船舶尾气脱硝方案的技术经济分析

文摘   2024-09-04 00:01   上海  


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船舶救生筏


近年来世界航运业发展迅速,根据克拉克森研究数据库统计,截至2021年1月,全球总吨位100吨以上商船数量已突破10万艘,其中29%为油轮、散货船和集装箱船!1]。船舶在航行过程中排放的尾气是大气污染物的重要来源,据统计,在我国长三角和珠三角的主要港口,船舶尾气氮氧化物(NO)的排放量占当地的9%~37%[2],对空气质量和水质都会造成不良影响[3]。船舶尾气主要来自燃用劣质燃油的船用柴油机,其中一氧化氮(NO)占比90%以上,随着国内外对环保的越加重视,船舶尾气中NO、的减排也受到广泛关注[4]。目前燃煤锅炉、工业窑炉、钢铁治金等领域的烟气脱硝技术已较为成熟,但限于船上环境的特殊性,现阶段的烟气脱硝技术很难直接移植到船用设施上,必须对现有技术进行改进。本文基于三种脱硝技术的对比,选取了可行性较高的工艺进行技术经济分析。为船舶尾气脱硝设备的设计提供参考。

1 船舶尾气NOx排放标准

为控制船舶尾气污染物排放,国内外均设置了排放控制区,包括MARPOL 73/78公约附则V1中规定的波罗的海、北海、北美和美国加勒比海区域,以及我国于2018年11月正式设立的沿海控制区及内河控制区。各控制区内的N0、排放标准见表1和表215-71,可以发现NO、排放限值呈现出明显的收紧趋势,我国也于2022年起在排放控制区内实施Tier 川标准,随着一批老旧船舶的逐渐淘汰,Tier l标准将会在所有船舶上内全面推广:

2 常见的尾气脱硝技术

目前常见的尾气脱硝技术有SCR、SNCR和臭氧氧化脱硝,在电力和非电行业均有广泛应用,三种脱硝技术的对比见表3[8,9]船上可供布置脱硝设备的空间偏小,SNCR脱硝在占地面积上优势明显,但根据表3中的分析,SNCR脱硝反应的温度窗口为800~1100℃,远高于船用柴油机300~400℃的排气温度,因此不适用于船舶尾气脱硝。综合考虑三种技术的性能,本文认为SCR和臭氧氧化是现阶段比较适合船舶尾气的脱硝技术。

3 脱硝方案的技术经济比较

3.1 柴油机基本情况

本文以某型号的低速柴油机作为研究对象,此型号柴油机一般作为船舶主柴油机,为6缸二冲程,使用含硫量较高的重油,其100%负荷下的主要参数见表4。另外该柴油机设置了涡轮增压器,可将420℃的尾气降至230℃,以提高柴油机的进气压力。

3.2 SCR脱硝技术

SCR是目前工艺最成熟、工程业绩最多的脱硝技术,化学反应如下:

船用SCR脱硝的技术路线分为涡轮增压前高温高压脱硝、涡轮增压后低温低压脱硝,本文中的低速柴油机属王二冲程,尾气温度412℃,故选择将SCR布置在涡轮增压前,工艺流程如图1。柴油机产生的尾气在管道中与尿素分解产生的NH;混合均匀后进入SCR反应器,脱硝后的尾气经过涡轮增压器降温降压后,进入后续尾气处理设备。

SCR脱硝的核心设备是催化剂,其中钒钨钛催化剂在300~500℃温度区间内性能良好,适用于船舶尾气脱硝!10]。催化剂成本在SCR系统中占比最大,约占整个脱硝项目总投资的50%,其体积、结构、寿命等都直接影响SCR的效率、压降和运行。船用SCR脱硝的主要设备清单见表5。

船用SCR脱硝的运行成本主要体现在尿素消耗、电耗、淡水消耗、压缩空气消耗和催化剂更换上,对于本文中的柴油机,其SCR脱硝系统的运行费用见表6,根据表中数据得出,该系统的运行费用为107.3元/h.

