長航6000 m3耙吸挖泥船柴油機排放控制系統配置分析

吳 磊 李康康 許婉瑩

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

在世界貿易中，海洋運輸因運輸量大且運費低廉占據了世界貨物運輸中很大的比例。隨著世界貿易的日益發展，海運船舶的數量也與日俱增，作為船舶動力源的船舶柴油機的尾氣排放所民致的污染問題也越來越引起世界范圍的關注。根據國際海事組織（IMO）統計數據顯示，船舶尾氣排放SO2，NO2分別占全球總排放總量的13%和15%，耙吸挖泥船作為在港口、沿海航道甚至城市周邊航道疏浚作業的船舶，其排放對城市大氣環境影響巨大。為此，國際海事組織（IMO）、美國環保局（USEPA）、歐洲環境署（EEA）等均針對全球和局部海域船舶排放廢氣中的SOX及NOX含量提出了日趨嚴苛的限值規定。為了滿足相關法規的要求，船東必須采取相應的合規措施，但是針對不同的船型必然有更適應它的減排措施。本文以長航6000 m3耙吸挖泥船為分析對象，分析對于此類大型耙吸挖泥船可能的減排措施及其對船體布置帶來的影響。

為減少船舶柴油機尾氣排放中的硫氧化物含量，最簡單的方式就是減少船舶所使用的燃油中的含硫量。因此MEPC58次會議上通過了MARPOL附則VI修正案。修正案要求從2005年開始，當船舶航行于硫氧化物排放控制區（SECA）時，燃油硫含量最高不得超過1.5% m/m；從2010年7月1號開始，運行于該區域的船舶所使用的燃油硫含量不得超過1.0% m/m；從2015年1月1日開始，此區域航行的船舶所使用的燃油硫含量將被限制至0.1% m/m之下。

同時修正案要求從2012年1月1日開始，全球范圍船舶燃油含硫量從4.5 % m/m降至3.5 % m/m，并在2018年之前作出可行性評估，是否在2020年要求全球船舶使用含硫量低于0.5 % m/m的燃油。

2016年10月26 日在倫敦召開的MEPC70次會議上，通過了2020年1月1日開始，在全球海域限制船舶燃油硫含量不超過0.5% m/m的決議。2017年7月3日，MEPC71次會議再次確認2020年1月1日全球海域船舶燃油硫含量不超過0.5% m/m標準實施日期不變。限硫法規按時生效執行已經沒有懸念。

國內也于2015年12月4日發布了《珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案》，實施方案要求控制區內自2016年1月1日起，船舶嚴格按照國際公約及國內法律法規關于硫氧化物的排放要求，控制區內有條件的港口可以實施船舶停靠期間使用硫含量低于0.5% m/m的燃油。自2017年1月1日船舶在排放控制區內的核心港口區域停泊期間（靠港后的一小時及離港前的一小時除外，下同）應使用硫含量低于0.5% m/m的燃油；自2018年1月1日起，船舶在排放控制區內所有港口靠岸停泊期間應使用硫含量低于0.5% m/m的燃油；2019年1月1日起，船舶進入控制區應使用硫含量低于0.5% m/m的燃油；2019年12月31日前，評估前述控制措施實施效果，確定是否采取以下行動：① 船舶進入控制區使用硫含量低于0.1% m/m的燃油；② 擴大排放區地理范圍；③ 其他進一步措施。

針對柴油機廢氣中的氮氧化物，世界范圍內從2011年1月1日起，柴油機氮氧化物排放需滿足TIER II要求，同時IMO在2008年10月對MARPOL公約附則VI進行了修正，要求在2016年1月1日及以后建造的船舶，若要在氮氧化物排放控制區航行，柴油機的尾氣中氮氧化物的排放需滿足TIER III要求，其中共設立了北美和加勒比海域兩個排放控制區。在2016年，又增設了波羅的海和北海兩個排放控制區，針對這兩個排放控制區，在2021年1月1日后新建的船舶需滿足TIER III要求。

可以看到，全球范圍對于船舶排放的要求越來越高，并且整個要求的推進速度并未出現反復，對于排放的要求一直在穩步提高?？梢灶A見，隨著公眾及政府部門對于環保的日益關注，對于船舶排放的要求仍將進一步提高。

1 船舶排放合規措施及其系統配置差異與可行性分析

針對船舶排放物中的硫氧化物排放，根據MARPOL附則VI修正案對于硫排放上限的決定，經過官方正式的燃料可用性評估，為船東提供了三種措施應對硫排放限制：船舶進入排放控制區前更換滿足排放標準的低硫油、使用LNG作為替代燃料或加裝船舶廢氣脫硫裝置。

