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探討船舶因應措施

面對2020年限硫大限新規衝擊 探討船舶因應措施

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  • 撰稿:台船公司 主任秘書 顏闓明

相比前面提到更換低硫油或使用LNG替代燃料兩種措施,採用脫硫器(Scrubber,或稱脫硫塔、脫硫設備、洗滌器等)系統,可靠性較高,雖然初期投入成本高,但從船舶壽命運營成本來講,卻相對較低,不少船舶傾向於加裝脫硫裝置。

限硫令迫在眉稍

鑒於數量龐大的海運船隊所排放的廢氣占全球大氣污染排放量10%左右的情況,國際海事組織(IMO)所屬海洋環境保護委員會(Marine Environment Protection Committee, MEPC)在1973年及1978年分別召開會議,訂定防止船舶污染國際公約(International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, MARPOL),並廣泛採取預防性措施,於1997年通過《MARPOL 73/78公約1997年議定書》。

2005年再增訂MARPOL 73/78公約附件6,在船舶排放中規定了船舶的排放標準,包括:消耗臭氧層的物質、氮氧化物(NOX)、硫氧化物(SOX)、揮發性有機化合物、船上焚化設備、燃油質量等。根據公約要求明確含硫量不超過4.5%m/m(摩爾/摩爾)和適用於控制區域使用的含硫量不超過1.5%m/m的船用燃油指標。

 

2008年10月國際海事組織(IMO)海洋環境保護委員會(MEPC)在第58次會議中,再通過了「船舶污染防治國際公約(MARPOL)附件6的修正案,對船舶燃料污染排放提出進一步限制的要求,其不僅規定從2012年1月1日開始,全球船用燃料的含硫量將從4.5%降低至3.5%,從2020年1月1日開始,由3.5%再降低至0.5%;同時要求從2010年7月起,船隻在控制排放區(Emission Control Areas, ECAs),使用的燃料硫氧化物(SOx)排放由1.5%降至1.0%以內,2015年以後不能超過0.1%。

 

2017年7月,IMO海洋環境保護委員會第71屆會議(MEPC 71)再度確認,從2020年1月1日全球海域開始執行0.5%的燃油含硫量標準,控制排放區(ECAs)仍然執行0.1%的燃油含硫量標準。這意味著全球範圍內的船舶燃油含硫量,需要從現在的3.5%下降至0.5%以下的「硫排放限制法規」。

 

以目前情勢來看,即將在2020年到來的「限硫令」為船東提供了三種可能措施應對硫排放限制:1.更換為低硫油;2.加裝船舶廢氣脫硫裝置;3.使用LNG替代燃料。

就第3項來說,將現有船舶改裝成為LNG動力船舶費用相當的高,裝置期時間又長,影響船運;另外,由於目前航運業對液化天然氣的燃料需求量相當的小,僅有少數港口有幾艘LNG燃料加注船,難以實施LNG燃料添加,大多數船舶只得選擇第1或第2項方式實施。由於低硫油與高硫油有相當的價差,是否合於最佳成本,是航商考量採用脫硫器或低硫油的主因。

 

現有船舶多傾向加裝脫硫裝置

航行世界各國的遠洋輪船大都以燃料油為動力,因為相比煤炭更易於儲存和運輸,價格也較為便宜。整個航運業的年燃料消耗量大約為3.2億噸,全球營運中的國際航行船舶約有8萬艘。

船舶基本採用的是廉價重質殘渣油,排出的廢氣中含有大量的氮氧化物、硫氧化物、有害顆粒物等污染物。根據2014年國際海事組織(IMO)的統計顯示,船舶廢氣造成的污染佔整個大氣污染的5%~10%,為大氣污染的主要來源之一,嚴重危害人類的健康。

相比前面提到更換低硫油或使用LNG替代燃料兩種措施,採用脫硫器(Scrubber,或稱脫硫塔、脫硫設備、洗滌器等)系統,可靠性較高,雖然初期投入成本高,但從船舶壽命運營成本來講,卻相對較低,不少船舶傾向於加裝脫硫裝置。

常見的脫硫器分為濕式及乾式兩種,濕式脫硫器是一種被設計用水清洗主輔機廢氣來清除其中硫化物的系統;乾式脫硫器則是一種添加腐蝕性石灰等顆粒物質,與硫氧化物(SOx)形成硫酸鈣或石膏等物質,以清除其中硫化物的系統。

 

