原油运输中VOC 的回收

王雪

（南通中集太平洋海洋工程有限公司船舶开发部，上海 200052）

近年来，虽然经济全球化的趋势有所放缓，但全球原油海运量仍然逐年上升，2021 年全年的原油海运量高达19 亿吨，参与运输的原油轮约为2900 艘。如何控制海运造成的环境污染，已成为全球各国关注的焦点，其中油船挥发性有机物（VOC）排放也受到了越来越多的重视。据统计，挪威VOC 的年排放量为350,000 吨，其中约200,000 吨由穿梭油轮及其它原油运输船所排放。为了保护环境，减少全球（VOC）排放刻不容缓，同时减少VOC 排放也减少了船东的货损，增加了经济效益。由于VOC 回收装置高昂的投资成本，导致安装主动VOC 回收装置的原油运输船少之又少，一种主要用于回收原油船在装卸和运输过程中排放挥发性有机物（VOC）的新型船舶进入大众视野。

1 原油运输中挥发性有机物（VOC）的形成及特性

对于挥发性有机物（VOC）这一概念，不同的国家不同标准有不同的定义：

比如，世界卫生组织（WHO）对VOC 的定义为熔点低于室温而沸点在50～260℃之间的挥发性有机化合物的总称；美国联邦环保署（EPA）将VOC 定义除CO、CO2、H2CO3、金属碳化物、金属碳酸盐和碳酸铵以外任何参加大气光化学反应的碳化合物。

本文讨论的挥发性有机物（VOC）仅限于MARPOL Annex VI Reg15 中涵盖的由油船在运输及装卸货时排放的部分。

原油船VOC 的主要成分为甲烷气体和非甲烷气体NMVOC（Non Methane Volatile Organic Compounds），其中甲烷是一种温室气体，对大气温室效应的影响高于二氧化碳，而 NMVOC 中含有的多种成分和大气中的氮氧化物在阳光（特别是紫外线）的作用下会发生化学反应，产生光化学氧化物和PM 等污染物，形成“光化学污染”。光化学氧化物主要包括醛和臭氧等有害物质，其对人体的危害远远高于其成因物NMVOC，而PM 则是形成雾霾天气的主要原因之一。

原油船在装油，卸油及运输过程中，由于舱内的液位变化，船体运动都会导致舱内气体空间的压力变化而导致油蒸汽的产生，由于VOC 属于原油中的轻质部分，此时更容易从原油中挥发出来，当舱内的气体空间的压力值超过设定值时，VOC 就会随蒸汽一起排放到大气当中，造成大气污染。

2 原油船VOC 的控制排放标准

2.1 国际海事组织（IMO）

根据MEPC.176(58)决议修订的MARPOL73/78 附则Ⅵ第15.6 条的规定，载运原油的液货船舶，应备有并实施经主管机关或授权组织批准的VOC 管理计划，计划应根据IMO 制定的相关指南编写，管理计划的要求已于2010 年7 月1 日起实施。为此，IMO 2009 年7 月17 日批准了《VOC 管理计划编制指南》，即MEPC.185(59)，具体的技术细节可参考MPEC.1/Circular.680。

VOC 管理计划的主要目的是通过优化操作程序以最大限度减少VOC 的释放，以及利用装置、设备或设计的改变防止或最大限度减少VOC 排放。

优化操作程序主要通过货舱的手动压力释放程序，高速透气阀的日常维护，管子及舱盖垫圈的状态检查，惰性气体的注入程序，装载顺序，流速和舱内液位控制等方面来减小VOC 的排放。具体可参见以上指南文件，本文不再赘述。

2.2 欧盟

欧洲经济委员会在1999 年的哥特堡草案中决定2010 年之前将NMVOC 的排放量在 1990 年的基础上减少30%。

2.3 美国

美国于1990 年要求在美国国内码头卸货的原油船需安装蒸汽排放控制装置(USCG 46 CRF Part 39),并在各装船港口配备VOC 接收装置，目前，美国海岸港口已禁止没有油气收集系统的船舶停靠。IMO 1992 年颁布的MSC/Circ.585 参考了USCG 标准，1997 年MARPOL ANNEX VI reg15 涵盖了MSC/Circ.585 并使之成为强制标准。

