廢氣清洗脫硫裝置在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

金文剛，孫國(guó)芳

(新大洋造船有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225107)

0 引言

當(dāng)前,隨著人類(lèi)保護(hù)環(huán)境的意識(shí)不斷加強(qiáng)，作為全球有害氣體排放主要來(lái)源之一的船舶廢氣的排放也受到極大的關(guān)注。船舶有害氣體硫氧化物的排放主要來(lái)自船用內(nèi)燃機(jī)的燃燒廢氣。根據(jù)國(guó)際海事組織MEPC70的決議,將在2020年1月1日起，全球范圍內(nèi)燃油的硫含量需控制在0.5%以?xún)?nèi),特定排放控制區(qū)(ECA)內(nèi)使用燃油的硫含量需控制在0.1%以?xún)?nèi)。

船舶廢氣中的硫氧化物(SOX)是燃油中的硫燃燒后形成的污染物，依靠燃油燃燒設(shè)備自身技術(shù)改造很難達(dá)到硫排放控制的目的，只能通過(guò)燃料前、廢氣后處理或者替代燃料的方式進(jìn)行控制。目前主要有3種應(yīng)對(duì)的方法：船舶使用液化天然氣(LNG)為燃料；船舶使用含硫量不大于0.1%的船用輕柴油(MGO)；船舶仍使用船用燃料油(HFO)，在排氣端安裝使用煙氣脫硫裝置。

目前，國(guó)際海事組織(IMO)推薦的解決船舶廢氣中二氧化硫(SO2)含量超標(biāo)問(wèn)題的方法主要使用低硫燃油和安裝廢氣處理裝置。選用低硫燃料能從源頭上解決船舶廢氣中的二氧化硫含量超標(biāo)的問(wèn)題，但由于低硫燃油在提煉過(guò)程中須經(jīng)過(guò)額外的脫硫工藝，因而價(jià)格遠(yuǎn)高于常規(guī)重油。

從船舶廢氣中脫硫是解決船舶二氧化硫排放超標(biāo)的一個(gè)有效手段。洗滌脫硫裝置具有很多的優(yōu)點(diǎn)：首先是脫硫率高，一般可達(dá)96%以上；其次設(shè)備適應(yīng)性強(qiáng)，不會(huì)影響柴油機(jī)的工作性能和參數(shù)；再次是運(yùn)行和維護(hù)成本低，操作靈活；最后能避免更換燃料油時(shí)的安全隱患等。廢氣清洗脫硫裝置能一次性地將廢氣中的硫化物中和至相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以?xún)?nèi)。

本文從解讀法規(guī)實(shí)施硫氧化物排放的有效時(shí)間及排放限制入手，分別介紹3種不同形式的廢氣清洗脫硫系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，從規(guī)范視角和船廠在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的要點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用分析，并對(duì)安裝廢氣清洗脫硫裝置進(jìn)行必須評(píng)估。

1 控制船舶硫氧化物(SOX)法規(guī)實(shí)施時(shí)間

海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第70次會(huì)議(MEPC70)于2016年10月24日—28日在倫敦召開(kāi)，會(huì)上通過(guò)了MEPC.280(70)決議實(shí)施為國(guó)際防止船舶造成污染公約(MAPPOL)附則VI第14.1.3條燃油標(biāo)準(zhǔn)的有效日期，將全球船舶燃油硫含量排放限額從3.5%下調(diào)至0.5%，并于2020年1月1日生效。

2 廢氣清洗脫硫裝置所需達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

2.1 限排尾氣比值對(duì)應(yīng)燃油硫含量

對(duì)于餾分油或渣油這類(lèi)碳?xì)淙剂蟻?lái)說(shuō)，燃油硫含量與廢氣排放中二氧化硫/二氧化碳的比值存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系，見(jiàn)表1。

2.2 洗滌水的排放標(biāo)準(zhǔn)

