船舶脫硫系統(tǒng)的改裝和調(diào)試

賈榮強(qiáng)，朱 杰，杜占海

(1.大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧 大連 116113；2.中國(guó)船級(jí)社大連分社，遼寧 大連 116000；3.浙江友聯(lián)修造船有限公司，浙江 舟山 316281)

1 船舶硫排放控制處理方式

自2020年1月1日以后，除排放控制區(qū)以外的全球其它海域,船用燃油的最大硫含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不得超過(guò)0.5%。目前，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)有3種：①燃料前處理方式：采用專門的工藝對(duì)燃油進(jìn)行脫硫處理，船舶直接使用符合規(guī)定的低硫燃油；②替代燃料方式：使用天然氣、甲醇等清潔燃料；③廢氣處理方式：安裝脫硫系統(tǒng)裝置，把廢氣中的 SOx清除，達(dá)到與使用低硫燃油等效的減排效果[1]。越來(lái)越多的新建船舶和營(yíng)運(yùn)船舶采用了廢氣處理方式以應(yīng)對(duì)限硫令，脫硫系統(tǒng)分為開(kāi)式、閉式和混合式，3種脫硫系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)[2]見(jiàn)表1。船東可結(jié)合船舶負(fù)荷、自身空間、主要運(yùn)營(yíng)水域的法規(guī)等營(yíng)運(yùn)需求進(jìn)行選擇，以滿足船舶在不同排放控制區(qū)域的航行要求。根據(jù)DNV GL統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前3種脫硫系統(tǒng)的市場(chǎng)占比為開(kāi)式71%，閉式14%，混合式15%，現(xiàn)階段主要采用開(kāi)式系統(tǒng)。

表1 3種脫硫系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

2 船舶脫硫系統(tǒng)改裝施工

船舶加裝脫硫系統(tǒng)已成為各大修船廠的主要工程業(yè)務(wù)，船舶原有空間上的限制給前期的脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工增加了難度；由于大多數(shù)船舶在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，船東對(duì)改裝施工周期要求較高，加上現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的施工環(huán)境，給脫硫系統(tǒng)改裝進(jìn)度、質(zhì)量的可控性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。某18 000 TEU集裝箱船(雙主機(jī))有2臺(tái)主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)、1臺(tái)蒸汽透平發(fā)電機(jī)、3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，根據(jù)該船特點(diǎn)，僅對(duì)2臺(tái)主機(jī)采用了開(kāi)式脫硫系統(tǒng)改裝，其原理示意圖見(jiàn)圖1，鍋爐及柴油發(fā)電機(jī)繼續(xù)使用低硫油[3]以滿足環(huán)保要求。該船的開(kāi)式脫硫系統(tǒng)改裝包括新加脫硫海水泵、濾器、沖洗泵、脫硫塔、海水排放監(jiān)測(cè)單元、排煙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣封風(fēng)機(jī)、配電盤、變壓器、變頻器、船舶防海生物系統(tǒng)等設(shè)備和閥門的安裝，排煙管、海水系統(tǒng)管路、空氣控制管路、閥門控制管路施工及其他相關(guān)結(jié)構(gòu)的修改和電纜鋪設(shè)。

2.1 脫硫系統(tǒng)管路材料的比較與選擇

脫硫系統(tǒng)中管路主要選用玻璃鋼、不銹鋼和鋼塑復(fù)合管，鋼塑復(fù)合管即碳鋼管系內(nèi)部打砂，噴塑料-聚乙烯處理，俗稱噴塑。少量系統(tǒng)采用碳鋼鍍鋅管或塑料管，表2為脫硫系統(tǒng)主要管路材料的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)。

2.2 玻璃鋼管系及支架的設(shè)計(jì)與施工

玻璃鋼管系廣泛應(yīng)用于船舶脫硫系統(tǒng)改裝，由于船舶高速或高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，船舶振動(dòng)尤其是機(jī)艙、煙囪區(qū)域會(huì)加劇，因此玻璃鋼管系的支架及管卡型式對(duì)于降低管系振動(dòng)、保證管系正常運(yùn)轉(zhuǎn)尤為重要。玻璃鋼管系支架分為導(dǎo)向式支架、固定式支架和法蘭式支架[4]。法蘭式支架主要應(yīng)用于管系的泵出口位置及脫硫塔周圍，同時(shí)在脫硫塔周圍通常設(shè)計(jì)安裝有膨脹節(jié)。之前多采用非環(huán)抱式管卡，而現(xiàn)在采用的全環(huán)抱式管卡，其寬度增加，內(nèi)部采用膠皮墊。

