在世界貨物運(yùn)輸中，海洋運(yùn)輸占據(jù)了很大的比例。海洋貨物運(yùn)輸具有通行能力大、運(yùn)輸量大、運(yùn)費(fèi)低廉、對貨物的適應(yīng)性強(qiáng)、速度較低、風(fēng)險較大等特點(diǎn)。目前，國際貿(mào)易總運(yùn)量中的三分之二以上，我國進(jìn)出口貨物運(yùn)輸總量的90%都是利用海洋運(yùn)輸。

         隨著運(yùn)輸船舶數(shù)量的劇增，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也日趨嚴(yán)重。船舶柴油機(jī)燃燒排放的尾氣主要以二氧化硫SO2和氮氧化物NO2為主，根據(jù)2014年國際海事組織(IMO)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，船舶尾氣年排放SO2、NO2分別約占全球排放總量的13%和15%。相關(guān)報告也指出，船舶產(chǎn)生尾氣所造成的大氣污染約占整個大氣污染總量的5%～11%。

         為了減少船舶尾氣中硫氧化物SO2、氮氧化物NO2及顆粒物對大氣環(huán)境的影響，最直接的方法就是減少船舶燃料油中的硫含量和氮含量，IMO和歐美發(fā)達(dá)國家通過制定相關(guān)法規(guī)，對船用燃料油中的硫含量和氮含量設(shè)定了限值標(biāo)準(zhǔn)，并加以施行。除此之外，近年來國內(nèi)外一些船用設(shè)備廠商及科研院所在船舶硫氧化物、氮氧化物排放控制技術(shù)方面開展了大量的研究工作。本文概述了船舶硫氧化物、氮氧化物排放控制的相關(guān)法規(guī)，重點(diǎn)介紹了船舶脫硫脫硝技術(shù)的現(xiàn)狀，并分析了船舶尾氣排放控制技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

1 船舶尾氣排放控制法規(guī)介紹

1.1船舶硫氧化物排放控制法規(guī)

       由于船舶排放尾氣中含有大量的硫氧化物SO2，這些硫氧化物的排放造成了嚴(yán)重的大氣污染，國際社會與地區(qū)性組織紛紛立法限制船舶硫氧化物排放。降低燃油中的硫含量是最有效最直接的減排措施，因此，國際海事組織(IMO)、美國環(huán)保局(USEPA)、歐洲環(huán)境署(EEA)等針對全球和局部海域船舶燃油硫含量做出了日趨嚴(yán)苛的限值規(guī)定。MARPOL 公約附則Ⅵ2005 年起開始生效，船舶在歐美地區(qū)硫排放控制區(qū)(SECA)航行時，船舶燃油硫含量限值標(biāo)準(zhǔn)為 1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，然而從 2015 年起，當(dāng)船舶進(jìn)入 SECA 時，燃油硫含量標(biāo)準(zhǔn)相比之前需降低 90%以上，這使得從事國際貿(mào)易的遠(yuǎn)洋船舶面臨嚴(yán)峻的減排壓力。此外，除目前 IMO 規(guī)定的 SECA外，墨西哥海岸、香港、澳大利亞、中國珠三角、長三角、環(huán)渤海(京津冀)等地區(qū)的近岸海域也都已成為 SECA，未來全球范圍內(nèi)所有近岸海域均有可能劃為 SECA 范疇，因此這將對船舶硫氧化物排放控制技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用。

1.2 船舶氮氧化物排放控制法規(guī)

MARPOL 公約附則VI對氮氧化物NO2的排放針對低速級(N<130r><2000r>

根據(jù)表1-1所示，2016年1月1日以后，對于低速級、中速機(jī)、高速機(jī)三種柴油機(jī)，其相應(yīng)的氮氧化物NO2的排放標(biāo)準(zhǔn)將比現(xiàn)階段分別降低76.38%、79.54%和74.02%。鑒于IMO對船舶柴油機(jī)燃燒排放的二氧化硫SO2和氮氧化物NO2的排放量已作出的明確規(guī)定，許多國家和地區(qū)也都在積極采取各種措施限制船舶尾氣排放。

