船舶废气洗涤脱硫技术现状及发展趋势

1、船综述与机型舶废气洗涤脱硫技术现状及发展趋势周 松1 , 李 琤2 , 沈飞翔3(1. 哈尔滨工程大学, 黑龙江 哈尔滨 150001;2. 中船动力有限公司, 江苏 镇江 212000; 七一一研究所, 上海 200090)摘 要: 针对船舶排放控制日趋严格, 介绍了国内外船舶动力装置废气洗涤脱硫技术的研究现状, 并 分析了其发展趋势、 经济性和应用前景。 研究表明, 船舶废气洗涤技术是应对 2015 年 IMO 燃油含硫 量限制的有效方法。 洗涤系统虽然初投资较大, 但成本可在 1 4 年内收回, 具有广阔的市场前景。 关键词: 船舶柴油机; 燃油含硫量; 废气洗涤系统中图分类号: TK4

2、21 + . 5文献标识码: A文章编号: 1001 -4357(2014)05 -0001 -06The Status of Marine Engine Exhaust Gas Scrubbingand Desulfurizing Technology and its Development TrendZhou Song1 , Li Cheng2 , Shen Feixiang3(1. Harbin Engineering University, Heilongjiang Harbin 150001;2. CSSC Marine Power Co. , Ltd, Jiangshu Zhenj

3、iang 212000;3. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 200090)Abstract: As marine engine exhaust gas emission limitation is becoming more and more stringent, the research state of marine engine exhaust gas scrubber is introduced in detail, and the tendency, economy and prospect of

4、 the application of marine scrubbers are analyzed. The research shows that the exhaust gas scrubber is a valid measure to meet IMO 2015 regulation of fuel sulphur content. Although the initial in- vestment of scrubber is large, the capital can be recovered in 1 4 years, and is expected to have wide

5、application in marine auxiliary products market.Keywords: marine diesel engine; fuel sulphur content; exhaust gas scrubber来, 将超过全球陆基源 SOx 的排放。1背景随着国际航运业及远洋船舶运输的发展, 船舶所产生的废气排放已成为沿海地区尤其是港口大气 的主要污染源。 全球船舶每年向大气排放的 SOx 约 为 1 054 万吨; 全球 2 / 3 以上的船舶动力装置排气 都产生在距海岸 400 km 的范围内。 船舶所排废气 中的 SOx 对大气环境造成的污染已引起国际社

6、会广 泛关注。 图 1 为欧洲清洁空气计划给出的全球 SOx 排放趋势预 测, 可 见 全 球 陆 基 源 SOx 排 放 逐 年 减 少, 而船舶排放的 SOx 却在逐年增长, 在不久的未图 1 全球 SOx 排放趋势预测( 欧洲清洁空气计划)收稿日期: 2014-05-27基金项目: 工信部高技术船舶项目 “ 船舶 SOx 排放控制要求研究” 和 “ 基于钠碱法的船舶废气洗涤脱硫设备及系统设计关键技术研究” 。作者简介: 周松(1967 -) , 男, 教授, 主要研究方向为船舶发动机排放与控制, E-mail: songzhou hrbeu. edu. cn。蕸藳蕸柴 油 机第 36 卷

7、第 5 期·2·为了减少船舶排气对环境大气的污染, 世界各国和国 际 组 织 相 继 制 定 了 不 同 的 船 舶 排 放 法 规。2008 年, IMO 第 58 届 海 洋 环 境 保 护 委 员 会 ( MEPC) 批准了 MARPOL 73 / 78 公约附 则 VI 修 正 案, 规定: 2012 年 1 月 1 日 后, 在 非 排 放 控 制 区 航行的远 洋 船 舶, 其 燃 油 含 硫 量 必 须 低 于 3. 5% ,2020 年 1 月 1 日 后, 全 球 区 域 燃 油 含 硫 量 低 于0. 5% ; 但是在排放控制区域( ECA) , 201