脫硫器的種類與運作原理

船舶加裝脫硫器的選擇是考量低硫燃料油與高硫燃料油的價差、裝置的費用,以及對環境污染的程度而定,目前有四種選擇,以裝置的多寡來排列:開環式(Open Loop)(約占80%)、混和式(Hybrid) (約占18%)、閉環式(Closed Loop)(少許)、乾式(Dry)(更少)。

 

n   開環式脫硫器(Open Loop)

開環式脫硫器使用海水來清洗廢氣,在開放的海域,鹼值普遍較高,所以海水可以被用在脫硫器中,海水中天然的弱鹼性化學物質(如鈣離子Ca2+及鈉離子Na+)將廢氣中的硫化物溶液中和以達到脫硫的目的,經清洗用的水簡單處理後,隨後被排放回海裡。優點是成本低,結構簡單;缺點是耗能大,目前有不少國家和港口限制使用。(請參見圖一)。

開環式脫硫器  

 圖一:開環式脫硫器海水從1處進入,注入脫硫塔後,以過濾主輔機廢氣,並與海水中含有的碳酸鈣或碳酸鈉(弱鹼物質)反應後,排出硫酸鈣或硫酸鈉與水及二氧化碳,圖片來源:ABS。

其化學反應為:

(1)主機廢氣化學反應S+O2àSO2 (二氧化硫,約占95%)

                   SO2+1/2O2àSO3 (亞硫酸根,約占5%)

(2)脫硫器化學反應   SO2+H2OàH2SO3 (亞硫酸)

                   SO3+H2OàH2SO4 (硫酸)

(3)與海水的鹼性化學物質化學反應 (海水中含碳酸鈣CaCO3)

(與亞硫酸H2SO3)   CaCO3+ H2SO3 àCaSO3(亞硫酸鈣)+H2O +CO2

2CaSO3+ O2 à2CaSO4(硫酸鈣)

(與硫酸H2SO4)     CaCO3+ H2SO4 àCaSO4(硫酸鈣)+H2O +CO2

(海水中含碳酸鈉Na2CO3)

(與亞硫酸H2SO3)   Na2CO3+ H2SO3 àNa2SO3(亞硫酸鈉)+H2O +CO2

                  Na2SO3+ 1/2O2 àNa2SO4(硫酸鈉)

(與硫酸H2SO4)     Na2CO3+ H2SO4 àNa2SO4(硫酸鈉)+H2O +CO2

 

n   閉環式脫硫器(Closed Loop)

閉環式脫硫塔使用封閉的循環淡水(Fresh water),這些水將會用一些鹼性物質的水進行處理,例如採用氫氧化鈉(NaOH)或氧化鎂(MgO)形成的氫氧化鎂(Mg(OH)2)作為中和劑,清洗後的水將會被重新循環利用,損失的部分以新加淡水補回。少量清洗水被排放到大海中之前,會送到污水處理系統處理後排出;系統設置收集櫃待岸上或第三方接收,達到零排放。缺點是安裝和營運成本高。(請參見圖二)


閉環式脫硫器 
 

 

 圖二:閉環式脫硫器海水從1處進入,用以冷卻注入脫硫塔的淡水,以過濾主輔機廢氣,並與添加的氫氧化鈉反應後,排出硫酸鈉與水,或存放於收集櫃中,圖片來源:ABS。

其化學反應為:

(1)脫硫器化學反應

(鈉鹼法)

SO2部分   2NaOH+SO2 àNa2SO3 (亞硫酸鈉) +H2O

           Na2SO3+SO2 +H2O à2NaHSO3 (亞硫酸氫鈉)

SO3部分   SO3+H2OàH2SO4 (硫酸)

        2NaOH+ H2SO4 àNa2SO4(硫酸鈉)+2H2O

(鎂基法)

          MgO(氧化鎂)+H2O→Mg(OH)2(氫氧化鎂)

SO2部分  Mg(OH)2+SO2àMgSO3 (亞硫酸鎂)+ H2O

          MgSO3 + 1/2O2àMgSO4(硫酸鎂)   (再氧化)

SO3部分  Mg(OH)2+SO3àMgSO4(硫酸鎂)+ H2O

 

n   混合式脫硫器

混合式為既有開環式又有閉環式的系統,能夠使操作者在低濃度鹼和高濃度鹼的區域靈活轉換。混合式系列也包括一些其他產品,比如,開環式系統在清潔水中加入一定的氫氧化鈉或氧化鎂,使排放液體的鹼度達到中和效果。可滿足船舶在不同排放控制區域的航行要求。優點是可靈活切換,優勢互補;缺點是成本高,系統複雜。(請參見圖三)

