摘 要：针对脱硫装置在船舶上的新应用，目前在国内实际应用技术及经验相对缺乏的现状，介绍了船舶脱硫装置的原理、系统组成、安装试验技术及船级社检验技术，为未来的从业人员提供知识储备，避免走弯路，使我国船舶尾气治理技术有一个较快发展，适应未来市场需求。
关键词：船舶尾气；脱硫装置；验证；技术
中图分类号：TD40 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0048-03
1 背景介绍
船舶的主要动力来源是船舶发动机动力，发动机废气排放中含有大量的硫氧化物、氮氧化物以及颗粒物等污染物，根据IMO2014年统计数据显示，船舶尾气年排放SO2、NO2分别约占全球排放总量的13%和15%，已经受到国际社会的广泛关注。
欧盟法令Dinective2005/33/ECArticle（2015年7月6日颁布）的4b条款，对欧盟内陆水域和停靠欧盟港口的船舶使用燃料的最高含硫量作出了更严格的限制，规定自2010年1月1日起在欧盟港口停泊（包括锚泊、系浮筒、码头靠泊）超过2小时的船舶，不得使用硫含量超过0.1%m/m的燃油；2015年起，在波罗的海、北海和英吉利海峡等敏感海域航行的船舶，其燃料的最高含硫量将降至0.1%。而在欧洲其他海域，船舶燃料的硫含量标准从2020年起将从3.5%降至0.5%，同时从2015年开始，将燃油0.1%的含硫量适用标准扩大到所有成员国12海里的领海范围内；中国也已于2015年12月2日颁布了长三角、珠三角和环渤海湾三个地区的硫排放法规，按照0.5%的标准逐步实施。
近日，国际海事组织IMO下属的海上环境保护委员会第70次会议已通过决议，确定2020年在全球海域实行船舶燃油0.5%含硫上限的规定，之前划设的四大排放控制区仍然实行0.1%的限制。
2 船舶脱硫工艺原理
船舶尾气脱硫技术来自于工业尾气脱硫技术，据不完全统计，目前世界上大约有200多种尾气脱硫技术。按脱硫剂和脱硫产物的形态不同可以分为干法、半干法和湿法三类，从使用效果来看，湿法脱硫在脱硫效果、经济性和操作性等方面具有明显优势；按脱硫装置工作模式不同可以分为开式系统、闭式系统和混合式系统；按脱硫剂种类不同，又可以分为海水法、碱液法等。但考虑到船舶是移动源，其安装空间和电功率有限等限制因素，可借鉴的脱硫技术并不多，目前主要有海水法洗涤脱硫和碱液法洗涤脱硫，海水法主要应用于开式脱硫系统中，碱液法主要应用于闭式脱硫系统中。
2.1 海水法烟气脱硫技术原理
天然海水pH值通常在7.8～8.5，碱度约为2.2～2.7mmol/L，由于含有一定量的可溶性碳酸盐，使得海水具有天然的碱度和酸碱缓冲能力，航行于大海中的船舶利用天然海水的碱度对烟气进行洗涤脱硫，其基本反应原理如下：
SO2（g）→SO2（I），SO2+H2O→H++HSO
HSO+OH-→H2O+SO，SO+O2→SO
其基本工艺流程如下图1所示，含有硫氧化物的烟氣从脱硫塔底部向上经过与自上而下的多层喷淋海水逆流充分接触混合，烟气中硫氧化物被喷淋海水吸除，烟气继续向上通过除雾器实现脱硫排放，脱硫塔上部加设除雾器的作用是去除烟气中白色水雾中所含的残余硫氧化物，洗涤后的喷淋海水经过水处理模块净化后排入大海，该工艺也称开式循环工艺。
2.2 碱液法烟气脱硫技术原理
在航行于低碱度海水区域或淡水区域的船舶，仅仅利用海水（或淡水）的碱度不能达到脱硫的效果，在系统设计时需要额外增加碱液供给，以确保洗涤液保持一定的碱度，保证脱硫效果。适合于船舶脱硫使用的碱液主要有：氢氧化钠溶液、碳酸钠等溶液，也有部分厂家使用氢氧化镁作为脱硫剂，其基本原理如下所示：
SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O，Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3，NaHSO3+NaOH=Na2SO3+H2O