8、0 年 7 月1 日后, 燃油中的含硫量须低于 1% , 2015 年 1 月1 日后, 含硫量须低于 0. 1% 。 国际海事组织还规 定, 除了使用低硫燃油外, 船舶也可采用经认可的 废气洗涤系统或其它技术降低船舶动力装置排放的 SOx , 使之相当于对应含硫量燃油的排放。MARPOL 73 / 78 公约 附 则 VI 出 台 后, 世 界 各 国和地区也 根 据 自 身 情 况 制 定 了 船 舶 排 放 控 制 标显示系统等进行相应的改造。从 船 舶 排 气 中 脱 硫 是 解 决 船 舶 SOx 排 放 超 标 的另 一 个 有 效 手 段。 洗 涤 脱 硫 技 术 具 有 许 多

9、 优 点: 脱硫效率高, 一般可达 95 % 以上; 还可以 除 去废气中大 部 分 颗 粒 以 及 部 分 NOx ; 设 备 适 应 性 强, 不会或极小影 响 柴 油 机 工 作 性 能; 运 行 和 维 护费用较低; 操作 灵 活, 可 避 免 更 换 燃 料 时 存 在 的安全隐患。2船舶废气洗涤脱硫技术发展现状和发展趋势2. 1 船舶废气洗涤脱硫技术发展现状目前, 船舶废气洗涤脱硫系统( EGCS) 主要分 为干式洗涤脱硫系统和湿式洗涤脱硫系统两大类。 由于船舶的特殊要求, 湿式脱硫系统成为船舶废气 洗涤脱硫 的 首 选, 几 乎 占 据 了 整 个 船 舶 洗 涤 脱 硫 市场。

10、湿式洗涤系 统 有 三 种 不 同 的 实 现 形 式: 淤 海 水洗涤废气( 开式模式) , 利用海水的碱性吸 收 废 气中的 SOx , 洗涤产生的废液经处理后排入海中; 于淡水洗涤废气( 闭式模式) , 利用添加的碱 性 物 质( 通常 是 NaOH) 与 废 气 中 的 SOx 反 应, 生 成 盐 类, 反应产生的洗涤 废 液 经 处 理 后 或 储 存 在 船 上 或直接排入大海; 盂海水 / 淡 水 洗 涤 废 气 ( 混 合 模 式) , 结合开式 模 式 和 闭 式 模 式 的 优 点, 根 据 不 同情况, 以开式模 式 或 闭 式 模 式 运 行。 湿 式 洗 涤 系统的

11、三种不同 构 成 形 式 各 有 其 优 缺 点, 具 体 见 表 1 。为了应对 2015 年即将实施的 IMO 燃油含硫量 限制标准, 世界主要发动机公司和排放控制公司纷 纷开展了船舶废气洗涤装置的研发, 部分产品已开 始实船应用。(1) Couple Systems 公司的 Dry-EGCS 脱硫系统 Couple Systems 公司开发的 Dry-EGCS 脱硫系统 是目前为止唯一应用于船舶的干式洗涤脱硫系统。 该脱硫装置于 2011 年 4 月通过德国劳氏船级社认 证。 该系统使用氢氧化钙颗粒作为吸附剂, 适用于1 60 MW 的动力装置。 由于采用干式洗涤, 系统 工作期间不会向

12、海洋排放任何污染物。 目前, 该系 统已经安装于 “ MS Timbus” 集装箱船上, 可降低99% 的 SOx 以及 80% 的 PM 排放, 但 CO2 排放量增 加 10% 。 图 3 为 Couple Systems 公司干式洗涤脱硫 系统的原理图。准。 图 2 为 IMO、的限制标准。欧盟及美国等对船舶燃油含硫量图 2 lMO 及欧盟等对船舶燃油含硫量的限制由 IMO 公约可知, 目前 IMO 推荐的解决船舶排气中 SOx 含量超标问题的方法主要有使用低硫燃 油和采用废气处理装置两种。 选用低硫燃料是从源 头上解决船舶排气中 SOx 含量超标的根本措施, 但 由于低硫燃 油 在 炼