2 船舶尾氣脫硫技術(shù)研究

       煙氣脫硫的技術(shù)研究起源于20世紀(jì)初期，據(jù)不完全統(tǒng)計，世界各國研發(fā)、使用的煙氣脫硫技術(shù)多達(dá)200多種，按脫硫工藝是否加水和脫硫產(chǎn)物的干濕形態(tài)分為三種：干法、半干法和濕法。當(dāng)前國際社會脫硫技術(shù)的主要工藝有石膏煙氣脫硫法、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫硫法和海水脫硫法等。

2.1 石膏煙氣脫硫法

石膏煙氣脫硫法在一些國家的發(fā)電廠得到了廣泛應(yīng)用。該法主要是選用價格低廉的石灰石，然后將石灰石打磨成粉，添加清水制成脫硫吸收石灰漿液，經(jīng)溶解、中和、氧化和結(jié)晶等一系列的反應(yīng)后，最終生成二水石膏。

目前，雖然該工藝在工業(yè)煙氣脫硫中得到了廣泛應(yīng)用，且通過適當(dāng)添加有機(jī)酸等化學(xué)物質(zhì)，可使得脫硫的效率提高到90%以上。但對于處理船舶尾氣而言，該技術(shù)仍存在占地面積大、系統(tǒng)管理復(fù)雜、初期投資大、磨損和腐蝕設(shè)備較為嚴(yán)重等問題。所以，亟須優(yōu)化石膏法煙氣脫硫工藝并提高該工藝的性價比，對后期投入船舶使用將大有裨益。

2.2 旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫硫法

       旋轉(zhuǎn)噴霧干燥煙氣脫硫法(SDA)最早由丹麥 NIRO公司開發(fā)，目前已廣泛應(yīng)用于液態(tài)原料生產(chǎn)固態(tài)粉末的化工、制藥、食品等現(xiàn)代工業(yè)廢氣處理系統(tǒng)中。該方法反應(yīng)系統(tǒng)主要由石灰石漿液制備系統(tǒng)、反應(yīng)塔系統(tǒng)、除塵凈化系統(tǒng)、飛灰輸送及處理系統(tǒng)、活性炭噴射系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)等組成，其脫硫工藝流程如圖2所示。

SDA 技術(shù)的脫硫效率一般在 70%～95%，在處理中低硫燃料燃燒排放的尾氣時取得了較好的效果，但是在處理高硫燃料燃燒排放的尾氣時，由于需要高濃度的石灰石漿液作為脫硫吸收劑，則會給設(shè)備帶來堵塞、腐蝕等一系列問題。除此之外，反應(yīng)的終產(chǎn)物為CaSO4、CaCl2和CaF2，這些物質(zhì)的處理也比較困難。

由于遠(yuǎn)洋船舶一般使用劣質(zhì)的重燃料油作為燃料，含硫量相對較高，因而對于 SDA 技術(shù)而言，目前亟須改善處理高硫燃料燃燒排放尾氣的脫硫工藝，提高脫硫效率，同時研發(fā)新型的脫硫吸收劑，使得反應(yīng)的終產(chǎn)物可以回收利用。

2.3 海水脫硫法

        海水脫硫法是近幾十年發(fā)展起來一種較為成熟的脫硫技術(shù)，最早是在二十世紀(jì)六十年代由美國率先提出。該方法充分利用了天然海水的酸堿緩沖能力和強(qiáng)中和酸性氣體的能力來有效脫除煙氣中SO2。該技術(shù)工藝采用的系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、供排海水系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、海水水質(zhì)恢復(fù)系統(tǒng)四部分組成。其主要工藝流程如圖3所示。