2Na2SO3+O2=2Na2SO4
其基本工艺流程如下图2所示，同海水法脱硫一样，含有硫氧化物的烟气从脱硫塔底部向上经过与自上而下的多层喷淋海水逆流充分接触混合，烟气中硫氧化物被喷淋海水吸除，烟气继续向上通过除雾器实现脱硫排放，喷淋后的海水一小部分被释放到水处理单元进行处理，大部分通过循环泵重新返回脱硫塔顶部反复进行喷淋，但由于循环液每循环一次都会溶解、吸收烟气中的硫氧化物而发生理化反应，生成大量的HSO3-和SO3-，pH值降至2.7～3.5，为了确保系统的脱硫效率，流程中配置循环箱，采用补充新鲜海水并在管路上补充碱液的方法，提高重新进入喷淋塔顶部循环液的pH值。 经过水处理单元净化后的废水直接排入大海。该工艺也称混合式循环。
3 船舶脱硫装置系统组成
船舶脱硫装置是一种个性化产品，对于同一原理的船舶脱硫装置，尽管主体配置大同小异，但针对不同的船型、不同载货量船舶、甚至不同航线的船舶其配置也各有差异，本文论述的脱硫装置所安装的目标船舶信息如下表1所示：
本次实船验证试验仅为船舶主机配置了脱硫装置，处理能力为60000Nm3/h。脱硫装置主要设备包括：脱硫塔、循环泵组、海水泵、碱液存储箱、碱液供给泵组、热交换器、水处理单元、循环柜、暂存柜、仪器仪表、测量单元、控制系统等，主要设备功能描述如下：
（1）脱硫塔
脱硫塔是脱硫装置的核心部件，是烟气与循环液接触反应的重要场所，其结构内部包括填料层、喷淋层、除雾器层等内件，结构设计是否合理直接影响到脱硫的效率。
（2）碱液存储箱
碱液存储箱用于存储船舶航行过程中所需的碱液，为了防止碱液在低温情况下结晶，碱箱需具备加热和保温功能，目前可以采用的加热方法有：水加热、蒸汽加热和电加热，需根据具体船舶特点进行合理设计，本试验装置采用水加热的方法；碱箱的设计容积需根据具体船舶航线及所经各港口加碱的便利性进行综合考量，在保证正常使用的情况下，碱箱设计尽量小。
（3）碱液供给泵组
碱液供给泵用于输送碱液到系统各个加碱点，需根据系统的不同工况，调节加碱量；供碱泵需配置在靠近碱箱较近的位置，防止系统停止运行时管道内残存大量碱液导致管道结晶。
（4）测量单元
脱硫系统运行的效果是通过测量单元的实时测量来反馈的，主要测量两方面的指标：洗涤塔出口烟气的组分和经过水处理单元处理后的洗涤排放废水的组分。
对烟气组分的测量主要是连续监测排气中SO2（ppm）和CO2（%）的值，SO2应采用非扩散性红外分析仪（NDIR）或非扩散性紫外线分析仪（NDUV）及其他等效的方法进行测量，CO2应采用非扩散性红外分析仪（NDIR）及其他等效的方法进行测量，并将测量数据自动记录在专用的数据记录与处理设备上，记录频率不低于0.0035Hz，数据保存时间不少于18个月。对于馏分油或渣油这类碳氢燃料来说，燃油硫含量与烟气排放中SO2（ppm）/CO2（%V/V）的比值存在对应关系，见下表2所示。
对洗涤排放废水监测和记录的参数包括pH值、PAH值（多环芳烃）、混浊度和温度。PH值测量位置为船舶在静止状态下，距离舷外排放点4m处范围内，排放洗涤水的pH值应不小于6.5，但当船舶在机动操作时，进口和排放水之间的酸碱度允许相差最大不超过2pH单位（分别在船舶进水口和舷外排放中测量）；PAH（多环芳烃）浓度应在排放前测量，测量点应安排在水处理设备的下游，但应在任何洗涤水稀释或其他药剂添加装置（如有）的上游，其最大浓度值与进口水PAH浓度的差值应不超过一定限值。
洗涤水最大混浊度应不超过进口水混浊度的25FNU或25NTU或其他等效单位，并应在排放前测量，测量位置应在水处理设备下游、但应在洗涤水稀释装置或其他药剂添加装置的上游。考虑到船舶脱硫装置可能存在非正常起动的情况，船级社允许每12H运行周期内有一个15min的时间段排放指标超标。