 混合式脫硫器

 圖三:混和式脫硫器海水從1處進入,用以冷卻注入脫硫塔的淡水,以過濾主輔機廢氣,並與添加的氫氧化鈉反應後,排出硫酸鈉與水,或是儲存於收集櫃中,進港時排放於指定設施,圖片來源:ABS。

 

n   乾式脫硫器

乾式脫硫器一般使用腐蝕性石灰等顆粒物質,作為與SO2及SO3反應,常見的熟石灰是氫氧化鈣作為吸收劑,與高熱的硫氧化物(SOx)反應成為石膏顆粒(Pellets of Gypsum),目前在船上裝置非常稀少,僅少數中速柴油引擎使用。(請參見圖四)

乾式脫硫器  

 圖四:乾式脫硫器,主輔機廢氣導入腐蝕性石灰等顆粒桶艙中,吸收高熱的硫氧化物(SOx)反應成為石膏顆粒,圖片來源:ABS。

 

(1)乾式脫硫器化學反應

SO2部分  Ca(OH)2+SO2àCaSO3 (亞硫酸鈣)+ H2O

          CaSO3 + 1/2O2àCaSO4(硫酸鈣)   (再氧化)

SO3部分  Ca(OH)2+SO3àCaSO4(硫酸鈣)+ H2O

          再遇水形成CaSO4‧2H2O (也就是俗稱的石膏)

 

脫硫塔的結構型式

從塔體的結構上分,脫硫塔又分為I型、U型,單入口、多入口等多種設計,各船可以按照各自的船型和耗油設備的特點進行選擇。(請參見圖五)

脫硫塔的結構型式  

 圖五、U型和I型脫硫塔,U型脫硫塔內含文氏管(Venturi Tube)處理,效果優於I型,資料來源:中國船檢

 

開環式脫硫器洗滌水的爭議

最近瑞典環境科學研究院發布調查報告中指出,開環式脫硫器將廢水排放進大海,環境污染過程是從空氣轉移到大海而已。經一系列的測試,顯示未經處理的開環式脫硫器廢水污染嚴重,含有重金屬、芳香碳混合物以及碳煙顆粒等物質,對海洋生物有不利的影響。

在2019年5月,28個歐盟國家聯合向IMO提交了一份文件,稱開環式洗滌塔的使用「可能會導致海洋環境惡化,因為排放的廢水中含有有毒物質。」

 但同在2019年5月國際海事組織(IMO)召開的海上環境保護委員會第74屆會議(MEPC 74)中,國際郵輪協會(CLIA)提交了281個郵輪脫硫器洗滌水樣本的比較和評估研究,樣本分析表明,平均PAH(多環芳香烴)和硝酸鹽濃度水準明顯低於IMO洗滌水限值,廢氣清洗系統(Exhaust Gas Cleaning, EGC)處理過程對金屬(砷、鎘、鉛、汞、硒和鉈)的濃度幾乎沒有影響,並低於嚴格的水質標準(如歐盟地表水標準和WHO飲用水指南)。

日本國土交通省(MLIT)也提交類似的研究報告,證明開環式脫硫器在使用過程中,無論從短期還是長期,EGC系統排出廢水對海洋環境和海洋水生物的影響都是可接受或可忽略的,因此日本建議不要禁用開環式EGC系統。

 針對上述討論,IMO決定將繼續進行開環式脫硫器廢水的環境風險評估,對環境影響到底大還是不大。儘管如此,出於環保和政治等目的,目前已有不少國家和港口已經確定對開環式脫硫器進行限制。這些國家為新加坡、中國、印度、挪威、比利時、立陶宛、拉脫維亞等國,以及阿拉伯聯合大公國(阿布達比)、愛爾蘭(都柏林)及美國(夏威夷、加州、康乃狄克州)的一些港口等。

 

海事主管機關如何監管?

