某600FEU集裝箱船混合式廢氣脫硫系統存在的問題及解決辦法

李家院 朱強強 謝勰 連曉東 石保國

摘 ? ?要：某600FEU集裝箱船采用了混合式廢氣脫硫系統，在設備、管路布置設計過程中發生了一些問題，其中部分問題具有典型性。為減少同類產品設計差錯，作者針對這些典型問題進行了分析總結，并提出解決辦法，供相關人員參考。

關鍵詞：脫硫系統;設備;管路;典型問題

中圖分類號：U677.2 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： A 600FEU container vessel adopts a hybrid exhaust gas scrubber system， and some problems occur in the design process of equipment and pipeline layout， some of which are typical. In order to reduce the design errors of similar products， this paper analyzes and summarizes these typical problems for reference and discussion.

Key words： SOX Scrubber system; Equipment; Piping; Typical problems

1 ? ? 前言

隨著各國對硫化物排放要求日益提高，IMO規定：從2012年起，船舶使用燃油的含硫量由原來的4.5%降低到3.5%，2020年后將降低到0.5%;從2015年1月1日起，在四大排放控制區實施燃油0.1%硫含量限制，包括：夏威夷群島、北美洲東西海岸、美國加勒比海、歐洲北海、波羅的海地區的ECA區域;對使用超過含硫量標準的燃油，應裝設廢氣脫硫裝置。

為此，新建的國際航線船舶可根據自身航行海域配置符合要求的廢氣脫硫系統，或使用含硫量不超過0.1%或0.5%燃油;歐盟和新加坡法規還規定，對于安裝開式廢氣脫硫系統的船舶，在進入規定的水域之前應及時轉換為符合規定的燃油，并停止廢氣脫硫系統;而安裝混合式廢氣脫硫系統的船舶，在進入規定的水域之前應及時轉換到閉式模式運行。

由于目前低硫油價格昂貴，本船選擇安裝廢氣脫硫系統來滿足IMO排放標準。

2 ? ? 系統組成和工作原理

2.1 ? 系統組成

本船選用德國某公司鈉堿法混合式廢氣脫硫系統，如圖1所示。

該系統包含的主要設備有：脫硫塔（1）;洗滌海水兼冷卻海水泵（2）;淡水泵（3）;預處理閉式循環泵（4）;閉式循環泵（5）;堿液供給泵（6）;洗滌水處理裝置（7）;廢液排放泵（8）;閉式循環冷卻器（9）;洗滌水監測單元（10）;煙氣監測單元（11）。

除了上述設備，系統還包括：堿液艙（12）;過程艙（13）;廢液存放艙（14）。此外，還有洗滌水管路、堿液管路、排煙管路、閥門、附件、儀表、電纜和控制中心等。

2.2 ? 工作原理

2.2.1 開式模式

當船舶位于排放控制區以外時，可使用開式模式：主機/輔機/鍋爐燃油側的煙氣進入脫硫塔;海水泵將海水注入脫硫塔內對煙氣沖噴，通過海水自帶的堿性去除煙氣的硫份，使煙氣含硫量不高于0.5%;洗滌水直接排放至舷外，洗滌水的排放指標應滿足IMO相關要求。

2.2.2 閉式模式

當船舶位于排放控制區（ECA）時，在船舶進入排放控制區之前將廢氣脫硫系統由開式模式切換到閉式模式形成閉式回路，閉式循環泵、堿液供給泵、廢液處理單元、冷卻器和淡水泵等設備投入運行：海水泵的作用是將向脫硫塔提供洗滌海水變為向冷卻器提供冷卻海水，冷卻后的海水直接排至舷外;由于冷卻器可能泄漏，需持續監測排放至舷外的海水，其排放指標應滿足IMO相關要求;主機/輔機/鍋爐燃油側的煙氣進入脫硫塔，洗滌水回流至過程艙，閉式循環泵將加注了堿液的洗滌水循環注入脫硫塔內對煙氣沖噴，去除煙氣的硫化物;與此同時，洗滌水處理裝置（如圖2所示）對洗滌水進行循環處理，排放有害的干渣并把干渣用專用容器收集;處理后合格的洗滌水回流至過程艙，不合格的水儲存在廢艙存放艙;洗滌過程中將不斷消耗堿液和洗滌水，堿液由堿液供給泵補充，洗滌水由淡水泵補充。