4 脱硫装置实船安装技术
船舶脱硫装置在船舶上的安装是一个复杂的系统工程，尤其对于营运船舶加装尾气脱硫装置，由于空间和时间有限，船期紧张，使得施工难度大大增加。而对于新造船舶，脱硫装置的安装难度相对于船舶其他系统的安装就显得容易很多。脱硫装置在船舶上的安装施工工作主要涉及到以下几个方面：脱硫塔就位固定、箱柜等结构体件就位固定、泵阀就位固定、泵阀就位固定、仪表就位固定、控制柜就位固定、管系现场放样及制造、穿舱件制造及施工、电缆铺设及接线查线、管系连接施工、水系统接入、电系统接入、压缩空气系统接入等。因此，脱硫装置的安装是一项高度复杂、技术水平要求较高的工作，需要组建专门的项目组，制定详细的安装工艺流程，加强安装过程管理，确保施工安全和施工质量，提高施工效率，减少由于安装工作对船舶船期的影响，降低船东的损失。
5 脱硫装置实船试验技术
脱硫装置实船试验主要分以下几个阶段：部件电气连接检查、部件上电试运转、功能试验、性能试验、船级社现场检验等几个步骤。其中性能试验是实船试验中最关键的步骤，性能试验主要目的是测试所装脱硫装置在燃烧装置各工况下都能满足烟气排放要求，试验过程中要根据各船舶的个性特点对系统控制逻辑进行调整，需要时间最长，直接影响试验的最终成败。安装在船舶上的脱硫装置都应保证各燃烧设备在规定的负荷范围内其排放指标都能满足法规要求的限值（主柴油
机负荷范围25%～100%）。
为了验证脱硫装置的性能，在进行脱硫装置实船验证试验时，应在规定的负荷范围内至少选择4个负荷点进行排放测量，全部达标后才能获得船级社颁发或认可的排放符合性证明文件；其中一个负荷点取脱硫装置最大废气质量流量的95%～100%，一个负荷点选脱硫装置最小废气质量流量的±5%以内，另外2个负荷点选在最大和最小废气质量流量间等距离分布。试验过程中如果系统无法连续运行，应增加试验负荷点，证明系统性能在规定的废气质量流量范围内都能满足要求。
6 脱硫装置实船认证技术
脱硫装置本体的认可、检验和发证有Scheme-A和Scheme-B两种方案供选择，Scheme-A主要列举了脱硫装置上船前在台架上进行认证的步骤和要求，Scheme-B主要列举了安装在船舶上的脱硫装置的检验和验证的要求；而脱硫装置实船认证除了装置本体的设计认证认可外，还包括船舶改装设计认证（针对营运船舶）和实船安装完成后的实船检验和排放测量，而对于新造船则可省略改装设计认证步骤，但船舶设计送审资料中应包括脱硫装置相关信息。以下将结合实际本节将简要论述脱硫装置实船认证的步骤及要求。
项目确定后，首先确定配置方案，进行工艺流程设计，计算最大烟气流量，并依此进行脱硫装置关键部件的容量设计和设备选型，并最终形成该船舶脱硫装置的产品设计文件；同时结合各设备外形尺寸、安装位置、安装要求、设备重量等参数进行船舶改装设计，形成改装设计文件。然后将产品设计文件和改装设计文件送船级社审核，根据审核意见完善设计。产品在船舶上安装完成后并进行性能试验后，邀请船级社进行现场检验和实际排放测量检验，全部合格后由船级社颁发IMO认可的排放符合性证明文件，船舶才可以航行于排放控制区。
7 结束语
国外船舶脱硫技术较成熟，已有成功的应用案例，但在中国，船舶脱硫装置是近几年随着船舶排放法规的日益严格才出现的一套新装备，系统复杂，涉及专业知识广，国内实际应用项目案例又不多，掌握实际项目经验的人更是少之又少，阻碍了该装置的进一步推广，不利于我国船舶尾气排放的综合治理；本文从船舶尾气脱硫装置的原理、组成、安装试验及认证技术等方面进行了简要阐述，具有普及船舶脱硫装置知识的作用，同时也为从业人员提供一些帮助和指导，提高我国船舶脫硫装置的应用水平，为祖国的碧海蓝天贡献力量。
参考文献：
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