船用柴油機廢氣脫硫技術(shù)和經(jīng)濟性分析

王 娜 ,沈海濤

（1.浙江天地環(huán)保科技股份有限公司,浙江 杭州 311100;2.浙江浙能邁領(lǐng)環(huán)境科技有限公司,浙江 杭州 311200）

近年來,船舶排放污染物對大氣環(huán)境和海洋環(huán)境造成的污染和危害日趨嚴重.2014 年國際海事組織(IMO)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,船舶柴油機排放尾氣中的SO2約占全球排放總量的13%[1].為了減少船舶對大氣環(huán)境的影響,國際海事組織決定,自2020年1 月1 日起在全球?qū)嵭小跋蘖蛄睢?即船用燃油硫應(yīng)不超過0.5%m/m[2].

船舶發(fā)動機廢氣脫硫系統(tǒng)是IMO 認可的應(yīng)對硫排放要求的三種措施之一,具有脫硫效率高、設(shè)備適應(yīng)性強、運行和維護費用較低、操作靈活等一系列優(yōu)點[3].自2018 年下半年全球掀起了一股加裝脫硫系統(tǒng)的熱潮,到2020 年3 月,大約有4 014艘船舶進行了脫硫裝置運營或訂購.

早在“限硫令”之前,孫化棟[4]、吳斌等[5]、梁培生等[6]已對船舶脫硫進行了研究,但直到目前船舶脫硫裝置的真正交付使用,船舶脫硫技術(shù)、市場、運營和監(jiān)管等方面才逐漸趨于完善.周松[7]、郭琳[8]等雖對脫硫裝置經(jīng)濟性進行了研究,但未對最重要的影響因素——油價差進行動態(tài)分析,該因素在近年來國際油價波動巨大的背景下顯得尤為重要.本文重點對具有良好技術(shù)適用性和經(jīng)濟性的鎂基混合式脫硫進行技術(shù)和經(jīng)濟性分析.

1 船舶脫硫系統(tǒng)技術(shù)分析

目前比較成熟且已經(jīng)實船商用的船舶廢氣脫硫技術(shù)主要有海水法、堿法、混合法等.海水法利用海水含有大量可溶性鹽,具有天然的酸堿緩沖能力及吸收SO2的能力,達到煙氣凈化的效果.堿法以淡水+NaOH 或者海水+Mg(OH)2作為脫硫劑,當吸收液的pH 值下降時只需繼續(xù)加入NaOH 或Mg(OH)2,具有脫硫效率高、能耗低、廢水量少的優(yōu)勢.混合法根據(jù)海水法和堿法各自的特點開發(fā)形成一套混合式脫硫系統(tǒng),提供靈活的海水洗滌與堿液洗滌模式切換,以便更好地適應(yīng)船舶實際需求.在排放控制區(qū),為了達到較高的脫硫效率切換至堿法,排放控制區(qū)之外,為了降低運行成本切換至海水法,鎂基混合式工藝流程如圖1 所示.在開式模式下,循環(huán)泵直接將海水打入洗滌塔中,對廢氣進行洗滌,反應(yīng)后的廢水經(jīng)檢測合格后直接排放至海中.在閉式模式下,循環(huán)泵將循環(huán)倉內(nèi)的洗滌液打入洗滌塔中與廢氣進行反應(yīng),反應(yīng)后的洗滌液回到循環(huán)倉.當循環(huán)倉內(nèi)的洗滌水pH 值降低到下限值時,通過堿泵將Mg(OH)2藥劑自動添加到循環(huán)倉內(nèi),增加洗滌液的堿度,提高中和反應(yīng)能力.當循環(huán)倉內(nèi)的洗滌液密度達到上限值時,洗滌液自動排放廢水至廢水處理系統(tǒng),處理后的廢水指標(pH、PAH 和濁度)符合要求后排放至大海.

圖1 混合式脫硫系統(tǒng)工藝流程

該系統(tǒng)較好地利用了海水法和堿法的技術(shù)優(yōu)勢,公用一套循環(huán)泵組,通過循環(huán)泵前和洗滌塔廢水排放后4 個自動閥門的開關(guān)控制達到開閉式切換的目的,能夠使船舶適應(yīng)不同航行環(huán)境,特別適合遠洋航線的大型船舶,減少船舶堿液存儲量與二次環(huán)境污染,但該類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、操作等更為復(fù)雜,初始投資成本更高.