需要指出的是,SCR装置布置在涡轮增压器前,尾气经过时会带来20~50 kPa的压力损失,减少进入涡轮的尾气动能,由此造成SCR脱硝后的尾气可能与原有的涡轮增压器不匹配,在设计脱硝系统时需考虑这一点,例如可采用调整催化剂形式和层数的方式尽量减少压力损失。

3.3 臭氧氧化脱硝技术

臭氧氧化法是区别于SCR和SNCR的另一条脱硝路径,船舶尾气NO、中占95%的NO不溶于水且不与碱性溶液反应,利用0;的强氧化性将NOx全部氧化成为N,O,,N,0,与碱液反应生成硝酸盐,即可达到脱硝的效果。由于0₃在250℃C以上会分解,因此船用臭氧氧化脱硝设备布置在涡轮增压器后。

图2为船用臭氧氧化脱硝的技术路线,90%纯度的氧气经压缩机压缩、过滤、除水、干燥后,得到合格的氧气源。氧气进入臭氧发生器,通过中频高压放电变成臭氧,臭氧经温度、压力、流量监测调节后由喷射系统喷入管道,与尾气均匀混合后将N0氧化成N,05,进入后续碱洗工段。主要设备清单见表7。

船用臭氧氧化脱硝的运行成本主要在电耗上,对于本文中的柴油机,其臭氧氧化脱硝系统的运行费用见表8,根据表中数据得出该系统的运行费用为875.3元/h。

同时,臭氧氧化脱硝也会带来废水排放的问题。氧化后形成的高价NO,进入碱洗塔反应生成硝酸盐,随脱硫废水一起排放。而船级社发布的指南里专门规定了“排放水处理系统应防止硝酸盐的排放超过清除废气中12%NO,所对应的硝酸盐量或60 mg/(洗涤水排放速率为45 t/Wh时的标准值),取大者”[11],臭氧氧化脱硝系统会使洗涤水中硝酸盐浓度大幅提升,可以在后续加装大流量稀释水泵来保证废水中硝酸盐的达标排放,但会增加投资、占地和电耗方面的成本!12],这也是船用臭氧氧化脱硝法需要解决的难题。

3.4 两种船用脱硝技术的运行成本对比

通过上文中3.2、3.3节的分析,得到船用SCR脱硝和臭氧氧化脱硝的运行成本对比,计算得出臭氧氧化,脱硝系统的总运行费用要远高于SCR脱硝,见表9。可以发现臭氧氧化脱硝系统的电耗占到柴油机总功率的12.78%,远高于SCR脱硝系统的0.46%,这是因为臭氧发生器电耗较大,对于氧气源,每产生1kg的氧会消耗约10 kWh电力(按奧氧浓度150 g/m3)[13],如果是空气源,电耗会进一步增加,所以臭氧氧化脱硝技术对船舶供电系统的负担较为明显。同时臭氧氧化脱硝还会带来废水处理问题。综上所述,虽然SCR脱硝工艺的设备管路数量更多,后期维护较为复杂,但总的来说,SCR脱硝在船舶尾气NO、治理上经济性更好。

4 结论

MARPOL 73/78公约附则V1中Tier 川排放标准的全面实施,对船舶尾气NOx的治理提出了更高的要求。本文基于某型号的低速柴油机,对三种脱硝方案进行了技术经济比较,主要结论如下

第一,SNCR、SCR和臭氧氧化脱硝三种技术均有各自的优缺点,考虑到脱硝反应的温度窗口限制,认为SCR和臭氧氧化脱硝在船舶尾气NOx减排上具有可行性。

第二,船用SCR脱硝系统的运行成本体现在尿素消耗、电耗、淡水消耗、压缩空气消耗和催化剂更换上,总运行费用为107.3元h,船用臭氧氧化脱硝系统的运行成本体现在电耗上,总运行费用为875.3元小,因此SCR脱硝技术的经济性更好,且对船舶供电系统的负担更小。

第三,加装脱硝系统后可能会给船舶带来不良影响,SCR系统会造成尾气的压力损失,可能影响后续涡轮增压器的运行;臭氧氧化脱硝系统会使洗涤水中硝酸盐浓度大幅提升,不利于废水排放。这些问题都需要在方案设计中予以解决。



参考文献:

[1]向轶,吴迪,杨国华,等.船舶尾气脱硝方案的技术经济分析[J].武汉船舶职业技术学院学报,2024,23(04):79-82+92.

作者简介:、

向轶,博士,工程师,中煤能源研究院有限责任公司

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