13、 制 过 程 中 须 经 过 额 外 的 脱 硫 过 程, 价 格 远 高 于 传 统 重 油。 据 预 测, 当 2015 年 IMO 硫排放法 规 执 行 时, IFO 380 和 MGO 的 价 格差大约为每吨 310 560 美元, 差价率最高可能达 到 70% 80% * 。 对于一艘中等大小的 Ro-Ro 船, 按中等距离的航线运行, 此差价将使一年额外的燃 油花费达到 330 600 万美元。 显然选用低硫燃油 大大增加了船舶运营成本; 且燃油精炼过程中产生 大量 CO2 , 对环境产生新的危害。 此外, 如果使用 低硫燃油与高硫燃油切换系统, 涉及主机、 辅机和 锅炉等 设 备

14、, 须 增 加 柴 油 机、 锅 炉 的 燃 油 转 换 装 置, 并对动力装置的供油系统、 燃烧装置、 监控和*本文中货币单位没有特殊注明, 均为人民币2014 年 9 月周 松等: 船舶废气洗涤脱硫技术现状及发展趋势·3·表 1三种湿式洗涤系统优缺点对比洗涤系统耗能多;使用 NaOH 溶液, 增加运营成本; 船舶危险化学品须特殊处系统维护成本较高图 3 Couple Systems 公司开发的 DryEGCS 系统原理图图 4 W覿rtsil覿 淡水洗涤脱硫系统结构图(2) Wärtsilä 公司的洗涤脱硫系统2012 年 2 月, Wär

15、tsilä 公 司 收 购 了 Hamworthy 公司, 成 为 船 舶 废 气 洗 涤 脱 硫 技 术 的 领 军 者。 至 此, Wärtsilä 公司开发的船舶废气洗涤脱硫系统包 括开式洗 涤 系 统、 闭 式 洗 涤 系 统 以 及 混 合 洗 涤 系 统, 可供 1 25 MW 的不同机型使用。 目前, 已有 三十余艘船舶和多家船商安装或订购了 Wärtsilä 公 司开发的船舶废气洗涤脱硫系统。Wärtsilä 公司开发的船舶废气淡水洗涤脱硫系统已于 2009 年通过挪威船级社、 德国劳氏船级社 和法国船级社的

16、认证, 授予硫排放控制区的合格证 书。 该系统是第一个获得该项认证的船舶 SOx 后处 理装置。 Wärtsilä 船舶废气淡水洗涤脱硫系统利用 闭式 淡 水 洗 涤 技 术, 使 用 NaOH 中 和 废 气 中 的 SOx , 并 已 在 装 有 Wärtsilä 柴 油 机 的 “ MS Suula ” 油轮上进行了试验。 在波罗的海该船分别使用高硫 (3. 4% ) 和低硫(1. 5% ) 重油进行工作, 试验表明, 该系统可以高效地脱除柴油机废气中的 SOx , 在整 个工况范围内, 可以脱除 99% 的 SOx 、 5% 11% 的 NOx

17、以 及 30% 60% 的 PM。 2011 年, 该 系 统Hamworthy-Krystallon 公司成功开发出的船用废气海水洗涤系统, 现已改名为 Wärtsilä 开式洗涤系统。 该系统已经获得挪威船级社和意大利船级社认证。 试 验证明, 该系统可以脱除 90% 95% 的 SOx 、 80% 的 PM、 10% 20% 的 NOx 以及 10% 20% 的 HC, 系统 排出的废水符合 IMO 排放水要求, 但燃油消耗量增加2% , 系统海 水 消 耗 量 45 ( t·( MW·h ) -1 )。 图 5 为Wärtsil