洗滌水排放規(guī)則根據(jù)IMO MEPC.259(68)的要求，舷外監(jiān)測(cè)位置的酸堿度(pH值)排放限值是指船舶靜止?fàn)顟B(tài)下，距離舷外排放點(diǎn)4 m處的排放水流酸堿值達(dá)到6.5時(shí)的洗滌水，該值作為舷外洗滌水排放限值；洗滌水連續(xù)最大多環(huán)芳烴(PAH)濃度應(yīng)不超過(guò)進(jìn)口處水質(zhì)的多環(huán)芳烴濃度的50×10-6g/L；洗滌水處理系統(tǒng)應(yīng)防止硝酸鹽的排放超過(guò)清除廢氣中12% 氮氧化物(NOX)所對(duì)應(yīng)的硝酸鹽量或60×10-3g/L，取大者；洗滌水混濁度/懸浮顆粒不應(yīng)超過(guò)進(jìn)口處水混濁度25 FNU或等效單位。

3 船舶廢氣清洗脫硫系統(tǒng)的工作原理

3.1 開(kāi)式海水脫硫系統(tǒng)的基本原理

天然海水的酸堿pH值一般為7.5～8.5，其中含有大量的弱酸和弱堿鹽類(lèi)，所以天然海水具有很強(qiáng)的酸堿緩沖以及吸收酸性氣體的性能。海水脫硫就是利用天然海水中的堿性吸收煙氣中的二氧化硫(SO2),通過(guò)發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，煙氣中的二氧化硫在處理塔中被海水吸收以到達(dá)排放要求，硫酸和海水中的鎂和鈣結(jié)合生成硫酸鎂或硫酸鈣，以達(dá)到入海排放的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)式脫硫系統(tǒng)組成示意

開(kāi)式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)需添加劑，投資費(fèi)用低，運(yùn)行成本少。

(2)僅采用海水作為洗滌液。

(3)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，不需要儲(chǔ)存洗滌液和廢液。

(4)受海水堿度、鹽度影響較大，港口和部分海域不能運(yùn)行。

(5)港口酸性廢液排放受限或部分港口國(guó)不接受開(kāi)式脫硫系統(tǒng)排放，須使用低硫燃油。

3.2 閉式脫硫系統(tǒng)的工作原理

閉式脫硫系統(tǒng)利用添加的堿性物質(zhì)，通常是氫氧化鈉(NaOH)與廢氣中的硫氧化物反應(yīng)，生成鹽類(lèi)，反應(yīng)產(chǎn)生的洗滌廢液經(jīng)過(guò)處理后可儲(chǔ)存在船上。閉式脫硫系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2。

圖2 閉式脫硫系統(tǒng)的組成示意

閉式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)不受水域影響，可在全球海域運(yùn)行。

(2)船上須設(shè)置洗滌液儲(chǔ)存艙及相關(guān)系統(tǒng)。

(3)使用鹽類(lèi)溶液，增加運(yùn)營(yíng)成本。

(4)系統(tǒng)較復(fù)雜，投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較高。

3.3 混合脫硫系統(tǒng)工作原理

混合脫硫系統(tǒng)組合了開(kāi)式模式和閉式模式的系統(tǒng)，根據(jù)需求情況，以開(kāi)式或閉式模式運(yùn)行。混合式脫硫系統(tǒng)組成見(jiàn)圖3。

圖3 混合式脫硫系統(tǒng)的組成示意

混合式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

(1)兼具開(kāi)式和閉式兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，靈活切換，可在全球海域航行船舶中使用。

(2)系統(tǒng)組成更為復(fù)雜，初期設(shè)備投資與安裝成本很高。

4 安裝廢氣清洗脫硫裝置的評(píng)估

4.1 技術(shù)可行性評(píng)估

安裝廢氣清洗脫硫裝置前必須進(jìn)行技術(shù)可行性評(píng)估工作，主要內(nèi)容包括如下：

(1)包括不限于船旗國(guó)和港口國(guó)的要求、船舶類(lèi)型、電力負(fù)荷、設(shè)備安裝空間、燃燒設(shè)備在最大持續(xù)輸出功率下熱帶和冬季的廢氣排放量等。