其中LNG作為一種清潔能源，若使用在船舶柴油機上，可有效減少柴油機尾氣中的硫氧化物，氮氧化物及顆粒物，但因受制于LNG柴油機及雙燃料柴油機的價格仍較昂貴，且在全球范圍內LNG加注配套措施都不完善，同時LNG燃料系統比較復雜，給LNG在船舶上的應用帶來了很大的限制。

船舶使用低硫燃油可直接滿足公約要求。目前硫含量低于0.5% m/m的低硫重質燃油的價格與硫含量低于3.5% m/m的重質燃油的價格相差不大，但是含硫量低于0.1% m/m的燃油目前均為輕質柴油，價格相比重質燃油高出不少。此外，低硫輕質燃油運動黏度較低，潤滑效果差，在柴油機運行的過程中會加劇柴油機精密偶件的磨損。因此為了滿足柴油機燃油進機黏度的要求，通常需配置進機燃油冷卻器。部分船東擔心在船舶作業時無法加注到足夠黏度的燃油，還會配置冷凍機組保證冷卻效果，確保進機燃油黏度不會因過低民致柴油機損壞。

除了上述兩種降低SOX排放的方案，還可采用廢氣脫硫裝置來實現等效的硫排放要求。廢氣脫硫技術已經進入實際工程運用幾十年，具體的脫硫方法種類繁多且技術比較成熟，目前船舶廢氣脫硫裝置中大都使用的海水脫硫法。這種方式工藝簡單、可靠高效，且對生態污染比較小，是一種比較理想的技術。但該裝置尺寸較大，對于船舶有限的安裝空間影響很大，布置十分困難，而且會增加排氣系統背壓，并且一套廢氣脫硫裝置的初始投入亦較高。

在針對SOX的減排措施中，使用LNG作為替代能源是目前最為有效，且可同時降低SOX與NOX的排放。但是要使用LNG作為替代能源，船舶的燃料系統需要重新設計，需在船舶上設置一套供氣系統，其系統典型布置圖如圖1所示。

圖1 L N G供氣系統典型圖

可以看到，整個LNG供氣系統比較復雜，且由于LNG燃料的特點，整套供氣系統的多個處所如氣罐處所、機器處所、充裝處所以及管系（含閥件和附件）均可能發生危險。因此若選擇LNG作為船舶燃料，對于船舶布置及設計均需作巨大改變。這種方案目前在國際范圍內的挖泥船領域應用也不多見，只有比利時DEME公司于2017年交付使用的一艘3500 m3耙吸式挖泥船，以及若干目前仍然在建的耙吸及絞吸挖泥船，且所使用的柴油機均為雙燃料柴油機。

此外，對于國內而言更是面臨LNG加注基礎設施仍然不足，亞洲LNG價格較高影響其經濟性，技術規范缺失，LNG燃料動力船操作人員資質與培訓缺乏以及LNG燃料動力船的技術研發投入不足等問題［1］。這些因素也大大制約了LNG作為船舶燃料在國內的應用。

在針對SOX的減排措施中，選擇低硫油作為船用燃油對于船舶的原有系統是改動最小的，但是也面臨一些問題。最大的問題就是船舶的燃油系統、機械設備一般都是基于重油/船用柴油設計的，低硫燃油在船舶上的使用將對燃油系統和船用燃油設備造成重大的影響。船用輕柴油（MGO）在實船應用上面臨的最大問題是低黏度。燃油過低的黏度會民致潤滑效果不佳，柴油機內部精密偶件磨損加劇，密封性能下降，進而民致柴油機油泵泄露增加。這會減少柴油機部件的使用壽命，增加柴油機的保養成本［2］。因此為了滿足柴油機正常使用的要求，柴油機廠家均對進機船用輕柴油（MGO）黏度提出最低要求，具體要求見表1。理論上只要進機燃油粘度不低于表1要求，柴油機就可正常使用。

表1 柴油機進機船用輕柴油（MG O）黏度要求

為了保證進機船用輕柴油（MGO）黏度不低于柴油機要求，需要配置船用輕柴油（MGO）冷卻器，部分船東擔憂無法買到40℃時黏度足夠高的燃油，還會考慮配置冷凍機組，將進機燃油溫度降至更低以保證進機的燃油黏度。

但是目前只有要求燃油含硫量低于0.1% m/m時才需使用船用輕柴油（MGO），含硫量低于0.5% m/m的重質燃油國內已有供應。因此目前低硫油應用主要是針對硫排放控制區的排放要求。使用低硫油來滿足SOX排放要求的措施還有一個優勢就是可以切換使用低硫燃油及重質燃油以滿足不同區域對于SOX排放的不同要求，兼具靈活性和經濟性。

