船舶廢氣處理系統中化學藥劑的儲存

趙 翠，周青鋒，井雷雷

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引言

根據國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的新法規，從2020年1月1日起，全球范圍內的船舶燃油含硫量需從不高于3.5%降低至不高于0.5%，而在ECA排放控制區內則繼續實行不超過0.1%的規定[1]。同時，IMO要求2016年1月1日以后，所有航行在NECA（氮排放控制區）區域內的新建船舶必須滿足Tier Ⅲ的排放要求[2]。

為滿足排放要求，除采用低硫燃油和LNG外，目前新造船舶和改裝船多數配置選擇性催化還原（簡稱“SCR”）系統來降低氮氧化物排放并安裝脫硫塔來降低硫排放。SCR系統通常需要使用尿素溶液，而脫硫塔系統則需要使用NaOH溶液或Mg(OH)2溶液等化學藥劑。然而這些化學藥劑對儲存溫度及儲存容器材質等儲存條件均有苛刻的要求，為了保證他們在船上的安全使用，需要研究出經濟、安全的儲存方法。

1 尿素溶液的儲存

SCR技術是目前主流的船用柴油機NOX減排后處理技術，在催化劑的作用下，通過往排氣管路噴入一定量的尿素溶液，使尿素在廢氣高溫的作用下熱解、水解生成NH3并與廢氣中的NOX發生反應，將NOX還原為氮氣和水，從而降低廢氣中NOX含量。在實際使用中，船舶SCR系統普遍采用40%質量濃度的尿素水溶液（AUS40）作為還原劑，標準可參照ISO 18611-1/2/3[3]。

1.1 尿素溶液的特點

尿素又稱碳酰胺，化學式為(NH2)2CO，是由碳、氮、氧、氫組成的有機化合物。AUS40是由不含任何其他添加物的純尿素和純水混合而成的尿素含量為40%的尿素水溶液，常溫下不可燃、無臭無味、無毒性、揮發性差，受熱易變質，低溫易結晶。常溫下尿素溶液的化學性質相對穩定，在50 ℃條件下，會有少量游離氨產生。游離析出的氨氣具有刺激性氣味，極易溶于水，會對粘膜，如視網膜、鼻粘膜等造成損傷。

1.2 尿素溶液儲存容器材料選擇

尿素水溶液是一種弱堿性的液體，會與銅、鐵、鋁等材料發生化學反應，造成變質、腐蝕。船舶上與尿素溶液儲存、駁運、日用和泄放相關的管系、艙柜及其他可能與尿素接觸的部件，都應選用合適的合金鋼、不銹鋼、不易燃的塑料、做過防腐涂層處理的普通碳鋼或其他材料。

鑒于尿素管路的尺寸相對較小，綜合考慮使用壽命，建議與尿素接觸管路的材質選用不銹鋼316L。尿素儲存艙若為獨立艙柜可使用不銹鋼，若為結構艙柜可考慮鋼制艙柜內特涂層的做法。同時，結構艙柜的構件應盡可能的朝向艙外，保持艙內光整便于涂層操作，相關材質特點的對照分析見表1。

表1 尿素溶液儲存容器材質特點分析表

1.3 尿素溶液的儲存溫度要求

根據ISO 18611要求，不同儲存溫度工況下尿素的保質期是不一樣的，尿素溶液的儲存溫度一般為0～35 ℃。

由于過高或過低的溫度會影響尿素溶液的特性（長時間高于25 ℃易分解，低于1 ℃易結晶），應根據船舶航線或作業區域以及尿素溶液的存儲溫度范圍，為尿素儲存艙配置必要的冷卻或加熱系統[4]。在任何情況下，尿素溶液都應避免儲存在溫度高于40 ℃的環境中。當船上布置無法滿足相應環境溫度條件時，可采取的冷卻方法如下：

1）如船上設有冷媒水機組單元，則可使用此單元冷卻尿素溶液。

2）直接使用不超過32 ℃海水冷卻尿素溶液至35 ℃（儲存周期不超過6個月）。

3）在尿素艙與機艙的限界面所在區域增加通風量。

4）盡可能將尿素艙布置在可與海水接觸且在水線下的區域，以有效的控制尿素艙溫度。

5）與高溫區域接觸面鋪設絕緣，有效降低溫升速率。圖1是某LNG船尿素艙包覆絕緣后的溫升曲線，可以發現11 d后尿素艙溶液溫度從35 ℃升到36 ℃，之后趨于平緩，溫度基本穩定在36 ℃。