3 利用装置、设备减少VOC 排放

VOC 回收一般有两种方法，即主动和被动回收技术。

被动式回收装置中最为人所知的是KVOC 系统，其基本原则是在油舱内安装一个依据装载速率设计的额外的注入管，以降低注入时的货油流速，从而保持货舱内饱和蒸汽的体积，以减小VOC 的排放。

主动VOC 回收包括运用压缩冷凝原理，吸收原理，吸附原理来进行VOC 的回收：

3.1 凝结回收系统

该系统的工作原理与LPG 运输船的再液化装置类似。通过VOC 回收装置里的压缩机、冷凝器以及分离器，VOC 被冷凝、加压后存储在液态储存罐中。随着相关技术的不断完善成熟，VOC液化后可以作为燃料被锅炉、主机等使用。

图1 凝结系统

3.2 吸收回收系统

系统的主要设备是吸收柱。油舱内的VOC 蒸汽和惰气混合物被压缩机加压后，从吸收柱底部进入；一部分原油被油泵从装油主管路上的支路吸入，加压后从吸收柱上部进入，吸收逆流的VOC 蒸汽，然后从管柱底部回到装油主管路上，与装载原油混合后进入油舱内；未被吸收的气体（主要成分为惰气）通过货油透气桅杆排放至大气。

图2 吸收系统

3.3 活性炭吸收系统

系统的主要设备是炭过滤器、真空泵和吸收器。基本工作原理是炭真空吸附技术，首先由炭过滤器过滤吸收舱内产生的油气；随后该炭过滤器由一个真空泵降压再生，以恢复其吸附能力，并在下一环节吸附油气；最后所释放出来的高浓油气进入吸收器，被舱内来的原油吸收后返回到舱内。

图3 活性炭吸收系统

表1 VOC 回收方式比较

4 压缩冷凝VOC 主动回收装置的系统构成

本文将着重介绍压缩冷凝原理的回收装置，该回收装置一般由以下几个子系统组成：

（1）气体清洁系统：去除VOC 携带的所有杂质，包括从货舱中剥离的铁锈。

（2）压缩系统：清洁后，VOC 需要以液体形式压缩。

（3）气体冷凝系统：冷凝分为两个阶段：第一阶段为冷凝和干燥：去除淡水/海水；第二阶段冷凝：丙烯。

典型的系统框图如下，市面上也有成熟的系统甚至撬块可供选择，如瓦锡兰的VOC 回收撬块：

图4 主动回收系统布置

5 VOC 回收船

5.1 目前在油船港口安装主动VOC 回收装置的难点

（1）很多码头为非油船专用码头，回收装置利用率低。

（2）很多码头离市区距离近，环境评估通过难度高。

（3）如需严格控制VOC 排放，只能选择压缩冷凝系统，投资高，回报低，压缩冷凝系统的初期投资高达一千万美元左右。

在此背景下，移动式VOC 回收装置的概念应运而生。由于VOC 处理装置的大小和油船的装卸速率相关，中大型油轮的移动回收装置的选择只能是VOC回收船。目前的VOC 回收船一般是将具有动力定位能力的近海供应船的船体加装VOC 回收装置实现对油轮的VOC 回收及再利用。VOC 回收系统可以回收VOC 排放物，并使用液化后的VOC（LVOC）作为船上电力燃料，或回注回油轮，或将LVOC 存储在船上的储罐中，再回卸到岸上的收集设施。这种设计能在装卸过程中完全回收排放的VOC 气体，并取代了传统燃料，从而减少原油油轮的整体碳排放。

VOC 排放物在经过清洗，压缩和冷凝后，最终形成没有被液化的（SVOC）和被液化的（LVOC）。SVOC 会作为燃气轮机或带有涡轮发电机组的锅炉的燃料，用于发电。而LVOC 将与液化天然气混合，为主辅助发动机提供燃料，并产生电力和惰性气体（在码头卸载时）。