如果采用廢氣脫硫裝置來滿足SOX的排放要求，則需配置一整套廢氣脫硫裝置，目前船舶廢氣脫硫系統主要分為干式洗滌脫硫系統和濕式脫硫系統兩大類，由于船舶的運營特點，濕式脫硫系統成為船舶廢氣洗滌脫硫的首選。其中還有淡水洗滌廢氣（閉式洗滌系統）與海水洗滌廢氣（開式洗滌系統）及混合模式三種型式。但是開式洗滌系統運行時受海水鹽度及溫度影響，效果難以保證，而混合模式系統又過于復雜，初始投資成本及運營成本較高［3］，閉式系統更加環保可靠，以下對比均采用閉式洗滌系統。其中閉式洗滌系統主要部件有洗滌塔、沖洗泵等，具體的系統流程圖見圖2。

圖2 廢氣脫硫系統典型流程圖

降低船舶硫氧化物排放的不同措施所需增加的設備見表2。

表2 降低船舶硫氧化物排放系統配置對比

對于船舶排放中的氮氧化物，現在世界范圍已經要求達到TIER II的要求，目前的柴油機大都可以通過自身設計來滿足TIER II的要求，無需采取其他措施來滿足排放要求。但是船舶若要航行于排放控制區域，則需滿足TIER III的要求。為了滿足TIER III的排放要求，柴油機廠家探索了很多技術措施如：兩級增壓技術、SCR 后處理、米勒循環、船用EGR技術、乳化油、等離子體除NOX技術等。其中有代表性的措施主要有以下三種：加裝選擇性催化還原（SCR）裝置、使用LNG作為替代燃料或讓柴油機采用廢氣再循環（EGR）系統。

LNG作為替代能源可以同時降低SOX與NOX的排放，但是其應用的困難之處在前文已經介紹過了，在這里就不再贅述。

在降低NOX排放的措施中，除了使用LNG作為替代燃料，還有廢氣再循環技術（EGR）。EGR系統所采用的廢氣再循環技術主要是指柴油機在運行時將一部分廢氣引回進氣管，與新鮮空氣混合后再進入氣缸，重新燃燒做功，從而大幅度降低氮氧化物的生成量，滿足TIER III的排放要求。

而另一種降低NOX排放的技術即為選擇性催化還原（SCR）技術指以NH3（尿素溶液）為還原劑，利用其對NOX的高選擇還原性，將排氣中有害的NOX優先還原為無害的N2和H2O的后處理技術。這種技術有NOX轉化率高（可達90%以上），裝置結構簡單、維護方便，不影響柴油機原有特性，且技術成熟，應用廣泛。但是與廢氣脫硫裝置一樣，SCR系統增加的混合筒及反應爐尺寸較大，會增加柴油機排氣管上的背壓，并且需要增加不菲的初始投資。

EGR技術是指通過鼓風機從柴油機排氣中抽取部分廢氣經凈化、冷卻后再與增壓器送來的新風混合，一起進入掃氣集管內，以此來降低掃氣中的氧氣濃度。而燃燒過程中NO的生成是與含氧量的平方根成正比的，因此廢氣中的氮氧化物的含量被大大降低了。且廢氣中的CO2及水蒸汽的熱容量大，提高了廢氣的比熱容，進而降低了燃燒的峰值溫度和NOX的產生。其系統包括EGR單元、收集柜單元、供給單元、水處理單元、輔助艙柜（NaOH柜，渣艙，泄放艙），控制系統等設備，典型的系統流程圖如圖3所示。

SCR系統是一種柴油機廢氣后處理裝置，運用化學反應原理，在300～400℃的溫度下，以氨或尿素作為還原劑有選擇的與NOX反應，將NOX排放物轉化為氮氣和水。其主要化學反應方程式為［4］：

圖3 E G R系統流程圖

其整個工藝流程的第一步是將尿素溶液噴入混合筒與柴油機廢氣充分混合，然后進入SCR反應爐，以反應爐中的催化劑為媒介，完成催化還原反應，將NOX還原成對環境無害的N2及H2O。因此SCR系統共包含混合桶、反應爐、供給噴射單元、控制單元、尿素存儲單元等設備，典型的系統流程如圖4所示。