圖1 尿素溶液儲存艙絕緣的有限元分析

另外尿素溶液的冰點為0 ℃，為了防止管路結晶，可采用以下方法：

1）考慮航區環境，確定是否需要配備電加熱器，如需要，可設置鋪設在箱柜表面的電伴熱系統。

2）采用獨立的熱水加熱系統為尿素艙加熱（適用于高冰級船）。

3）在尿素系統長時間不使用時，可采用淡水將尿素溶液從管路中置換出來，防止尿素結晶堵塞管路。

1.4 尿素溶液儲存方案

如果船舶航行在不同地域且溫差較大，尤其是在熱帶地區進行航行的情況，為了維持尿素溶液的活性，需保證溶液溫度在一定的適用范圍之內。為此尿素艙可設隔離空艙，在艙壁增加絕熱包覆，并在艙內配備冷卻盤管。考慮到冬季機艙的環境溫度通常高于5 ℃，設計時做好尿素艙與水艙、油艙及露天的隔離，同時可在尿素艙附近設有空間加熱器以備不時之需。

某型化學品船，尿素艙布置在機艙后部，未與機艙直接相連，同時與外板隔有一定的距離，各個面布置有絕緣包覆，見圖2。

在設計階段對尿素艙的散熱進行計算，以便選取合適的位置。實船布置時還需考慮建造時期的艙內噴涂特殊防腐漆的工作，以及營運保養時期的艙內清潔工作。

2 NaOH溶液的儲存

在脫硫塔內，向柴油機等設備排出的尾氣噴入堿性溶液，硫氧化物會溶解于洗滌水中，從而清除排向大氣中的硫氧化物。目前采用的堿性溶液主要有NaOH溶液和Mg(OH)2溶液，NaOH溶液腐蝕性較強，藥劑成本較高。

圖2 某化學品船尿素儲存艙布置

2.1 NaOH溶液的特點

氫氧化鈉也稱燒堿，化學式是NaOH，與酸發生中和反應并放熱。固堿易潮解，遇潮時對鋁、鋅和錫有腐蝕性，并放出易燃易爆的氫氣。不會燃燒，遇水和水蒸汽大量放熱，形成腐蝕性溶液。其健康危害為：有強烈刺激和腐蝕性。粉塵刺激眼和呼吸道，腐蝕鼻中隔；直接接觸皮膚和眼可引起灼傷；誤服可造成消化道灼傷，粘膜糜爛、出血和休克。

2.2 NaOH溶液儲存容器材料選擇

堿液儲存、駁運相關的管系、艙柜、承滴盤或其他可能與溶液接觸的任何部件，禁止使用鋁、鋅、銅或鍍鋅鋼等材料。堿液艙和管道可使用不銹鋼、涂層鋼、聚合物或其他合適的材料。船上布置時，堿液儲存艙通常為結構艙柜，艙室內表面可以采用多道環氧樹脂保護，管子和閥件推薦采用不銹鋼（SUS316L）材質。

2.3 NaOH溶液的儲存溫度要求

目前，多數廠商采用50%的NaOH溶液（簡稱堿液）作為閉式或混合式脫硫系統的中和介質。為了在儲存及輸運過程中使溶液維持在規定的溫度范圍內，應設有合適的溫度控制措施，防止溫度低時產生結晶影響使用，或者溫度高時導致材料過度腐蝕。

由于50%的NaOH溶液在12 ℃以下開始結晶，堿液艙和管路需進行保溫并設加熱裝置，加熱方法有：

1）采用低溫冷卻水（36 ℃）加熱堿液至30 ℃，該方法加熱時間長，但可避免加熱溫度過高導致腐蝕。圖3為某化學品船堿液艙的熱損失，根據熱損失可估算加熱盤管的長度。

圖3 某化學品船堿液艙的熱損失

2）采用電加熱，該方法加熱時間短，但需要監控，以避免局部過熱從而加速腐蝕速率。圖4為某集裝箱船使用的浸入式加熱器，帶溫度監控裝置。加熱管由不銹鋼管加熱元件構成，水平安裝于堿液艙上。

圖4 法蘭連接式電加熱器

3）采用蒸汽加熱，由于蒸汽溫度過高，一般不推薦該方法。堿液的腐蝕破壞，最典型的就是碳鋼的應力腐蝕開裂，即通常所說的“堿脆”。實際上，對于50%的堿液，碳鋼的應力腐蝕約在49 ℃以上時就會發生。因此，船上堿液的理想儲存溫度為27～37 ℃，加熱溫度不宜超過49 ℃。