圖1 開(kāi)式脫硫系統(tǒng)原理示意圖

表2 脫硫系統(tǒng)主要管路材料的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)

玻璃鋼管支架的位置通常通過(guò)玻璃鋼管系應(yīng)力分析計(jì)算選取，支架的位置及焊接位置的支撐強(qiáng)度對(duì)管路系統(tǒng)的可靠性非常重要。某集裝箱船試航(主機(jī)功率50%時(shí))過(guò)程中，管系的振動(dòng)較大，經(jīng)查該管為脫硫塔進(jìn)水管系，存在支架距離管系彎頭、拐彎處稍遠(yuǎn)，同時(shí)支架沒(méi)有焊接在主要結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題，焊接的面板反面也沒(méi)有進(jìn)行加強(qiáng)處理，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)支架進(jìn)行了修改，故障消除。

脫硫系統(tǒng)改裝通常需要將玻璃鋼管設(shè)計(jì)、安裝至煙囪區(qū)域，由于空間上的限制，玻璃鋼管安裝后與未安裝絕緣的排煙管距離較近，有的地方甚至低于25～50 mm，排煙管無(wú)法正常安裝絕緣材料時(shí)，會(huì)導(dǎo)致玻璃鋼管的局部溫度較高，超出使用溫度的極限。對(duì)于此類情況，可采用二氧化硅氣凝膠絕緣材料對(duì)排煙管包裹處理，二氧化硅氣凝膠隔熱性優(yōu)良，具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，可達(dá)到0.013～0.016 W/(m·K),低于靜態(tài)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.024 W/(m·K),從而保證其絕緣隔熱效果。

脫硫塔設(shè)備通常布置在機(jī)艙內(nèi)較高的位置，其振動(dòng)較大，為此脫硫塔頂部和底部均設(shè)計(jì)安裝了減震支撐，因此與脫硫塔相連管系除了要設(shè)計(jì)膨脹節(jié)外，管系支架還通常采用滑動(dòng)式，以減小因振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力，避免造成管系損壞。

洗滌塔的洗滌水泄放管路通常也采用玻璃鋼管，洗滌水通過(guò)舷側(cè)鋼質(zhì)短管和機(jī)艙內(nèi)本地控制的舷側(cè)閥進(jìn)行舷側(cè)排放，技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)容易忽略此管路。按規(guī)范要求，其舷側(cè)閥門除了能本地控制外，還能在機(jī)艙外(如散貨船舵機(jī)艙或集裝箱船廊道內(nèi))進(jìn)行遙控開(kāi)關(guān)。

2.3 管系的防腐選擇與施工

改裝施工過(guò)程中，與脫硫塔相連管系通常設(shè)計(jì)為不銹鋼管，改裝后，多條船舶脫硫塔進(jìn)口管系出現(xiàn)管系泄漏問(wèn)題，后期將連接脫硫塔的不銹鋼管全部更改為鋼塑復(fù)合管，故障消除。

開(kāi)式脫硫系統(tǒng)排舷外的洗滌水在管系內(nèi)測(cè)量pH值為3.5～5.8，因此舷外管及其外板區(qū)域均采取特殊油漆——玻璃鱗片樹(shù)脂處理，施工質(zhì)量要求較高，溫度要求10 ℃以上，在冬天施工時(shí)，通常將該區(qū)域搭設(shè)腳手架，用防火布包圍起來(lái)，內(nèi)部采用熱風(fēng)幕進(jìn)行加熱、保溫。由于該油漆黏度較高，油漆泵容易堵塞，施工時(shí)應(yīng)多加注意。脫硫塔頂部排煙管內(nèi)部油漆通常也使用該類油漆。

2.4 電氣設(shè)備安裝空間的通風(fēng)設(shè)計(jì)

