船用柴油機脫硫設備應用

章烈琪

（廈門海洋職業技術學院，廈門 361001）

目前，船用柴油機燃油含硫量受到國際和國內法規的嚴格限制，具體數值見表1。其中：排放控制區域（Emission Control Area，ECA）區域是指波羅的海、北海、北美以及美國加勒比海4大排放控制區；京津冀區域是指珠三角、長三角和環渤海水域排放控制區。國際防止船舶造成污染（International Convention for the Prevention of Pollution from Ships，MARPOL）公約規定，2015年1月1日開始，船舶燃油硫含量在ECA內不超過0.1%，終極目標是到2030年全球海域船用燃油硫含量不超過0.1%[1]。我國于2016年對船舶柴油機尾氣硫含量排放做了嚴格限定，初步目標是從2019年1月1日起，進入排放控制區的船舶燃油硫含量不超過0.5%[2]。在船舶燃油含硫量嚴格限制的背景下，海水脫硫技術因脫硫劑容易獲得、脫硫效率高、設備操作維護簡單和經濟性好等技術優勢，極具應用前景。本文針對某船用柴油機海水脫硫設備進行理論計算和實船應用分析，研究結果可為船用柴油機脫硫設備的選擇和實船應用提供一定的指導[3]。

表1 國際和國內法規對船用柴油機燃油硫含量的控制要求

1 船用柴油機海水脫硫設備工作原理

1.1 海水脫硫法原理

利用海水的弱堿性作為脫硫劑，將柴油機尾氣中的二氧化硫溶解吸收，處理后的柴油機尾氣含硫量達到排放要求通過煙囪排出[4]。處理后的海水呈酸性，需要通過添加堿性溶液進行中和，同時引入空氣進行氧化和爆氣處理，pH值達到相應標準后排出舷外。具體脫硫過程設計的化學方程式如下[5]。

溶解吸收過程為

中和過程為

曝氣氧化過程為

1.2 海水脫硫設備簡介

本文采用的海水脫硫設備主要由U形開式循環脫硫塔、氣體分析儀以及進出水分析儀等組成。脫硫設備原理如圖1所示。

圖1 海水脫硫設備原理

脫硫塔主要由噴射單元和吸收單元組成。其中：噴射單元由一大一小的兩組螺旋狀的海水噴頭組成；吸收單元由下往上由填料、一大一小兩組螺旋狀噴頭、除霧器、除霧器清潔噴頭組成。氣體分析儀主要對排氣中不同氣體進行檢測和硫氧化物含量測定，保證柴油機排氣脫硫率符合要求。進出水分析儀主要測定海水的pH值、溫度等，確保處理后的海水符合排放標準，避免造成二次污染[6]。

2 柴油機尾氣脫硫效率影響因素

根據文獻[7]，柴油機尾氣脫硫效率主要受燃油含硫量、排氣溫度、海水溫度和pH值影響，對柴油機尾氣脫硫效率影響分別如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖2 排氣溫度對脫硫效率影響

圖3 燃油含硫量對脫硫效率影響

圖4 海水溫度對脫硫效率影響

圖5 海水pH值對脫硫效率影響

圖2顯示，脫硫效率隨排氣溫度增加逐漸降低。排氣溫度在150～190 ℃范圍內變化時，脫硫率在96%以上。因此，在實船脫硫設備在使用過程中，柴油機排氣溫度宜控制在上述溫度范圍內。圖3顯示，燃油含硫量在1.0%～3.0%時對脫硫效率基本沒有影響，因此船舶柴油機燃油宜選擇含硫量3.0%以內，可最大限度保證經濟性和脫硫效率。圖4顯示，海水溫度在0～15 ℃時對脫硫效率基本沒有影響，超過20 ℃時對脫硫效率影響較大。因此，在使用脫硫設備時，海水溫度宜保持在20 ℃以下。圖5表明，脫硫效率隨海水pH值增加而增加，但總體影響較小。此外，脫硫設備實船運行表明，脫硫效率還會受到出口背壓的影響，實際上是風向風速的影響，宜選擇在風向風速穩定的狀態下運行脫硫設備。

綜上所述，船用海水脫硫設備使用時應控制較低的柴油機排氣溫度和海水溫度，保證燃油品質、適宜的海水pH值和穩定的風速風向。結果表明，柴油機排氣溫度、燃油含硫量和海水溫度分別控制在150 ℃、3.5%、20 ℃時，海水脫硫設備的脫硫效率可以達到98%。

3 海水脫硫設備實船應用分析

3.1 海水脫硫設備實船工作過程

柴油機排氣經過脫硫塔噴射單元，一大一小的兩組螺旋狀的海水噴頭同時打開噴水，海水可以以最大范圍擴散與廢氣接觸。廢氣在噴射單元被初步洗滌和吸收，將大于200 ℃的廢氣冷卻至40 ℃，同時將廢氣中的不完全燃燒產物及煙灰隨水一起沖走。

廢氣經噴射單元后進入吸收單元，處于噴頭下方的填料是許多直徑為10 cm的圓圈狀不銹鋼卷，厚3～4 m，主要作用是增加海水與廢氣的接觸面積，實現更好的洗滌吸收[8]。廢氣經過填料后，大部分硫氧化物與海水結合，不完全燃燒產物及煙灰進一步被海水沖走。

3.2 海水脫硫設備實船關鍵參數控制

3.2.1 硫碳比

氣體分析儀檢測經過脫硫塔后廢氣中硫氧化物SOx和二氧化碳CO2的質量分數，并計算比值，即硫碳比[9]。實船應用采取硫碳比為4.3，等同于燃油含硫量為0.10%的排放標準。因為有安裝脫硫塔，所以現在船上使用的重油含硫量仍然是在3.0%～3.5%。脫硫塔的脫硫效率高，正常情況下硫碳比不高于3。

3.2.2 脫硫塔海水噴頭流量

脫硫塔吸收單元海水噴頭有兩組，一大一小呈螺旋狀。噴頭的開啟由負荷決定。脫硫塔的負荷是主輔機運轉負荷相加而得。實際工作中小于45%負荷時，小噴頭開啟工作，大噴頭關閉不工作；45%～90%負荷時，小噴頭關閉不工作，大噴頭開啟工作，增加水量；大于90%負荷時，小噴頭和大噴頭同時開啟工作。

3.2.3 處理后海水pH值

法規要求船舶靜止時距舷外排放點4 m處海水pH值不小于6.5，或者船舶航行中舷外排放點的pH值與船舶進口pH值的偏差不大于2.0[10]。

4 結語

經過理論計算和實船應用分析，船用柴油機排氣溫度降到40 ℃、海水溫度在20 ℃以下時，海水脫硫裝置的脫硫效率較高，滿足法規要求。相比其他脫硫設備，海水脫硫設備簡單易操作，經濟性強，可以推廣使用。