对VOC 回收船的一般要求如下：

船舶需要具备动力定位能力（2 级以上更好），具备与原油船/穿梭油轮一起以动力定位模式执行VOC回收操作。

甲板下需要布置一个装载LVOC 的货舱，考虑一定的经济性，通常罐子容积可装载回收3-4 条原油油轮释放的LVOC。

通常LVOC 储罐为type C 类型的罐子，需要根据货品类型保持一定的压力值，且满足IGC 规范的相关要求。

该船需要配备有快速释放能力的蒸汽回流软管以对接原油油轮和VOC 船上的回收装置。

具备一定的甲板面积，以安装VOC 回收单元。

配备用于储存沉淀物的缓冲罐。

5.2 工作原理

（1）由原油油轮的歧管吊连接到蒸汽回流歧管。

（2）动力定位传感器可以保持装有VOC 回收装置的平台供应船和连接了软管的原油油轮在任何时间保持安全及位置恒定，当原油油轮与连接着歧管的吊一起转动时，平台供应船将保持相对于原油油轮的精确定位。

（3）在原油油轮一边的软管将配备盲板法兰，另一边平台供应船的接头需要带有集成快速释放的能力，以便在紧急情况下可以快速释放。

（4）当软管被安全的连接到原油油轮的歧管上时，VOC 开始通过软管被输送到平台供应船，此时原油油轮上的立管阀将被关闭。

（5）VOC 经过处理后，清洁的气体会进入缓冲罐。

（6）清洁的VOC 进入由两个压缩机组成的回收装置，碳氢化合物被分为两个阶段进行液化：第一阶段，去除海水；第二阶段：冷凝释放碳氢化合物中较重的部分进入船上的压力容器罐中，LVOC 是一种轻烃燃料，可用作发电模块和惰性气体发生器单元中的清洁燃料。

（7）较轻的不能冷凝的碳氢化合物（剩余VOC-SVOC）被送入回收系统的发电模块，确保100%的VOC 回收率和零排放。

（8）当装载完成，软管断开连接，储存在软管卷盘中。

（9）此时平台供应船可以在原油油船单点系泊的附近作为拖船使用。

6 设计难点

6.1 适用规范

目前船级社尚未颁布适用的专用船级符号，一般按照工程船入级。由于船上有用气体作为燃料，且有装载液化气他的独立液罐，系统设计，布置要求，隔离要求也需要参考IGC 和IGF 的相关要求。

6.2 电站的配备

装卸过程中不能冷凝的碳氢化合物会持续送入汽轮机中以提供需要的电力；当单靠汽轮机不足以提供船上需要的电力时，船上的柴油发电机需启动并网以保证提供全船用电；当装卸油完成，气轮机断开，此时柴油发电机需提供全船的电力需求；由于汽轮机和柴油发电机的启动、并网的频率比较高，配备电池PI 系统可保证电力系统的平稳供电，也能使柴油发电机工作在燃油经济点。

6.3 船体稳性及破舱

由于本船大部分的回收模块，缓存舱和气轮机均布置在甲板以上部分，因此船体重心会较高，给完整稳性及破舱稳性带来一定的难度。

此船是作为回收液化气体的海工辅助船使用，在破损时首先需要满足MSC235(82)的破舱稳性要求，其次需要满足散装运输液化气体船（IGC）的相关破舱稳性要求。分舱上会有一定难度，部分活动区域会比较狭小。

表2 MSC235(82) &IGC 破损范围对比表

7 VOC 回收船缺点

作为新的概念设计，减少VOC 的排放可以有益于我们的环境和气候，也有助于可持续的利用能源。但是从经济性角度出发，VOC船的造价高是可以遇见的缺点，无论是甲板上的VOC 回收模块，甲板下的LVOC 压力储罐，还是船上的气轮机和电池组都会使整船价格偏于昂贵，然而靠回收VOC 带来的效益会相对较低，也会相对较慢，保守估计至少需要3-5 年的时间才能收回成本。过去两年油价波动幅度大，那么这种高造价的新型船舶，是否会吸引船东的眼球，还有待于进一步观望。