圖4 S C R系統流程圖

降低船舶氮氧化物排放的不同措施所需增加的設備可見下頁表3。

表3 降低船舶硫排放系統配置對比

綜上所述，不同的船舶減排措施均需滿足一定要求，增加特定的設備，都會對船舶系統以及柴油機的運行產生影響，因此需要針對不同船型的特點來選擇。其中，若使用LNG作為船舶的替代燃料，可以同時解決SOX及NOX的排放問題，但由于其燃料系統過于復雜，且受LNG加注配套措施不足的影響，國內目前仍無法普及。

此外，對于大型耙吸挖泥船此類工程船舶而言，其機艙層高相對較低，且機艙內設備較多，同時裝機功率也較高，因此不論是選擇直推主機或者主發電機組柴油機時，基本都是選擇中速柴油機。這樣便給減排措施帶來一些局限性。首先EGR技術就難以在大型耙吸挖泥船上應用，因為目前中速機上的EGR技術還未開發完成，市場上還沒有可應用EGR技術的中速柴油機供應。同時中速柴油機背壓較低，目前通過改進增壓器，增加柴油機油耗的方式，中速柴油機背壓也只能達到5 kPa。而安裝在柴油機排氣管上的廢氣脫硫裝置或是SCR裝置均會增加排氣管背壓，若同時使用極有可能超過柴油機的背壓允許范圍。

因此對于使用低速柴油機的運輸船而言，EGR技術加脫硫方案更適用，而對于使用中速柴油機的工程類船舶而言，SCR加低硫油的方案則更適用。

2 長航6000 m3耙吸挖泥船柴油機排放控制系統配置分析

本文的研究對象——長航6000 m3耙吸挖泥船的主要設計參數如下：

船體總長： 約122 m

型寬： 24.8 m

型深： 9.6 m

國際干舷吃水： 7.2 m

泥艙載泥量： 約8700 t（約6000 m3）

最大載泥量： 約11600 t

該船是亞洲第一艘全電力驅動的耙吸挖泥船，該船建造是用于長江下游12.5 m深水航道維護疏浚及吹填工程，可兼顧長江口及沿海港口疏浚作業。該船的所有柴油機均滿足TIER II的排放要求，且所有需燃用燃油的設備均可燃用低硫油，因此該船設計完全滿足《珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案》以及MEPC對于SOX排放的要求。同時考慮到環保的要求日益提高，2016年又增設了波羅的海和北海兩個NOX排放控制區，因此雖然國內還未設立NOX排放控制區，該船也未配備脫硝裝置，但是在設計中為將來的TIER III排放合規措施改造作了考慮，將煙囪的橫向寬度加寬，為未來的改造預留了空間。

該船艙內共布置了3臺4224 kW主發電機組，并在2平臺布置了1臺1500 kW主發電機組及1臺500 kW停泊發電機組，其機艙平面布置圖如下頁圖5所示。

就長航6000 m3耙吸挖泥船的動力配置而言，其主電站所選柴油機為WARTSILA生產的3臺8L32E及1臺8L20中速柴油機，根據設備廠提供的減排方案，廢氣脫硫裝置會給排氣管增加1.5 kPa背壓，SCR系統會給排氣管增加1.2 kPa的排氣背壓，同時排氣管消音器及廢棄鍋爐一般均會增加1 kPa的排氣背壓?？梢钥吹?，若期望通過組合使用SCR與廢氣脫硫裝置來一次性解決SOX與NOX排放的問題，SCR裝置、廢氣脫硫裝置及消音器的總背壓就將達到3.7 kPa，留給排氣管本身的背壓只剩1.3 kPa，而這只是理想狀態下的設備背壓，如有設備背壓超過理想值，整個排氣系統都將面臨超壓的危險。同時，脫硫洗滌塔的尺寸及SCR系統的反應爐及混合筒尺寸均較大，洗滌塔的尺寸甚至高達8 m，并且均帶有大量輔助設備，若想全部布置進船舶機艙及煙囪內，對于挖泥船的機艙設計來說很困難。因此，就挖泥船的機艙設計及柴油機配置而言，組合使用廢氣脫硫裝置與SCR系統可行性比較差；并且一旦組合使用兩套系統，由于廢氣鍋爐還會增加1 kPa的排氣管背壓，將民致排氣管上的廢氣鍋爐無法安裝。這時如果還是采用重油作為主要燃料，就需要通過燃油鍋爐持續加熱油艙。這樣相比采用低硫油來解決SOX排放問題，采用廢氣脫硫裝置使得船舶運營時能夠燃用重油來降低運營成本的優勢也會大大降低。因此，若想同時解決SOX與NOX排放問題，通過燃用低硫油及加裝SCR系統，在經濟性及可行性上無疑是更好的選擇。