(2)船舶空船重量、載重噸、船舶重心、船舶穩(wěn)性、舾裝數(shù)、洗滌水排放舷外口附近船殼板防酸油漆處理、能效指數(shù)、柴油機(jī)排氣背壓、機(jī)艙二氧化碳固定式滅火系統(tǒng)容量、配電板主開(kāi)關(guān)參數(shù)等。

4.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

經(jīng)濟(jì)性評(píng)估內(nèi)容包括但不限于船舶航行、投資回報(bào)率、燃油價(jià)格和差價(jià)走勢(shì)、船舶在特殊排放控制區(qū)內(nèi)的航行時(shí)間、柴油機(jī)的輸出功率等。

5 船級(jí)社對(duì)廢氣清洗脫硫裝置的相關(guān)要求

5.1 圖紙?zhí)峤徽J(rèn)可要求

船級(jí)社要求提交的廢氣清洗脫硫裝置有關(guān)圖樣和技術(shù)文件如下：

脫硫塔安裝布置圖；脫硫塔安裝基座及與船舶結(jié)構(gòu)連接有關(guān)的詳圖；系統(tǒng)對(duì)船舶穩(wěn)性和載重線影響的評(píng)估資料；脫硫劑加注、儲(chǔ)存、駁運(yùn)、制備等有關(guān)的布置細(xì)節(jié)，包括儲(chǔ)存艙/柜的容量計(jì)算； 洗滌水和脫硫渣處理有關(guān)的艙柜/罐容積及布置；系統(tǒng)相關(guān)艙柜的空氣管、測(cè)量管和溢流管布置圖； 主要管系圖；控制、監(jiān)測(cè)與安全保護(hù)系統(tǒng)；報(bào)警與顯示點(diǎn)清單；脫硫系統(tǒng)緊急停機(jī)裝置；船上試驗(yàn)大綱。

5.2 船上安裝檢查和檢驗(yàn)

按批準(zhǔn)的圖紙以及船級(jí)社有關(guān)脫硫裝置的指南執(zhí)行如下檢查和試驗(yàn)：

排氣系統(tǒng)的布置和安裝檢查；洗滌塔布置和安裝檢查；煙筒結(jié)構(gòu)的支撐和加強(qiáng)檢查，通風(fēng)開(kāi)口關(guān)閉裝置的檢查，以及防火分隔的檢查；通海閥、舷旁閥及舷外短管的布置及安裝檢查；脫硫劑儲(chǔ)存艙、堿液艙、循環(huán)艙及泄放艙的布置、隔離、安裝、焊接和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢查；各管路系統(tǒng)、泵、閥和附件的布置、安裝檢查，以及管路的液壓和密性試驗(yàn)；脫硫系統(tǒng)洗滌水管路中經(jīng)常使用玻璃鋼管，對(duì)其使用范圍和布置、貫穿結(jié)構(gòu)形式等的檢查。

5.3 系泊試驗(yàn)

系泊試驗(yàn)內(nèi)容如下：

各泵類(lèi)、風(fēng)機(jī)、分離凈化設(shè)備的效用試驗(yàn)；系統(tǒng)安全閥(如有)試驗(yàn)；氣體分析監(jiān)控裝置及洗滌水排放監(jiān)測(cè)等裝置的效用試驗(yàn)；控制監(jiān)測(cè)、安全系統(tǒng)的效用試驗(yàn)。

5.4 船上驗(yàn)證試驗(yàn)

參照批準(zhǔn)的船上試驗(yàn)大綱和船級(jí)社規(guī)定執(zhí)行，需要特別注意以下事項(xiàng)：

(1)試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)的選取。試驗(yàn)需考慮各種運(yùn)行工況，應(yīng)該在多種負(fù)荷條件下進(jìn)行。試驗(yàn)負(fù)荷的范圍應(yīng)盡量大，并按照負(fù)荷從低到高，再?gòu)母叩降偷倪^(guò)程進(jìn)行。