18、8; Hamworthy 海水洗涤系统结构图。图 5 W覿rtsil覿 Hamworthy 海水洗涤系统结构图在开式系统和闭式系统基础上, Wärtsilä 公司开发了船舶混合洗涤脱硫系统。 该系统工作原理是 在船舶进 港, 系 统 检 修 期 以 及 在 排 放 控 制 区 航 行已经成功安装于 Containerships VII 集装箱船上,与 Algoma 公 司 签 订 了 8 艘 安 装 合 同。 图 4Wärtsilä 淡水洗涤脱硫系统结构图。并为洗涤模式优点缺点开式模式采用海水作 为 洗 涤 液, 不 须 要 添 加 任 何 化 学品;系

19、统组成较 为 简 单, 不 须 要 储 存 洗 涤 液 和 废液较低海水盐度或较高海水温度均会抑制 SOx 的吸收;港口酸性污水排放受限, 须更换低硫燃油;增加 CO2 排放闭式模式不受海水盐 度 和 温 度 限 制, 可 在 全 球 海 域 航行;洗涤废液储 存 在 船 舶 废 液 箱 中, 不 污 染 海 洋系统组成较开式模式复杂;理、 储存, 且须要得到批准混合模式兼具开式和闭式两种模式的优点;灵活切换模式, 可在全球海域航行系统组成较为复杂, 初期安装成本较高;柴 油 机第 36 卷第 5 期·4·时,时,前,采用 闭 式 淡 水 洗 涤 脱 硫, 而 在 非 控

20、制 区 航 行采用开式海水洗涤脱硫, 以节约营运成本。 目MV Tarago 和 MV Tamesis ( Wilhelmsen) 等多艘MAN 公 司 开 发 的 船 舶 EGR 洗 涤 系 统 将 EGR系统和闭式废气洗涤脱硫系统相结合, 以达到同时 降低 NOx 、 SOx 和 PM 等有害物质的效果。 该系统 是专 门 为 “ Alexander Maersk” 集 装 箱 船 设 计, 并 已经在 4T50ME-X 柴油机上进行了测试试验, 可以 降低 80% 的 SOx 、 80% 的 PM 以及 60% 的 NOx 。 目 前, 该系 统 已 服 务 于 “ Alexander

21、Maersk ” 船, 安 装于 7S50MC 柴油机上。 图 8 为 MAN 公司开发的 EGR 装置附属洗涤系统结构图。船舶已 订 购 Wärtsilä 混 合 洗 涤 脱 硫 系 统。 图 6 为Wärtsilä 混合洗涤脱硫系统结构图。图 6 W覿rtsil覿 混合洗涤脱硫系统结构图(3) Clean Marine 公司的洗涤脱硫系统Clean Marine 公 司 开 发 的 混 合 洗 涤 脱 硫 系 统, 包括海水脱硫和淡水脱硫两部分, 可以相互切换。 试验表明, 该系统可以脱除 98% 的 SOx 以及 80% 的 PM, 但 燃 油 消

22、 耗 略 有 增 加。 2013 年 底, Stolt Tankers and NYK Stolt Tankers 公司为其在沪东中华 造船( 集团) 有限公司制造的两艘化学品 船 订 购 了 Clean Marine 公 司 的 EGCS 系 统, 将 于 2015 年 安 装。 图 7 为 Clean Marine 公司的混合洗涤脱硫系统 结构图。图 8 MAN 公司开发的 EGR 装置附属洗涤系统结构图(5) Aalborg 公司的洗涤脱硫系统Aalborg 公司开 发 的 船 用 废 气 洗 涤 系 统, 已 在 MAN 公 司 的 1MW 柴 油 机 上 进 行 测 试, 满 足 M

