船舶廢氣脫硫處理系統方案設計

摘要：由于國際防止船舶造成污染公約的嚴格限硫令到期生效，很多遠洋船舶需在豁免期限內對船舶做措施以降低廢氣排放的硫化物、氮化物，除了使用低硫燃油，很多船東選擇對廢氣加裝脫硫裝置來處理。本文展開一艘8萬多載重噸的散貨船加裝開環式、背包式脫硫塔的設計，通過全面專業設計說明脫硫系統的詳細內容，分析圍繞脫硫系統服務的配套專業設計原因，供行業人員加深理解和提高設計能力。

關鍵詞：設計;脫硫系統;脫硫塔;新煙囪

一、船舶廢氣脫硫處理的背景

由于2016年的國際海事組織IMO MEPC 70決議規定，全球船舶廢氣排放的硫含量從3.5% 降為0.5%，限硫令在2020 年1 月1 日正式生效;2018年11月中國交通運輸部頒布《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》，將限硫區域擴大到整個沿海區域。船舶為了避免廢氣排放的硫含量超標，可以采取使用低硫油、加裝脫硫塔或其他清潔能源，但是由于之前油價較高，并且現階段全球低硫油供應量低，即使擴張產能，全球煉油廠的產量在未來幾年還不滿足全部船舶所需，而采用LNG、乙醇等其他燃料的改裝成本比較高，并且港口供應受限制，而現在很多運營的船舶還是使用重油做燃料，考慮總體運營成本，相對來說船舶加裝脫硫塔的改裝費用會比較低、難度小、性價比比較高，因此使得許多船東選擇對運營船舶進行加裝脫硫塔，對船舶廢氣排放進行脫硫處理。

二、脫硫塔布局設計

本船的新脫硫塔煙囪采用背包式，設計在舊煙囪的左舷及后側，底層甲板和B甲板相連，這樣能方便人員從底層B甲板走到生活區，在新煙囪里面布置新加的脫硫塔、設備、管路、電纜等。設計布局利用了舊煙囪的部分側面，從而減少一部分船舶側風受力面積，對船舶穩性影響增加不大，在煙囪后的背包式設計在船舶總體上是最好利用的位置。

本船的脫硫塔呈U型，直徑3米、高9米，加上脫硫塔周邊附件和排煙管等，這是占用新煙囪空間最大的設備，另外還布置一些操縱設備、風機、電箱、儀器和檢測探頭等設備。在船上有限的位置要騰出空間來布置這么多的設備是非常不容易，同時脫硫塔是處理廢氣排放，溫度比較高，只能在煙囪周邊才是最合適的，因此在利用舊煙囪的尾部上方空間，在尾部主甲板上方布置新煙囪房間，通過支撐柱子來懸空于船尾甲板纜機的上方，從而不影響纜機使用，也不影響人員從尾部的救生艇逃生。

新煙囪里按格柵平臺分5層，在第1層布置監控設備柜、多個電箱等電氣設備，第2～4層都是格柵平臺沒設備，在頂部第5層布置2臺煙氣風機、煙氣檢測儀。

三、煙囪結構設計

結構設計主要是在尾部增加新的脫硫塔煙囪結構。這里不在較強的受力區域，不參與船舶總縱強度計算，因此設計所用的板厚、加強筋的規格基本上是參照原船舊煙囪結構。新煙囪最大外形尺寸是長×寬×高≈10m×6.4m×15m，為了盡量減少重量，只在在底部和頂層是設計連續的甲板，在垂直方向的中間區域設計4個水平強框架--腹板是430mm的T型梁，防止新煙囪在垂向變形。頂層甲板厚度是10mm，圍壁板厚度是8mm，加強筋采用L150×90×10的角鋼。這兩層甲板和舊煙囪的甲板板連接，加上兩道圍壁和舊煙囪垂直連接，采用雙面連續焊來保證連接強度。整個新煙囪結構，加上脫硫塔、鐵舾裝、各類設備的總重近150噸，由于這些都不會產生震動，因此在下方的設計4根規格為□350mm的方管做柱子來支撐就滿足了支撐強度要求。支柱坐落在尾甲板的強框架上，在柱子上端、下端增加三角肘板來加強連接。

其次是對原船舊結構的改動設計。在和新煙囪連接的一面，原船舊煙囪上需開4個管孔650mm×700mm，開一個1400mm×2000mm孔供DN1400mm排煙管傾斜接入，在頂部開一個600mm×1800mm門孔供新舊煙囪連通，開孔之后的四周需增加角鋼來做加強筋。在上面4根柱子的尾甲板的下面，就是舵機艙的頂部，需要增加一些加強肘板，防止尾甲板局部受力不夠。