圖56000 m3耙吸挖泥船機艙布置圖

而就使用LNG作為替代能源來說，已有柴油機廠家提供適用的柴油機，如WARTSILA及MAN設計的雙燃料中速柴油機及RR公司設計的純氣體柴油機。但是由于其燃料系統比較復雜，且LNG易燃易爆的特點，民致系統存在多處危險區域，安全隱患大，在實船應用時，船東顧慮較多。目前世界范圍也只有一艘小型耙吸挖泥船交付使用，并且還是采用的雙燃料柴油機。因此，可待更多使用LNG作為柴油機燃料的挖泥船交付使用之后，觀察實船應用情況再作考慮。

綜上，對于長航6000 m3耙吸挖泥船的減排措施，目前建議組合采用低硫油及SCR裝置的方案，這個方案更加適合耙吸挖泥船的柴油機類型，且系統更為簡單與可靠，船員的日常管理也更為簡單。

從布置圖中可以看到不論是在機艙艙內，還是機艙2平臺，均布置了較多設備，想要在其中增加更多設備，均需對現有的布置作出較多調整。其中本船已經為船舶燃用低硫燃油進行了相關設計，在供油單元及柴油機回油管路增設了低硫燃油冷卻器及MGO日用艙柜及MGO儲存艙，因此改造只需將SCR系統布置進去即可。而在設計時，考慮到環保要求日趨嚴厲的狀況，也為SCR系統的改造預留了空間，即加大了煙囪寬度。根據設備廠提供的SCR系統方案，SCR系統中的4臺主發電機組柴油機可共用1套輔助設備，其尺寸如表4所示。

表4 S C R系統輔助設備尺寸mm

除此之外，還需在船舶上設置尿素儲存艙，可以看到機艙艙內并無空間再增加尿素艙。綜合考慮，可將船舶尾部2平臺上的壓載艙3P/3S改造成尿素儲存艙，同時輔助設備也可同樣布置在2平臺之上。具體布置見圖6。

圖66000 m3耙吸挖泥船S C R系統輔助設備布置圖

可見，在6000 m3耙吸挖泥船的機艙內增加尿素儲存艙及SCR系統的輔助設備對原有布置影響不大，但SCR系統中還需在每臺主發電機組柴油機的排氣管上增設混合筒及反應爐，其尺寸如表5所示。

可以看到，混合筒及反應爐長度方向的尺寸都十分驚人，為8L32E所配置的反應爐及混合筒長度方向的尺寸均達4 m。因此，若想全部布置于煙囪內，長度方向并不現實。此外，還可以發現混合筒的出入口口徑與柴油機排氣管相差無幾，且混合筒水平及垂直布置皆可，因此可將混合筒水平布置。8L20的排氣管上因為并未設置廢氣鍋爐，因此混合筒亦可垂直布置于煙囪內，其布置情況參見圖7。

表5 S C R系統混合筒及反應爐尺寸mm

圖76000 m3耙吸挖泥船S C R混合筒及反應爐布置圖

可以清晰地看到，由于設計時已經將煙囪寬度加寬了，因此在寬度方向，布置并無太大問題，但是SCR裝置仍與煙囪內結構有干涉現象。因此，若想在現有的布置情況下將SCR系統布置進去，必將對煙囪進行改造。

首先是平面狀態，6000 m3耙吸挖泥船為了加強煙囪結構強度，在煙囪內設置了十字型的加強結構，這限制了煙囪內布置反應爐的空間，將會與反應爐干涉，需要取消這個加強結構方可將反應爐布置進去。

同時，由于保留了廢氣鍋爐，1～3號主發電機組柴油機的排氣管高度十分高，即使將反應爐布置在主甲板之上，整個排氣管也將高于現有的煙囪頂板高度。因此，煙囪應根據設備情況適當加高。

此外，煙囪在主甲板還布置有燃油鍋爐。將反應爐布置進去后，空間十分緊張。因此，從機艙2平臺通入煙囪的斜梯由于同反應爐干涉，故也需取消。

3 結 語

本文結合6000 m3耙吸挖泥船柴油機機型特點，相關法規對船舶柴油機排放的要求及現有的廢氣處理措施，分析得出以下結論：對于大型耙吸挖泥船而言，目前采用燃用低硫油及加裝SCR裝置的方式來同時滿足排放區法規對船舶柴油機SOX及NOX排放的要求在可行性及經濟性上更加適用；同時根據6000 m3耙吸挖泥船的布置情況，分析得出若想將SCR系統布置進去，需對煙囪進行改造。由于前期設計時，在煙囪寬度方向預留了SCR反應器的位置，因此僅需加高煙囪高度，同時對煙囪內結構形式進行優化設計來滿足SCR系統的布置要求即可。