23、ARPOL ANNEX VI -MEPC 58 和 59 法规要求。 在 使用高硫油时, 可以脱除 98% 的 SOx 以及 80% 的 PM, 但工作时须消耗 1. 5% 的主机功率。 该系统可 以灵活地在开环模式和闭环模式下切换, 既可以使用海水做吸收剂, 也可以使用淡水做吸收剂。为 Aalborg 公司开发的洗涤系统。图 9图 9 Aalborg 公司开发的洗涤系统图 7Clean Marine 公司混合脱硫系统结构图(6) MES 公司的洗涤脱硫系统MES ( Marine Exhaust Solutions ) 公 司 开 发 的(4) MAN 公司的洗涤脱硫系统2014 年 9 月

24、周 松等: 船舶废气洗涤脱硫技术现状及发展趋势·5·EcoSilencer 系统使用海水作为洗涤剂, 以脱除废气中的 SOx 、 NOx 和 PM 等。 该 系 统 已 经 在 1MW 船 舶柴油 机 上 进 行 了 测 试。 试 验 表 明, 使 用 高 硫 燃 油, SOx 脱除水平达到 90% 以上。 图 10 为 MES 公 司的 EcoSilencer 系统。同,外,但 除 了 Couple Systems 公 司 的 干 式 洗 涤 系 统其他均采用湿式洗涤系统。开式系统的原理是: 海水呈弱碱性, 利用海水吸收船舶动力装置废气中的 SOx 。 根据研究, 1t

25、含硫量 3. 5% 的燃油燃烧后排出的 SOx 被海水充分吸收后, 将置换出 92. 4 kg 的 CO2 , 整个吸收过程效果相当 于 将 107. 2 kg 的 硫 酸 ( H2 SO4 ) 直 接 排 入 大海。 由于 CO2 是最重要的温室效应气体, IMO 以能效指数的形式对船舶 CO2 排放进行了限制, 利用海水直接吸收废气中的 SOx , 变相增加了船舶的 CO2排放量; 此外, 海 洋 具 有 从 大 气 中 吸 收 CO2 的 能力, 是整个生态平衡碳循环中极重要的一环, 海洋以碳酸钙的形式将大气中的 CO2 逐步固定下来。 而 采用海水 洗 涤 废 气, 以 硫 酸 盐 代

26、 替 海 水 中 的 碳 酸图 10 MES 公司的 EcoSilencer 系统盐,减弱了海洋在全球碳循环中的固碳能力。而闭式系统利用自身携带的碱性物质作为洗涤 吸收废气中的 SOx , 反应生成硫酸盐, 处理后(7) BELCO 公司的洗涤脱硫系统BELCO 科技公 司 开 发 了 包 含 开 式、 闭 式 以 及 混合方式的船用废气洗涤脱硫系统, 并已在 Wart- sila 81. 32、 Wartsila 12V 46 CZ 柴油机 上 进 行 了 试 验, 可脱除 97% 以上的 SOx 。 图 11 为 BELCO / DU- PONT 公司开发的废气洗涤脱硫系统。剂,的废液经检

27、测合格后排入海洋。 闭式废气洗涤系统对海洋环境没有不利影响。由此可见, 无论是从船舶 CO2 排放的角度还是 从全球碳平衡的角度, 利用海水直接洗涤废气有很 大的缺陷, 闭式洗涤系统将成为主流。船舶废气洗涤系统的经济性及应用前景以一台满足 Tier域 排放法规的额定功率 9 960 kW的柴油机(运行于 85% 工况, 8 466 kW)为例, 油耗为174. 2 (g·(kW·h) -1 )。 假定使用含硫为 2. 7% 的燃油, SOx 吸收率为 97. 5% , 按每年运行 320 天测算, 则每 年 SOx(按 SO2 计算)的排放将减少 596. 3 t。3. 1