四、廢氣及管路系統設計

輪機及管路設計是圍繞脫硫塔展開形成整個脫硫系統，主要是將原船煙囪的廢氣排放系統增加支管導入到新的脫硫塔，增加供給脫硫塔的海水系統、廢水排水系統、密封空氣管系統、雨水排水管等相關管路系統及管路閥件和附件等，并對原船機艙的一些管路進行了局部改裝，在新煙囪房間頂部增加2臺風機等。

（一）廢氣排氣處理系統

本船的主機功率是10300kW;有3臺發電機，單臺的功率是600kW、720rpm;1臺應急發電機的功率是125kW，1800rpm。MARPOL防污染公約對應急發電機的廢氣沒規定必須脫硫，而船舶主機和發電機都是燃燒重油之后會排出含硫比較多的廢氣，因此它們的廢氣都需要匯集到脫硫塔去處理，在煙囪里對它們的排煙管設計增加旁通煙氣閥來截流廢氣到新煙囪里的脫硫塔，同時增加煙氣探頭。

本船主機排煙管直徑達到1200mm，發電機的排煙管直徑是300mm，脫硫塔的U型接口使得接入的煙氣需先朝下走一段路，而U型接口直徑是1300mm，因此主機和發電機的廢氣匯集管需增大100mm達到1400mm才能方便煙氣順暢通過。這段匯集煙氣的過渡管的材質和原來連接的排煙管的材質一致，都是耐高溫、耐腐蝕的不銹鋼管，采用日標JISG3454的SS400材質。排出的廢氣所包含的硫化物、氮氧化物經過脫硫塔時會和海水發生化學反應會產生硫酸、硝酸，這些酸有一小部分會霧化和伴隨廢氣揮發排出，因此在脫硫塔頂部的排煙管需要采用更高要求的雙相不銹鋼管，防止被酸性氣體腐蝕。

1.1供給冷卻海水系統

在機艙底部設計增加2臺海水泵，將海水供應到新脫硫塔里噴淋廢氣。由于原船機艙底層布置滿各類設備，空間有限，還要考慮增加壓載水處理設備和維修空間，經過勘驗原船實際環境，需要對機艙的一些管路、花紋板進行修改來騰出一些空間，可以在機艙前壁靠左的角落布置2臺海水泵，將海水濾器藏于機艙花紋板底下。新的海水供給系統的管子不是碳鋼管，設計采用玻璃鋼管（GRE），這是為了防止碳鋼管路會有銹蝕的海水對脫硫塔噴淋堿液產生硫化鐵等不良雜質，降低了脫硫功效。海水沿著玻璃鋼管從機艙底部提升到新脫硫塔頂部，垂直高度約30多米，壓力非常大，對海水泵的提升能力要求比較高，因此海水泵的馬達設計采用變頻的、大功率的才能滿足。

（二）排水系統

經過噴淋脫硫塔的海水需要排出船外。呈弱堿性的海水從脫硫塔的中上部噴淋和廢氣中的SOx、NOx發生化學反應之后生產一些硫酸、硝酸等酸性化合物，然后從脫硫塔的底部排出，經過一小段耐腐蝕的雙相不銹鋼管，連接到玻璃鋼管流到機艙舷外。排水的玻璃鋼管一般從機艙靠尾部的舷側排出，排口需離螺旋槳比較長的一段距離，防止酸性廢水腐蝕螺旋槳葉。排舷口的外板表面需要涂一層耐酸堿的特種防腐油漆，以排水口為中心周邊面積需涂超過60平方米，直徑約是4.5米的圓形區域。

（三）氣封管系統

新加一套氣封管系統，從原船壓縮空氣系統接引壓縮氣體，輸送到上述管路系統需要用到壓縮空氣控制的閥門，控制空氣、密封空氣、海水管路閥等等。脫硫塔周邊多個海水噴淋管的閥門通過壓縮空氣來控制開和關;排煙管的煙氣閥通過電動控制壓縮空氣進出來控制開和關。

五、舾裝平臺、防火及救生設計

舾裝的設計主要是在新煙囪里布置直梯和格柵平臺，讓船員方便走動到各處和考慮維護方便等內容。本船在新煙囪里增加4層鋼格柵平臺，每一層高度是2.8米，圍繞脫硫塔周邊錯開管子來布置，貼近脫硫塔，方便人站在平臺上能觀察到閥門、探頭、電器設備等位置，即使以后要儀器壞了需要更換，也可以方便人手施工操作。有些排煙管的煙氣閥的儀器稍高，則需要在其下方增加一個踏步平臺，人員站上去就足夠高度進行觀察。由于脫硫塔周邊的玻璃鋼管走向、位置不同，因此鋼格柵平臺需預先按管子穿越的坐標留開孔，孔的大小要大于閥門的最大外圍直徑，才能讓管子連帶閥件在安裝時穿過。