船舶全時段使用閉式系統(tǒng)運行費用較高,因此船舶很少單獨安裝閉式系統(tǒng).開式系統(tǒng)是直接引入海水參與反應(yīng)后排回大海,對應(yīng)用海域有較高要求.截至2020 年2 月,已有新加坡、中國、比利時、德國、法國、葡萄牙、西班牙、愛爾蘭、挪威等20 多個國家和地區(qū)的港口宣布禁止在一定范圍內(nèi)使用開式脫硫系統(tǒng),進入這些區(qū)域前需要先切換到閉式系統(tǒng)模式或使用低硫燃油.越來越多的船東選擇了混合式脫硫系統(tǒng)以應(yīng)對全球的限硫令及各港口國的本地規(guī)定,因此本文著重對混合式脫硫系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性進行分析.

2 混合式脫硫系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

自2020 年1 月1 日限硫令實施近1 年后,船舶脫硫系統(tǒng)的建造成本和運行情況已基本穩(wěn)定,此時的經(jīng)濟性分析更真實,更具有實際指導(dǎo)意義.

2.1 全壽命周期費用分析法

把一定時期內(nèi)所有的主要費用(包括支出和收益)都考慮在內(nèi),并把不同時間發(fā)生的費用以現(xiàn)值表示,才能對方案作出合理的經(jīng)濟比較,從而實現(xiàn)資源的合理配置,實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化,稱為壽命周期費用分析法[9].全壽命周期成本最優(yōu)要求人們從項目全壽命出發(fā),不僅要考慮項目的初始投資,更要考慮項目在整個全壽命周期內(nèi)的支持成本,包括運行、維修、更新直至報廢的全過程.

2.2 全壽命周期費用分析實例

以一艘營運遠洋集裝箱船為例,主機實際最大運行功率為37 100 kW,4 臺輔機最大運行功率均為 2 400 kW,歷史記錄統(tǒng)計該船舶日平均耗油120 t,正常每年航行按300 d 計,50 d 運行在排放控制區(qū)內(nèi),使用堿法系統(tǒng),250 d 航行在排放控制區(qū)外,使用海水法系統(tǒng).該船混合式脫硫系統(tǒng)于2019 年在中國安裝,改造周期約70 d,設(shè)定系統(tǒng)的全壽命周期為10 a,美元兌人民幣匯率以6.9 計.全壽命周期各項費用如下:

(1)燃油節(jié)省費.如果不安裝脫硫系統(tǒng),則船舶在公海航行時須燃燒0.5% S 的HFO,排放限制區(qū)內(nèi)航行須燃燒0.1% S 的MGO,而安裝脫硫系統(tǒng)后,則可以一直燃燒高硫重油HFO380.2020 年HFO380 平均價格約為280 美元·t-1,0.1% S的MGO平均價格約為400 美元·t-1,0.5% S 的HFO380 平均價格約為340 美元·t-1,高低硫油價差分別為120 美元·t-1和60 美元·t-1.燃油節(jié)省=燃油價差×排放區(qū)域內(nèi)油耗,則一年的燃油節(jié)省費用為1 739 萬元.

(2)設(shè)備及船舶改裝費.混合式船舶脫硫系統(tǒng)的一次性設(shè)備購置費為1 380 萬元,船舶改造及安裝費為966 萬元.

(3)停工損失費.因船舶安裝該脫硫裝置需停運70 d 進行改造,據(jù)船東統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,停工期該船舶的平均盈利損失共約1 093 萬元.

(4)運行成本.包括物耗、能耗、人工費、維修費和廢物處理費,使用海水法和堿法下的平均物耗及能耗見表1.(a)物耗費:海水法的主要原料為海水,直接從大海中抽取,故不計其物耗費;堿法的主要原材料為Mg(OH)2,其耗量為560 kg·h-1,現(xiàn)單價約為4 000 元·t-1,故Mg(OH)2年購置費用約為269 萬元.(b)能耗費:海水法的電耗為510 kWh·h-1,堿法的電耗為520 kWh·h-1.根據(jù)船用發(fā)電機的效率計算出電價約為0.43 元·(kWh)-1,該脫硫系統(tǒng)的年耗電費為158 萬元.(c)人工費:因該脫硫設(shè)備的自動化程度較高,只需船員進行簡單的開啟和常規(guī)檢查工作,不需要增加額外的人工費,故人工費不計取.(d)維護費:按設(shè)備費的5%計取,即第i年的維護費=設(shè)備費×5%×(1+y)i-1,y為生產(chǎn)價格指數(shù)的增長率,按平均值2%計取.(e)廢棄物處理費:該混合式船舶脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的主要廢棄物為灰顆粒及帶鹽的普通固溶物,不屬于危廢范疇,其產(chǎn)生量為12 kg·h-1,目前該固廢物的處理費用約為3 000元·t-1,則每年產(chǎn)生的固廢物處理費約為4 萬元.