28、 系统初期投资成本目前, 船舶废气 SOx 洗涤系统的市场价格是按柴油机功率来配置制定的, 为 465 775 (RMB 元·kW-1 ) (下同)。 满足一台额定功率为9 960 kW的柴油机使用 的闭式废气洗涤系统购置费用约为 574. 82 万元(85% 工况)。对主机功率为 9 960 kW 的船舶, 按运行 20 年 来计算, 燃料消耗的费用为 158 568 万元 ( 低硫轻 柴油) 。 由此, 可以明显地看到, 洗涤装置初期投 资成本仅占船舶动力装置运行费用的 0. 36% 。3. 2 废气洗涤系统运行成本从目前的技术水平来看, 闭式洗涤脱硫系统运 行费 用 包 括 压

29、 力 损 失 ( 约 为 燃 油 费 用 的 1% ) 、 NaOH 溶液耗费( 约为燃油费用的 2% ) 以及附属泵 能耗费( 约为燃油费用的 0. 5% 1% ) 。 以一台额3图 11 BELCO 公司的废气洗涤脱硫系统除此 之 外, Alfa Laval、 FSG、 EcoSpec、Norwe-gian Co、 OceanNox、 Viswa、 STi 等公司均开展了船舶废气洗涤脱硫技术的研发, 产品已经处于试验阶段。2. 2 船舶废气洗涤脱硫技术的发展趋势分析虽然, 船舶 废 气 洗 涤 系 统 的 实 现 方 法 各 有 不柴 油 机第 36 卷第 5 期·6·

30、定功 率 9 960kW 的 柴 油 机 使 用 的 洗 涤 系 统 为 例,表 2 给出了船舶废气 SOx 脱硫系统运行费用同柴油 机燃油消耗费用的对比。表 2 废气洗涤系统运行费用同柴油机燃油消耗费用的对比2015 年开始强制 实 施, 届 时 将 对 船 舶 动 力 装 置 燃油含硫量实施更为严格的限制, 世界低硫燃油供应 的不足, 以及高低品质燃油之间巨大的价格差, 决 定了废气洗涤脱硫技术, 尤其是闭式洗涤系统, 是 未来船 舶 减 排 技 术 发 展 的 方 向。 据 估 算, 由 于 北 海、 波罗的海及北美区域实施燃油硫含量 0. 1% 的 要求, 全球大约有 16 000 艘

31、 船 舶 受 到 影 响, 未 来 市场前景非常巨大。4结论采用闭式洗涤系统运行费用仅占燃料消耗费用的 3. 75% , 并且 该 费 用 比 例 随 着 柴 油 机 功 率 的 增 加而降低。 所以, 大型 柴 油 机 ( 动 力 装 置) 采 用 废 气洗涤系统更加具有优势。3. 3 废气洗涤系统成本回收周期以目前 燃 油 价 格 为 基 准, 以 额 定 功 率 9 960 kW 的柴油机(85% 工况) 的洗涤系统为例, 以高硫 燃油和低硫轻质油差价为低硫油价格的 50% 计算, 发动机使用高硫重油一年节省的费用和洗涤系统成 本回收期显然跟船舶在排放控制区内的航行时间有 关, 具体见表

32、 3。表 3 船舶年节省费用和洗涤系统成本回收期船舶废气洗涤脱硫系统是船舶节能减排的一项有效措施。 随着 IMO 硫排放控制法规的日益临近, 世界 各国都在大力开发船舶废气洗涤脱硫技术。 船舶废气 洗涤脱硫技术, 尤其是闭式洗涤脱硫技术, 将成为船 舶硫排放控制技术的主流。 船舶废气洗涤脱硫系统, 虽然设备初投资较大, 但由于高硫燃油和低硫燃油之 间巨大的价差, 洗涤设备的投资在1 4年内可以收回 成本, 具有很大的社会效益和经济效益。参考文献 1 Institutfür Seeverkehrswirtschaft, Logistik. Reducing the sulphur content of shipping fuels further to 0. 1 % in the North Sea and Baltic Sea in 2015 R . Consequences for shipping in this shipping area. Sep,2010. 2 Alejandro Hombravella,Alican KlllÇaslan. Study of exhaust gas cleaning systems for vessels to fulfill IMO