(2)船上試驗(yàn)時(shí)的燃料油應(yīng)采用高硫重油，且硫含量應(yīng)與技術(shù)要求的最大硫含量一致。

6 開(kāi)式脫硫裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)脫硫塔布置在機(jī)艙棚(煙筒)內(nèi)時(shí)，若結(jié)構(gòu)需要擴(kuò)大，應(yīng)對(duì)船舶舾裝數(shù)、船舶穩(wěn)性、船舶重心進(jìn)行計(jì)算分析；對(duì)上建整吊方案進(jìn)行合理評(píng)估，吊點(diǎn)的位置和加強(qiáng)提前做好預(yù)案，新設(shè)備要提前考慮新的施工工藝，避免影響生產(chǎn)工期。

(2)若需擴(kuò)大機(jī)艙棚，一定要核實(shí)機(jī)艙總?cè)莘e，重新計(jì)算機(jī)艙二氧化碳所需容量。

(3)脫硫洗滌排放系統(tǒng)中排舷外管的選材須耐強(qiáng)酸特性。建議船廠完成管子放樣，由廠家提供雙相不銹鋼管。排舷外管安裝時(shí)要伸出外板一段距離, 便于密性試驗(yàn), 之后在現(xiàn)場(chǎng)沿外板線形切除多余管段，否則無(wú)法完成船上排舷外短管的密性試驗(yàn)。

(4)排舷外口的位置距離海水吸入口一般要求大于4 m，且在水流的尾部方向，避免酸性液體腐蝕；洗滌水排放舷外口附近船殼板需做防酸油漆處理，將洗滌液酸堿值等參數(shù)發(fā)油漆廠商技術(shù)確認(rèn)。排舷外口和螺旋槳的間距要滿足廠家推薦距離。

(5)洗滌海水泵排量根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選定后，需確認(rèn)防海生物裝置的尺寸規(guī)格以及安裝位置是否滿足要求；洗滌海水泵一般廠家推薦為變頻控制，變頻電纜的鋪設(shè)需滿足電氣規(guī)范，與其他電力和信號(hào)電纜分開(kāi)布置，避免干擾；海水管或海水箱的流通面積需考慮新增加的洗滌海水泵的流量計(jì)算，通海閥的控制位置應(yīng)滿足《國(guó)際海上人命安全公約》要求的機(jī)艙浸水計(jì)算高度。

(6)核實(shí)柴油機(jī)等燃燒設(shè)備排氣系統(tǒng)承受的最大背壓及油耗變化，及時(shí)反饋給船東并認(rèn)可。MAN B&W S60ME主機(jī)排氣系統(tǒng)加裝脫硫裝置后最大允許背壓見(jiàn)表2。

(7)脫硫裝置的電氣控制系統(tǒng)需要連接船上的導(dǎo)航定位系統(tǒng)及柴油機(jī)負(fù)載信號(hào)。

表2 MAN B&W S60ME主機(jī)排氣最大允許背壓

(8)設(shè)計(jì)方需提供海水供給泵、脫硫塔本體的布局位置，以及船舶的輕載水線、結(jié)構(gòu)水線高度等參數(shù)給脫硫裝置廠家，以便廠家提供準(zhǔn)確的泵壓頭。

(9)脫硫塔本體材料一般選用SMO254的進(jìn)口不銹鋼。一般脫硫塔進(jìn)氣口有一段2 m集成管子，材質(zhì)也為SMO254，建議此管段由廠家配好到船廠。

(10)洗滌水排放管因酸性廢液存在腐蝕性，一般選用玻璃鋼管，且脫硫塔廠家要求該管路向下保持20°的傾斜。目前市場(chǎng)上玻璃鋼管供貨周期較長(zhǎng)，因此，建議該玻璃鋼管的設(shè)計(jì)及安裝盡量避免修改；玻璃鋼管布置盡量遠(yuǎn)離熱源，如需穿過(guò)密閉防火艙室，管路的貫穿形式需提前得到船級(jí)社的認(rèn)可；脫硫塔排舷外管與船殼外板角度一般設(shè)計(jì)為90°。