 2019年5月,IMO制定了2019年MARPOL附則VI第3章港口國監督(Port State Control, PSC)指南,為海事主管機關對船舶排放控制提供指導。其中包含脫硫器的相關要求。

由於IMO並不是一個執法機關,因此限硫法規的執行需由各個成員國來負責。各國的罰款和懲戒措施都不相同,各個國家的罰款規模也不一致。在執行制度上,定於2020年3月生效的高硫燃油攜帶禁令更為強硬。因此,對於疑似在國際水域使用高硫燃油的船舶,港口國將會直接起訴,而不是僅僅把他們的發現報告給相關船旗國。

 

船舶安裝脫硫器的近況報導

 一套脫硫設備費用大約是300~500萬美元,據估算3~5年回本,使得脫硫器安裝的方案對航商來說變得更具吸引力,使得安裝熱潮開始激增。

 依據英國船舶顧問公司克拉克森(Clarksons)2019年8月報告指出,自2018年以來,克拉克森統計的配置脫硫裝置船舶(包括已安裝、新造船和待改裝)數量已經從約400艘增加到約4,000艘,預計到2020年底全球船隊運力將有15%會配置脫硫設備。

克拉克森公司2019年8月發佈最新的報告顯示,脫硫裝置改裝市場,上海中遠海運重工、招商工業蛇口友聯船廠、華潤大東、大連中遠海運重工、大船集團山船重工、武船集團青島北船重工、中船澄西、舟山中遠海運重工、舟山鑫亞船舶以及舟山萬邦永躍為安裝脫硫設備前十大船廠。安裝前16家船廠中,僅有兩家不是中國船廠,分別是排名第15的土耳其Sefine船廠和排名第16的新加坡勝科海事。

 

台灣國際造船(台船)安裝脫硫設備概要

2017年台船建造長榮航運2,800TEU貨櫃輪系列的第十艘,就已經進行單套脫硫器設計與安裝;2019年5月,台船配合東方海外(OOCL)14,000TEU貨櫃船加裝雙塔脫硫器需求(因主機排氣量相當大,經計算後需要進行雙塔脫硫器安裝作業。(請參見圖六~圖七)


脫硫器體積極  

 圖六:台船受東方海外14,000TEU貨櫃船委託加裝脫硫器設計與安裝作業,圖中可看出脫硫器體積極為龐大,資料來源:台船


貨櫃船加裝脫硫器前後  

 圖七:東方海外14,000TEU貨櫃船加裝脫硫器前(左)後(右)對照,資料來源:台船

 

2019年7月台船與德翔海運簽訂6艘「1,800 TEU級全貨櫃輪脫硫器加裝工程合約」;2019年8月台船再與中鋼運通簽訂2艘20.8萬載重噸散裝貨輪加裝脫硫器工程,未來仍有許多相關業務洽談中。許多航商計畫在5~10年內的新船加裝脫硫器,就是擔心低硫油價格變化較大。

 

結語

隨著國際社會對環境保護標準的要求日益提高,不斷推出相應的法規標準,航運業的環保法規也愈發嚴苛,限制硫排放便是其中重要的一項。隨著2020年「限硫令」時間表逐漸迫近,航運業面臨巨大壓力,這一新規必將增加船舶營運的成本。據估算,全球海運燃料成本將增加25%,年均增加約240億美元的支出,運費勢必隨之上漲。

在綜合比較之下,船舶裝置脫硫設備相對單純,除了費用相對較少外,暫時無需加裝低硫油冷卻器及調整引擎供油系統,也不用考慮低硫油價格與供給問題;再次,若採用LNG燃料系統,整體改造費用較高,且受制於許多港口LNG燃料加注設施不完善的問題。

然而,船舶雖然加裝了開環式脫硫器,但仍有一些港口監管機構和沿海國家已經對污水排放進行了限制,禁止船舶在其水域使用開環式脫硫器及排放洗滌水,後續發展為何,是否可以安全使用?仍待IMO儘快找出答案。未來LNG燃料方案是否會全面取代,還須視LNG加注船及港口LNG加注設備的發展而定。

 

參考文獻

1. 中國船檢,「船用脫硫塔熱點問題和對策」,2019年8月26日。

2. Mr. Siddharth Mahajam, IMO 2020限硫令探討SOx洗滌器選擇」,20181025日。

3. 美國驗船協會(ABS), “Exhaust Gas Scrubber Systems Status and Guidance”20121121日。

4. 北京指導性文件,「船舶廢氣清洗系統設計與安裝指南」,201510月。

5. Mr. Stavros Hatzigrigoris, “Scrubber Technologies”20171114日。

6. 法國驗船協會(BV), “Exhaust Scrubbers. What you need to know”2014310日。

7. 台船公司,「東方星洲輪脫硫洗滌器改裝」,201991日。

8. 國際船舶網,「中國船廠壟斷全球船舶脫硫裝置改裝市場」,2019919日。


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