气中硫氧化物SOx和二氧化碳CO2的质量分数，并计算比值，即硫碳比[9]。实船应用采取硫碳比为4.3，等同于燃油含硫量为0.10%的排放标准。因为有安装脱硫塔，所以现在船上使用的重油含硫量仍然是在3.0%～3.5%。脱硫塔的脱硫效率高，正常情况下硫碳比不高于3。

3.2.2 脱硫塔海水喷头流量

脱硫塔吸收单元海水喷头有两组，一大一小呈螺旋状。喷头的开启由负荷决定。脱硫塔的负荷是主辅机运转负荷相加而得。实际工作中小于45%负荷时，小喷头开启工作，大喷头关闭不工作；45%～90%负荷时，小喷头关闭不工作，大喷头开启工作，增加水量；大于90%负荷时，小喷头和大喷头同时开启工作。

3.2.3 处理后海水pH值

法规要求船舶静止时距舷外排放点4 m处海水pH值不小于6.5，或者船舶航行中舷外排放点的pH值与船舶进口pH值的偏差不大于2.0[10]。

4 结语

经过理论计算和实船应用分析，船用柴油机排气温度降到40 ℃、海水温度在20 ℃以下时，海水脱硫装置的脱硫效率较高，满足法规要求。相比其他脱硫设备，海水脱硫设备简单易操作，经济性强，可以推广使用。