3 ? ?存在的問題及解決辦法

3.1 ? 管路沿程阻力問題

3.1.1海水泵至脫硫塔洗滌水管布置

本船的混合式廢氣脫硫系統設備和管路布置，如圖3所示：海水泵位于低點（機艙底）、脫硫塔位于高點，海水泵的吸水點到脫硫塔的接口之間垂直高差約40 m，水泵的總揚程約為0.6 MPa，脫硫塔需要的最小沖噴壓力約為0.12 MPa，生產設計時需對其壓力取值進行核算。

海水泵的揚程包括三部分：垂直高差+脫硫塔沖噴壓力+管路水頭損失，即：

P=k（∑Pf+∑Pp）+0.01H+P0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P—水泵總揚程（MPa）;

k（∑Pf+∑Pp）—管路沿程水頭損失和局部水頭損失（MPa）;

H—吸水點到脫硫塔接口之間的垂直高差（m）;

P0—脫硫塔需要的最小沖噴壓力（MPa）。

管路沿程水頭損失和局部水頭損失最大允許值為：

k（∑Pf+∑Pp）=P-0.01H-P0=0.08 Mpa ? ? ? ? ? ? ?（2）

如果管路水頭損失超標，會導致廢氣脫硫系統工作時塔內沖噴壓力不足，直接影響脫硫效果，可能無法滿足排放指標。

在管路實際布置過程中，由于未考慮到該因素，存在較多直角彎，引起阻力過大，需加以改進。為此，將直角彎改為兩個45°彎，以減少沿程損失。優化前后的情況，如圖4所示。

3.1.2脫硫塔洗滌水排放管布置

不論是開式還是閉式模式，本船需要的洗滌水量都比較大，工作流量約為740 m3/h。洗滌水應及時從塔內排到舷外或者回流到過程艙，排舷外或者回流的洗滌水都依靠重力勢能流動，如果管路阻力較大將導致排放水流速過低，使塔內的水不能及時排出，造成塔內水位超標可能倒灌到排煙管，對主機、輔機或鍋爐造成損毀。

在保證空間夠用和經濟可行的前提下，本船設計的各排出管管徑總和為DN450，根據

v=10 000 Q/（9πd2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：v—管內洗滌水的排放流速（m/s）;

Q—脫硫塔洗滌水工作流量（m3/h）;

d—管子內徑（mm）。

為保證塔內不積水，管內洗滌水的最低工作排放流速為：

Vmax= 10 000 Q/（9πd2）=1.31 m/s ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

考慮到其它因素影響，最低設計排放流速取1.1倍，即1.44 m/s。

為保證洗滌水的排放速度，在布置脫硫塔排出管時應保證其順暢。設計中出現較多問題的原因是管路直角彎較多，需優化設計。優化前后的效果，如圖5所示。

另外，對于水平管段，應保證足夠的斜度，一般不小于5‰。

3.1.3 排煙管布置

煙氣出口需要克服的排氣阻力主要來自排煙管、鍋爐、消音器和洗硫塔：

P總=P1+P2+P3+P4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：P總—主機或輔機煙氣出口需要克服的全部排氣阻力;

P1—排煙管的排氣阻力;

P2—鍋爐的排氣阻力;

P3—消音器的排氣阻力;

P4—脫硫塔的排氣阻力;

主機廠允許的主機排煙口的最大排氣阻力為600 mmH2O、鍋爐為90 mmH2O、消音器的最大排氣阻力為110 mmH2O、脫硫塔為150 mmH2O，即

P總=P1+P2+P3+P4= P1+350≤600 mmH2O ? ? ? ?（6）

理論上排煙管的排氣阻力P1應不大于250 mmH2O，考慮到實際誤差，再預留50 mmH2O余量，故排煙管的排氣阻力以不大于200 mmH2O為宜;由于排煙管的走向很難做到橫平豎直，受空間限制不可避免會有多處立體彎位，因此要減小排氣阻力，一方面需加大管子的通徑，另一方面管子的走向需流暢。但管子的通徑也受限制，所以一般都是根據流速、空間和設備接口規格選定一個適合值，并經阻力核算合格。