防火及應急逃生的相關設計包括直梯、蓋子、百葉窗通風、滅火瓶等。直梯的布置需要十分的講究，既要考慮上下方便，又要考慮從上到下的應急逃生便捷、順暢，因此在格柵平臺的開孔需要設計為800x800毫米大。在新煙囪頂層布置一個風雨密小倉蓋，蓋章是可以從下面往上推開的樣式，作為防止煙囪里面著火、冒煙時往上走的逃生方向。新煙囪及脫硫塔沒易燃的物品，為了防止電氣設備及電纜等著火，在有電氣設備多的底層和頂層各放置一個5KG的二氧化碳干粉滅火器瓶，在中層放置4個隔煙面罩。

另外，還有很多的鐵舾裝件，新增加的設備基座包括有：風機基座、電箱架子、脫硫儀器監測底座、海水泵基座、百葉窗、機艙底層花鋼板等。

六、電氣設備及系統設計

新增加的脫硫設備的電力都從原船電氣系統引出，需要修改原來的相關電氣系統圖，相對來說脫硫系統所涉及的電氣改裝難度不大，主要的改裝設計系統有：電力負荷分析計算書、主干電纜系統、駕駛室電氣系統圖、機艙自動化系統圖、照明系統圖，還需增加電氣設備布置圖、照明燈布置圖。

增加的電氣設備有照明燈、脫硫塔監控設備、煙氣探頭、廢水監測儀器、海水泵的變頻器、各類設備的開關遙控和電箱等，還有這些電氣設備的支架、電纜、電纜托架。本船的電制是110V，60Hz，新加的變頻海水泵馬達是需要達到440V。廢氣脫硫監控設備布置一臺在新煙囪底部，由于新煙囪在尾部甲板，離生活區和集控室值班人員比較遠，為了方便人員監控，同時布置一臺監控設備在機艙的集控室里。

電纜走向的生產設計分兩部分：新煙囪總段部分可預先設計，原船生活區及機艙區域不可預先設計。由于新煙囪可作為總段預制，也在電腦建好了各專業及設備的三維模型，所以新煙囪內的電纜及電纜托架走向可先行設計，并在總段建造的時候做好電纜托架。原船生活區及機艙區域的電纜不能預先設計走向，因為原船狀況比較復雜，電纜走向是穿插艙室頂部是有很多管路、電纜，燒焊電纜托架、支架等產生的火花容易損壞原船電纜及其他，頂部空間狹小施工難，一般電纜盡量利用原船的電纜托架走線，所以這些電纜線路只能等船舶進廠后，經過主管勘驗再在現場確定走向。

七、結語

船舶加裝脫硫系統有開環式、閉環式、混合式三種方式，其中開式是相對技術比較簡單的方式，其他兩種方式主要是多了堿液艙處理和儲存廢水液艙及相關系統，無論哪種方式，要做好詳細設計和生產設計，必須在改裝前弄清楚船舶狀況。通過本船加裝脫硫系統設計及改裝，本人做了幾點經驗總結，要點如下：

（一）盡可能收集多的原船圖紙，盡早收集新加設備及脫硫設備廠商的圖紙和資料，以方便后期設計所碰到的連接節點及接口細節。

（二）盡可能到船舶現場勘驗、測量，以獲取實船的真實情況和熟識細節。

（三）需要對原船機艙及改裝區域做3D掃描，獲得數據包需轉換成生產設計軟件能導入的格式，成為管路和電纜做生產設計的調用背景。

（四）在脫硫設計開始及初步方案出來之后，十分有必要與船東、船員進行多次溝通，聽取船員的使用意見，才能選擇適合該輪和航線的脫硫設備，在做設計時才能全面考慮設備布置的準確和以后維修設備及系統的方便，減少改裝工程難度。

（五）在原船煙囪周邊加裝背包式脫硫塔的最大利好是可以預先制造新的脫硫塔，待船舶到船廠之后一周內就可以吊裝上船安裝;同時開環式脫硫系統不需要對原船結構、管路、線路布置進行大的改動，減少了破壞，大大縮短了工程項目周期，是目前船東的優先選擇方案。

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作者簡介：

梁淼森（1982—），男，本科，工程師，主要從事船舶與海洋工程技術設計工作。