(11)脫硫系統(tǒng)中，強(qiáng)酸介質(zhì)管路或高溫排氣管路上的墊片材質(zhì)一般選擇不銹鋼石墨纏繞墊片。

(12)雙向不銹鋼材質(zhì)的排舷外短管與船殼外板的焊接需滿足船級(jí)社焊接形式認(rèn)證要求。排舷外管壁厚應(yīng)滿足船級(jí)社規(guī)范要求，挪威船級(jí)社對(duì)脫硫系統(tǒng)排舷外短管壁厚特別要求不得小于15 mm。

(13)排氣管上風(fēng)閘的閥板中間需要接密封空氣然后形成正壓，防止煙氣逸散。日本船級(jí)社對(duì)密封風(fēng)機(jī)安裝方位要求為其軸向應(yīng)沿船舶縱向安裝。

(14)排氣管風(fēng)閘的密封空氣接管需要朝上，能夠防止閥板下方不會(huì)形成積灰。

(15)排氣風(fēng)閘連接法蘭的船用標(biāo)準(zhǔn)已升級(jí)為CB/T 3766—2014。2014版標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)格尺寸上有變化。脫硫裝置廠家一般推薦ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，船廠需仔細(xì)核對(duì)參數(shù)。

(16)加裝廢氣清洗脫硫裝置，全船電力負(fù)荷需重新計(jì)算，以確保發(fā)電機(jī)功率滿足要求。

(17)U型脫硫裝置一般有吸入塔和噴射塔組成。考慮重心及吊點(diǎn)布置不同，一般廠家推薦分吊上船后再組裝，其連接墊片的安裝需按照廠家要求或由廠家服務(wù)人員安裝。

(18)考慮船體下沉或彎曲及熱膨脹效應(yīng)，玻璃鋼管管路設(shè)計(jì)應(yīng)有足夠的膨脹接頭。膨脹接頭的連接須保證其密封性。管路支架的位置需按玻璃鋼管廠家推薦。

(19)氣體監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的取樣傳感器在排氣管上的安裝有角度要求，需參照廠家推薦圖紙；加熱電纜的長(zhǎng)度和彎曲半徑需參照廠家要求；校準(zhǔn)氣瓶包括零點(diǎn)校準(zhǔn)氣瓶和量程氣瓶，零點(diǎn)校準(zhǔn)氣瓶不應(yīng)含硫；煙氣分析柜需設(shè)置通往大氣的接管。

(20)按日本船級(jí)社規(guī)范的要求，在進(jìn)口和出口管路上分別設(shè)置水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其洗滌水取樣口下需配置水盤(pán)及浮球報(bào)警裝置。濁度計(jì)的安裝角度和管路中的氣泡及流速都可能影響其測(cè)量精度，建議安裝濁度計(jì)的管路上方配置自動(dòng)透氣裝置，以減少氣泡干擾。

(21)脫硫裝置的控制和報(bào)警需要延伸到機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，便于集中監(jiān)控。

7 結(jié)論

廢氣清洗脫硫裝置在我國(guó)船舶上的應(yīng)用才剛剛起步，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還很少。本文介紹了硫排放法規(guī)、廢氣清洗脫硫裝置的工作原理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面，其要點(diǎn)如下：

(1)廢氣清洗脫硫裝置系統(tǒng)初投資較大，需預(yù)先與船東確認(rèn)航線及在港口停留時(shí)間，確定最優(yōu)脫硫方案。

(2)廢氣清洗脫硫裝置在船舶上應(yīng)用，涉及多方面技術(shù)參數(shù)升級(jí)或改進(jìn)，設(shè)計(jì)前期需特別評(píng)估。

(3)貨船為了提高容積，通常機(jī)艙包括煙筒都布置十分緊湊。在船舶設(shè)計(jì)之初，十分有必要與船東溝通，在布置時(shí)應(yīng)充分考慮該系統(tǒng)設(shè)備的影響，再全盤(pán)考慮，做出合理的布置。