由于海水脫硫工藝流程簡單、高效環(huán)保、可靠性和經(jīng)濟(jì)性較高，對生態(tài)環(huán)境的污染較小，被認(rèn)為是較理想的船舶尾氣處理方法之一。但目前海水脫硫法在處理高硫燃料燃燒排放的尾氣時效果不佳，設(shè)備占用空間大，在低鹽度海域脫硫效率低，一旦上述問題得以解決，將能大大推動該項技術(shù)在船舶尾氣處理方面的應(yīng)用。

3 船舶尾氣脫硝技術(shù)研究

        煙氣脫硝技術(shù)主要用于控制氮氧化物(NOX)的排放，分為煙氣凈化技術(shù)和低 NOX燃燒控制技術(shù)兩類。對于船舶尾氣處理技術(shù)而言，主要是研究煙氣凈化技術(shù)，目前較為成熟的方法有選擇性非催化還原法(SNCR)和選擇性催化還原法(SCR)兩類

3.1 選擇性非催化還原法(SNCR)

20世紀(jì)70年代中期，SNCR 脫硝技術(shù)首先應(yīng)用于日本的燃?xì)夂腿加碗姀S，后逐步推廣到歐美等發(fā)達(dá)國家。SNCR 脫硝技術(shù)是通過向高溫(溫度范圍一般在 900℃～ 1200℃)煙氣中噴射CON2H4或氨等還原劑，將NOX還原成 N2和 H2O，采用的工藝主要由還原劑制備與存儲系統(tǒng)、稀釋系統(tǒng)、計量及分配系統(tǒng)、增溫增壓系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)等組成。其主要工藝流程如圖 4 所示。

SNCR 脫硝技術(shù)對于處理船舶尾氣而言，在處理燃油機(jī)組燃燒排放的尾氣時，僅僅使得NOx排放量降低 30%～50%，如何提高 SNCR 技術(shù)在此方面的脫硝效率，是今后重點(diǎn)研究的方向之一。

3.2 選擇性催化還原法(SCR)

      SCR 技術(shù)是日本在20世紀(jì)70年代末至80年代初首先提出的，后續(xù)逐步在歐美等發(fā)達(dá)國家得到了推廣應(yīng)用。SCR脫硝技術(shù)主要是利用還原劑氨類物質(zhì)，經(jīng)催化劑的作用，有選擇性地將煙氣中的NOX還原為無毒無污染的 N2和 H2O，采用的裝置如圖 5所示。主要是由還原劑制備與存儲設(shè)備、NH3混合罐、NH3蒸發(fā)器、混合器、SCR 反應(yīng)器、氣-氣換熱器、電除塵器及控制系統(tǒng)等組成。制備的 NH3被泵送到氨蒸發(fā)器里與水蒸氣混合發(fā)生汽化，當(dāng)稀釋的空氣與氨水的混合比例約為20∶1 時，通過流動平衡裝置送入混合器的氨噴射網(wǎng)格中，然后由氨噴射網(wǎng)格中的噴嘴將NH3噴入到SCR 反應(yīng)器中，發(fā)生脫硝反應(yīng)，該反應(yīng)分為有氧和無氧兩種情況。

        為了保證氨與煙氣均勻地擴(kuò)散與混合，關(guān)鍵技術(shù)在于氨噴射控制系統(tǒng)的設(shè)計。SCR 技術(shù)在現(xiàn)行的電站燃煤鍋爐煙氣處理中得到了較廣泛的應(yīng)用，但其管路設(shè)備的高造價費(fèi)用及低溫下催化劑的失活、還原劑的泄漏污染等問題，制約了該技術(shù)在船舶尾氣脫硝領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，當(dāng)前亟需加大對低溫催化劑的研究力度，提高單位投資的脫硝效率，推進(jìn)該技術(shù)朝著低成本、高效率、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，應(yīng)用于船舶尾氣處理的前景廣闊。