2.4 NaOH溶液儲存方案

圖5為某化學品船的NaOH溶液儲存艙，布置在機艙二甲板舷側。為了安全及方便保溫，與周圍其他艙室設置隔離空艙。艙內布置加熱盤管，加熱介質為低溫冷卻水，加熱盤管采用對接焊形式，且對接焊完成后需進行清潔，酸洗鈍化等流程。艙室內表面鋼板做特涂處理，外部做絕熱包覆。

箱柜的涂裝問題需要格外注意，進行施工前需與船東確認工藝流程，經過認可后方可進行下一步施工。另外，規范要求對該類設備布置的就近區域安裝安全淋浴和洗眼設備。

圖5 某化學品船NaOH儲存艙布置

3 Mg(OH)2溶液的儲存

Mg(OH)2溶液藥劑成本較低，通常是使用氧化鎂固體磨成超細粉末，與水、添加劑等混合成料漿，配成一定濃度的Mg(OH)2溶液（簡稱漿液）。利用循環泵將漿液噴入吸收塔，使氣/液充分混合，從而降低廢氣中的硫含量。

3.1 Mg(OH)2溶液的特點

氫氧化鎂又稱苛性鎂石、輕燒鎂砂等，化學式是Mg(OH)2，為白色晶體或粉末。溶于稀酸和銨鹽溶液，幾乎不溶于水和醇。水溶液呈弱堿性，對眼睛、呼吸系統和皮膚有刺激性。

目前船上大多采用濃度53%的Mg(OH)2溶液作為脫硫劑，其密度為1 440 kg/m3，PH值為10。但有廠家指出在溶液濃度高于30%時，即使使用用泵循環攪拌也會沉淀。氫氧化鎂漿料的物性比較可見表2，可以發現固含量為20%～30%的漿料，可常溫長期儲存，流動性好，黏度適中，適于泵送。

表2 氫氧化鎂漿料物性比較

3.2 Mg(OH)2溶液儲存容器材料選擇

對于輸送存在硫化氫腐蝕或漿液介質的管道和閥件推薦采用不銹鋼材質，以確保裝置長周期運行。船上布置時，Mg(OH)2溶液儲存艙通常為結構艙柜，由于其堿性較弱，可直接在鋼質液艙內表面涂上特殊防護漆后儲存。

3.3 Mg(OH)2溶液的儲存溫度要求

Mg(OH)2溶液是一種穩定的水懸浮液，最小儲存溫度為4 ℃。一般推薦的儲存溫度為20～30 ℃，且儲存于陰涼干燥、有防護設施的區域。遵循同等安全原則，儲存要求考慮滿足堿液的相關要求[5]。

圖6 某船漿液艙沉淀情況

由于漿液溶解度低，非常易于沉淀（見圖6），容易造成管路堵塞，漿液艙應設有防沉淀裝置。常見的防沉淀措施如下：

1）漿液循環泵

為防止氫氧化鎂漿液艙內氫氧化鎂顆粒沉淀，采用漿液循環泵組（見圖7），通過漿液的循環造成的擾動防止顆粒物沉淀。

2）壓縮空氣攪拌

向漿液艙中通入壓縮空氣（見圖8），通過氣體攪拌作用防止氫氧化鎂顆粒的沉降。

圖7 安裝漿液循環泵

圖8 壓縮空氣攪拌

3）淡水反沖洗功能

當閉式系統停止時，采用淡水沖洗漿液加注管路和漿液艙吸口（見圖9），防止漿液停留在管路中，致使漿液沉淀造成管路堵塞。

圖9 淡水反沖洗

另外，可以在漿液中添加防凝固劑等，能夠有效地防止漿液沉淀。

3.4 儲存方案

漿液艙設防沉淀裝置和艙室的大小、形狀也有關。為防止沉淀堆積，將攪拌泵安裝在艙室的最低點，防沉淀進口管則設計在艙室的最高位置，和漿液的出口管呈對角布置。另外，設計結構時應盡可能保證藥劑艙底部甲板面的平整，底部不設加強筋，加強筋布置在艙室側面且最好在外部。

4 結論

隨著國際社會對船舶污染問題的關注，船舶廢氣排放標準越來越嚴格，合規燃料價格過高，安裝排放控制系統則成為了多數船東的優先選擇。由于廢氣處理系統中的化學藥劑本身具有有毒、腐蝕、易揮發、容易結晶等特點，加之系統的功能性要求，這對藥劑的儲存也提出了很高的要求。化學藥劑可能對人員和設備造成一定危害，屬于危險品，因此合理儲存化學藥劑對船舶安全航行和船上人員健康有著重大的意義。