部分排煙管也經過反復的調整和優化，使管路走向更順暢，其改進方案如圖6所示。

3.1.4 堿液管布置

廢氣脫硫系統常用的堿液為NaOH溶液，其結晶溫度在常用濃度時一般不超過10 ℃。當NaOH溶液結晶后會堵塞管路和設備，造成系統無法正常工作。因此，一方面做要做好管路和設備的保溫，另外要做好管路的泄放和沖洗，在每次使用后將管路或設備內殘留的NaOH溶液泄放并用淡水沖洗干凈。為此，在管路的兩端設置泄放閥和沖洗接口;NaOH溶液從甲板岸站注入至堿液艙，在廢氣脫硫系統閉式模式下，系統會根據洗滌水流量自動控制堿液泵將NaOH溶液按所需用量加注到過程艙;此外，管路布置還應保證一定斜度，以不小于5‰為宜，管路不應有高低起伏和沉水彎。本船優化后的NaOH溶液管路布置圖，如圖7所示。

3.2 ? 設備布置問題

3.2.1設備模塊

對于混合式廢氣脫硫系統，除開式處理模式外，還應有閉式處理模式，該模式需配置洗滌水處理裝置。為達到處理效果，洗滌水需要經過一系列流程的物理或化學處理，因此洗滌水處理裝置包括多個設備模塊：1套輸送泵模塊、2套加藥模塊、1套過濾模塊、1套濃縮罐模塊、1套脫水模塊、1套脫水收集罐模塊等7個模塊。根據廠家的系統原理圖，上述7個裝置的工作流程如圖8所示。

在布置洗滌水處理裝置時，由于前期預留空間不足，導致后期收到廠家資料后無法按工作流程將7個洗滌水處理裝置按序集中布置在一處，如圖9所示。洗滌水裝置模塊布置的較為分散，需要布置更長的管子和電纜，增加了建造成本，維護管理不方便。

在同類產品的設計中，應預先要求脫硫設備廠家提供洗滌水處理裝置的參考圖紙或產品模型，并按其預留足夠的布置空間，避免出現后期空間不足設備無法集中布置的問題。

3.2.2脫硫塔

脫硫塔的尺寸和重量較大，一般在高度方向跨越3～5層甲板。在布置脫硫塔時，應綜合考慮設備與結構的干涉、設備的操作和檢修空間、上建的重心和穩性、脫硫塔自身的固定方式、甲板的承重能力和脫硫塔設備接口的安裝可行性等因素。

本船在布置脫硫塔時，由于輪機專業和船體專業缺乏足夠的橫向溝通，導致輪機專業設計的設備定位與船體專業設計的基座高度不一致。輪機專業設計的出發點是避免設備與結構干涉，保證設備的操作和檢修，實現各個橫向支撐的固定，而船體專業設計的出發點是以甲板面作為設備安裝基座，以降低船體結構的復雜性，提高結構承重能力，同時設備重心相對較低，有利于改善穩性。后經過協調，在原設計基礎上適當降低脫硫塔的高度，在保證設備安裝、維護方便的前提下，盡量減少船體結構的復雜性，并滿足甲板載荷、重心和穩性等要求。修改前后的脫硫塔布置圖，如圖10所示。

4 ? ? 結論和建議

廢氣脫硫系統是一種新型的環保設備，隨著新規則的生效，在低硫油價格高昂的情況下，越來越多的船舶選擇安裝該裝置。根據該型船的施工經驗，需注意以下問題：

（1）洗滌水管路和排放水管路應布置順暢，盡量減少管路小角度彎頭，并核算管路壓力損失和管內流速;

（2）排煙管應布置順暢，并核算其排氣阻力，應滿足設備要求的最大允許排氣背壓要求;

（3）堿液管應向下傾斜，避免高低起伏和沉水彎，并設置泄放閥和沖洗接口;

（4）應預先考慮洗滌水處理裝置各設備有足夠的布置空間，盡量根據工作流程按序布置，以減少管路和電纜長度;

（5）設備定位位置應由各專業討論決定，充分考慮結構受力、設備的操作和檢修空間、船舶重心和穩性要求、脫硫塔安裝固定要求和脫硫塔設備接口的安裝可行性等因素。

不同生產廠家的配置情況、工作原理和技術參數都不盡相同，需在設計過程中根據具體情況靈活處理。希望本文能拋磚引玉，供同行共同探討，以提高設計質量。

參考文獻

[1]船舶設計實用手冊（輪機分冊）[M]. 北京：國防工業出版社，2002.