4 船舶尾氣脫硫脫硝一體化技術(shù)研究

煙氣脫硫脫硝一體化技術(shù)，顧名思義是指將煙氣中的 SO2和 NOX同時脫除的一種技術(shù)。目前，該項技術(shù)在處理船舶尾氣方面的研究尚處于起步階段。該技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、占地小、成本低、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，逐步受到國際社會和航運(yùn)界的關(guān)注和重視，將是未來煙氣綜合處理技術(shù)發(fā)展的方向。對于船舶尾氣處理而言，目前較為適用的脫硫脫硝一體化技術(shù)有電子束氨法和光催化法。

4.1電子束氨法

        電子束氨法是在20世紀(jì)70年代由日本荏原公司首先提出，主要是采用電子加速器產(chǎn)生的高能電子束(800keV～1MeV)來輻照煙氣，將煙氣中的 SO2、NOX氧化成高價態(tài)氧化物 SO、NO，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成(NH)SO、NHNO，最終實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫脫硝的一種技術(shù)。該方法的工藝流程如圖 6 所示，主要由煙氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、輻照反應(yīng)系統(tǒng)、氨存儲及供氨系統(tǒng)、副產(chǎn)物收集處理系統(tǒng)及調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)等組成。

       煙氣在反應(yīng)器中被電子束照射，使 SO2、NOX 氧化，經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)后，生成H2SO4和 HNO3，并與注入的氨中和，最終生成的副產(chǎn)物肥料等，避免了二次環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)氮硫資源的綜合利用和自然生態(tài)循環(huán)。

但該技術(shù)利用高能耗的電子加速器產(chǎn)生輻射的電子來處理煙氣，需要較高的能耗，大多數(shù)船舶難以滿足其要求，因而亟須開發(fā)低能耗的電子束氨法脫硫脫硝工藝。

4.2 光催化法

        光催化法是近年來迅速發(fā)展起來的一種被稱為“綠色友好”的新興技術(shù)，是目前國內(nèi)外船舶尾氣處理研究的熱點(diǎn)之一。該技術(shù)利用一定能量的光照光催化劑，將尾氣中 SO2和 NOX等有害成分氧化或還原成無污染的物質(zhì)。光催化通常使用的是納米光催化劑，該催化劑在紫外光照射下，具有較強(qiáng)的催化活性，目前，以 TiO2作為基底的光催化劑在處理船舶尾氣方面，已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展和突破。
       實(shí)驗表明：該方法對 SOX和 NOX處理效率最高可達(dá)85%和 95%。由上述過程可知，光催化法具有處理船舶尾氣反應(yīng)條件較為溫和、脫硫脫硝同時作用、降解徹底等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具發(fā)展前景的新技術(shù)之一。但目前催化劑材料的失活及光利用效率等關(guān)鍵問題亟待解決，未來在上述問題及研究領(lǐng)域的突破將成為推動船舶尾氣凈化技術(shù)成功應(yīng)用的原動力。

5 結(jié)語
       目前，對于船舶尾氣處理的研究，大都是單獨(dú)進(jìn)行的，技術(shù)還有待進(jìn)一步提高，同時由于船舶自身的一些條件限制，如船舶的類型、航行的水域、船舶的空間、使用燃油的類型等，制約當(dāng)前一些脫硫脫硝技術(shù)在船舶尾氣處理上的應(yīng)用。而隨著人們環(huán)保意識的提高，國際海事組織(IMO)對船舶尾氣排放必將實(shí)施更為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，研究者可根據(jù)船舶在內(nèi)河或海上航行的特點(diǎn)，借鑒當(dāng)前工業(yè)廢氣處理中運(yùn)用較為成熟的脫硫脫硝技術(shù)，通過對其進(jìn)行革新、改進(jìn)或優(yōu)化，研究出新型的經(jīng)濟(jì)的適用船舶尾氣的處理技術(shù)，早日解決船舶排放尾氣的污染問題。

        無論純LNG船舶，雙燃料船舶，電噴主機(jī)，船舶廢氣處理，全球船舶2017年-2019年3年時間，船東和船舶管理人員，船員都將迎來一場變革，適應(yīng)市場的變化，才是王道。