船舶尾气脱硫脱硝技术研究进展

摘要：远洋船舶燃烧低品质重油所释放的尾气中，NOx与SOx等有害成分比例高，严重威胁海洋的生态环境和沿海居民健康。本文介绍了现有国内外船舶尾气后处理技术的分类、原理及优缺点，综述了船舶尾气脱硫、脱硝和脱硫脱硝一体化处理技术的研究进展，认为现有的大部分船舶尾气后处理技术去除污染物成分单一，不能高效地实现船舶尾气污染物的减排，研究脱硫脱硝一体化处理技术是实现船舶尾气高效治理的发展方向，但是高效低能耗的一体化处理技术目前仍然处于探索与实验阶段。通过分析脱硫脱硝一体化技术面临的瓶颈问题，指出光催化技术和低温等离子体技术近年来虽得到了巨大的发展，但因成本高且安全问题难以保证尚无法在实船应用；改性海水法则凭借处理效率高、占用船舱面积小，成本较低等优势，未来在船舶尾气综合治理方面具有良好的发展前景。

随着经济全球化的加快及世界各国贸易联系日益紧密，水路运输仍然是各国之间贸易最重要的运输方式，占据世界货物运输的主导地位。据国际海事组织(IMO)2014年统计数据显示，仅2012年船用柴油机NOx排放量约为1900万吨，SOx排放量约为1024万吨，分别占全球NOx、SOx排放量的15%和13%[1]。它们经大气循环迁移转化，在陆地、海洋和淡水生态系统产生沉积，导致生态系统衰退和海洋酸化[2]，影响全球气候变化[3]，引起国际社会的高度重视。针对船舶尾气污染，IMO制定了排放标准，并设立了NOx和SOx排放控制区。远洋船舶具有国际流动性，其污染控制的难度远高于陆面烟气，需要多个国家、地区的协调管理。

目前，船舶尾气污染控制主要分为改善燃油质量、使用替代燃料、燃烧过程中处理和尾气后处理4类。从改善燃料质量角度出发，采用高品质燃油必然会导致燃料成本增加，而使用替代燃料在设备技术上还存在缺陷。从处理技术角度出发，单独采用燃烧过程中处理技术目前还不能达到IMO的排放标准，而采用尾气后处理技术能够实现即使燃烧低成本重油的情况下也能达到IMO制定的MARPOL公约附则Ⅵ修正案中对NOx和SOx的排放要求，因此当前的尾气污染物减排策略通常为尾气后处理技术。本文从船舶尾气污染物主要成分出发，综述了尾气脱硫、脱硝和脱硫脱硝一体化技术的研究现状，着重介绍了脱硫脱硝一体化技术的原理、特点和研究进展，最后展望了未来船舶尾气污染控制技术的发展趋势。

1船舶柴油机尾气污染物

船舶柴油机由于燃烧较为劣质的重油，释放出的尾气中污染物成分复杂，包含NOx、SOx、CO、HC和PM等[4]。由于柴油机燃烧过程中过量空气系数较大燃烧较完善，因此废气中的有害污染物以NOx和SOx占主导，它们也被IMO列为首要控制的船舶尾气污染物。尾气中NOx主要包括NO、NO2、N2O、N2O5等，其中NO占90%以上。NO在空气中容易氧化为NO2，会对人体的心脏和肺产生毒害作用。SOx中95%为SO2，SO3仅占5%。SO2对人体健康有直接的损害，并且也是酸雨的主要成因，对生态环境有严重影响。综上所述，控制船舶尾气NOx、SOx排放的关键是对NO和SO2进行脱除。

2船舶尾气单一污染物处理技术

2.1船舶尾气脱硫技术

传统的船舶尾气脱硫技术有海水洗涤法、石灰石-石膏法，在此基础上又衍生出镁法和氨法等。这些方法都以吸收为主导，再经空气氧化实现尾气的脱硫处理，只是选取的吸收剂各不相同，因此脱硫效果也有差异，详情见表1。

2.1.1海水洗涤法

海水洗涤法是利用海水的天然碱度和缓冲体系吸收尾气中的SOx达到脱硫目的[5,9]。海水本身取之不尽，但脱硫过程需要更新大量海水，产生的动力消耗需要额外消耗燃油，增加了成本，所以直接海水洗涤法并不经济。宋永欣等[10]曾尝试通过优化装置来解决更新大量海水的问题，他们利用中空纤维膜接触器作为洗涤器，大大减少了海水用量。但船舶尾气温度高达几百度，中空纤维膜容易失效，更换成本过高。对此，浙江海洋学院[11]公开了一种尾气多级处理及余热复合利用装置，该装置在尾气通入中空纤维膜接触器前增加了洗气和喷淋处理，主要目的是先降低尾气温度，然后进行污染物脱除。由于降温后的尾气对中空纤维膜寿命影响较小，因此减少了膜的更换次数，节约了成本。另外，该装置通过尾气多级处理提高了尾气的吸收效率。尾气中的SOx经海水洗涤后需经过曝气吹脱处理，最终生成的副产物硫酸盐是海水的天然成分，因此排入海洋的洗涤废液不会破坏海洋环境。但海水缓冲能力有限，对高浓度烟气脱硫效果不佳，并且设备占地面积大，而船舶上空间有限，因此也限制了其发展。

2.1.2其他吸收法

石灰石-石膏法是目前国外应用较为广泛且工艺发展成熟的烟气脱硫技术，该技术使用CaCO3或CaO作为吸收剂吸收尾气中的SOx，并最终生成稳定的硫酸钙[12]。此法成本低廉，脱硫率可达到90%以上，在工业上得到了广泛应用。在此基础上逐渐衍生出了镁法脱硫、氨法脱硫技术，其反应机理基本相似，只是所用吸收剂有所不同。例如，镁法脱

硫利用MgO溶于水生成Mg(OH)2泥浆来吸收尾气中的SO2，该法对SO2的吸收效果明显优于海水洗涤法。国内大连海事大学对镁法脱硫进行了深入研究，并联合威海普益船舶环保科技有限公司历经多年在其基础上研发出镁基-海水法废气脱硫系统[7]。该系统已先后在“冰河号”和“凌云河号”两艘集装箱船进行了试验，结果表明该系统可以长期可靠运行，能耗和成本均较低，适合船舶上应用。但该方法生成的副产物硫酸镁需要压成滤饼保存在船舶上，直到港口才能卸载，因此在船舶上需要一定的占地面积，也成为限制该工艺推广的一个重要因素。

延伸阅读：

【技术】烧结烟气脱硫脱硝处理技术的比较分析