表1 海水法和堿法脫硫系統(tǒng)的平均物耗及能耗

表2 給出了該船安裝脫硫系統(tǒng)全壽命周期的經(jīng)濟性評價[10].可以看出,在全年僅50 d 運行在排放控制區(qū)且油價差僅60 美元·t-1,油價處于歷史低位的情況下,該混合式脫硫系統(tǒng)的靜態(tài)回收期為2.8 a,并且運營10 a 后,凈現(xiàn)值高達8 879 萬元.行業(yè)基準收益率按12%考慮,該脫硫系統(tǒng)的動態(tài)投資回收期為3.1 a,折現(xiàn)后的凈現(xiàn)值為4 366 萬元,且隨著后期油價差的上漲,其收益將進一步增加.

2.3 影響因素分析

從表2 中可以看到,針對具體的一艘營運船舶,其營運日均油耗、脫硫系統(tǒng)的開閉式使用時間、電耗和物耗等相對穩(wěn)定,在脫硫系統(tǒng)設(shè)備費和安裝費趨于穩(wěn)定的情況下,高低硫油價差將成為脫硫系統(tǒng)經(jīng)濟性的最大影響因素.從2018 年至今的高低硫油價歷史數(shù)據(jù)來看,HFO380 高硫油與0.5% S的低硫油平均價差約250 美元·t-1,2020 年1 月曾最高達350 美元·t-1.目前僅為之前平均價差的1/4,從長期來看,隨著世界經(jīng)濟的逐步正常化,油價差上漲的空間較大.

表2 混合式脫硫系統(tǒng)經(jīng)濟性評價

因此,本文進一步分析了高硫油與0.5% S 低硫油價差波動(區(qū)間為45～140 美元)對該集裝箱船脫硫系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)投資回收期和折現(xiàn)前、折現(xiàn)后凈現(xiàn)值的影響(高硫油與MGO 油價差按高、低硫油價差的2 倍考慮),如圖2 所示.

圖2 高低硫油價差對回收期和凈現(xiàn)值的影響

可以看到,凈現(xiàn)值隨著高低硫油價差的增大而增加,基本成正相關(guān)的線性關(guān)系.回收期隨著油價差的增大而減小,成負相關(guān)關(guān)系.當HFO380 高硫燃油與0.5% S 低硫燃油價差在45～90 美元·t-1之間時,靜態(tài)回收期下降幅度明顯(3.9 a 降至1.7 a);而油價差在90～140 美元·t-1之間時,靜態(tài)回收期下降相對平緩(1.7 a 降至1 a).油價差處于中高位后,脫硫系統(tǒng)節(jié)省的燃油費用會明顯增加,投資回收速度加快,當油價差大于140 美元·t-1時,至多運行1 a,燃油費用節(jié)省即可回收該脫硫系統(tǒng)運行10 a的全部投資和運行成本,且經(jīng)計算,運行10 a 的折現(xiàn)前凈現(xiàn)值高達3 億元,投資回報率非常高.

雖然船舶航運市場具有周期性的波動,但整體而言,世界遠洋船舶數(shù)量一直呈增長趨勢,而高低硫油價差越大,船舶日均油耗越大,脫硫裝置的經(jīng)濟性越好,因此大型遠洋船舶混合式脫硫系統(tǒng)具有巨大的市場潛力.

3 結(jié)論及展望

(1)混合式脫硫系統(tǒng)綜合了開式和閉式系統(tǒng)的優(yōu)點,可滿足遠洋船舶在不同國家、不同海域航行時廢氣中SO2的達標排放,在技術(shù)上優(yōu)勢明顯.

(2)運用全壽命周期費用分析方法,更加科學(xué)、全面地對大型船舶脫硫系統(tǒng)進行經(jīng)濟性評價,可以得到不同航線、不同載重噸位、不同油價下船舶脫硫系統(tǒng)的靜態(tài)回收期和凈現(xiàn)值,為船東應(yīng)對“限硫令”的選擇提供依據(jù).

(3)從長遠考慮,大型遠洋船舶安裝混合式脫硫系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟性,且隨著高低硫油價差的回升,混合式脫硫系統(tǒng)將展現(xiàn)巨大的市場潛力.