脫硫塔及相關(guān)設(shè)備的安裝區(qū)域通常設(shè)計(jì)為增加與原機(jī)艙棚一體的外擴(kuò)獨(dú)立空間，其通風(fēng)設(shè)計(jì)容易被忽視或遺漏，該空間內(nèi)沒(méi)有設(shè)置相應(yīng)的有效通風(fēng)系統(tǒng)(如供風(fēng)風(fēng)道)，而是僅僅把機(jī)艙棚尾部上方的通風(fēng)百葉窗移至新增空間的結(jié)構(gòu)后壁上，在沒(méi)有有效通風(fēng)狀況下，會(huì)導(dǎo)致煙囪內(nèi)設(shè)備處于高溫的工作環(huán)境下，尤其是設(shè)備上的電氣元件。布置于新增空間角落里的設(shè)備氣體檢測(cè)儀，在此環(huán)境下容易導(dǎo)致故障。規(guī)范要求電氣設(shè)備(尤其是布置在角落處的設(shè)備)的工作環(huán)境溫度應(yīng)在0～45 ℃，工作環(huán)境溫度超過(guò)45 ℃，則除了在封閉空間新加百葉窗外，還應(yīng)增加工藝孔，與原船空間相連，確保通風(fēng)效果，使溫度滿足規(guī)范要求。

3 船舶脫硫系統(tǒng)調(diào)試

船舶脫硫系統(tǒng)改裝結(jié)束后，需要進(jìn)行碼頭調(diào)試和船舶試航調(diào)試。碼頭調(diào)試主要對(duì)脫硫海水泵、三通閥、氣封風(fēng)機(jī)、船舶防海生物系統(tǒng)、舷外閥、變壓器、變頻器及配電箱等新加設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，側(cè)重于電氣設(shè)備送電及信號(hào)調(diào)試、泵的磨合試驗(yàn)、設(shè)備管路系統(tǒng)的密性試驗(yàn)。船舶試航調(diào)試側(cè)重于脫硫系統(tǒng)在主機(jī)不同功率狀態(tài)下使用高硫油時(shí)，管系、設(shè)備振動(dòng)情況，關(guān)注主機(jī)油耗變化、排煙脫硫效果、排出海水是否超標(biāo)等運(yùn)行數(shù)據(jù)狀況。

1)根據(jù)規(guī)范要求，在本地控制站和集控室設(shè)置緊急停機(jī)裝置，手動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)行，并打開(kāi)廢氣旁通裝置。出現(xiàn)以下?tīng)顟B(tài)時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行: ①脫硫塔廢氣進(jìn)口溫度過(guò)高； ②廢氣通過(guò)脫硫裝置的壓降過(guò)高(背壓超過(guò)燃油燃燒裝置允許的最大值之前應(yīng)發(fā)出報(bào)警)；③ 洗滌水供應(yīng)壓力過(guò)低；④ 脫硫塔水位過(guò)高。有些船舶還設(shè)計(jì)了污水井報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)一種是利用原機(jī)艙底部污水井報(bào)警點(diǎn)，設(shè)計(jì)成船舶底部單側(cè)所有污水井同時(shí)報(bào)警時(shí)，脫硫系統(tǒng)停止運(yùn)行；另外一種是新加污水井報(bào)警點(diǎn)，根據(jù)玻璃鋼管系布置路徑及其周圍狀況，在容易出現(xiàn)管系破損位置下方的相對(duì)可封閉位置新加污水井及報(bào)警點(diǎn)，一旦該點(diǎn)報(bào)警，脫硫系統(tǒng)也會(huì)停止運(yùn)行。安裝該系統(tǒng)可以避免在海水管系出現(xiàn)泄漏時(shí)，因停車不及時(shí)而導(dǎo)致的大量海水淹沒(méi)機(jī)艙設(shè)備。

2)船舶主機(jī)在不同負(fù)荷狀態(tài)下，需監(jiān)測(cè)海水進(jìn)出口及排煙參數(shù)。船舶試航調(diào)試過(guò)程中，船舶主機(jī)在25%、50%、75%，90%負(fù)荷狀態(tài)下，脫硫系統(tǒng)需進(jìn)行0.1%、0.5%脫硫排放模式下運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，海水排放監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)和記錄海水進(jìn)口及洗滌水出口的 pH 值、PAH (多環(huán)芳烴)值、渾濁度和溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，排煙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)對(duì)排煙的硫含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。在機(jī)艙環(huán)境溫度為27 ℃、使用燃油硫含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2.33 %條件下，按照0.5%脫硫排放模式自動(dòng)運(yùn)行，由于上述集裝箱船為雙主機(jī)，故安裝2個(gè)脫硫塔，不同主機(jī)負(fù)荷下的排煙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表見(jiàn)表3。

CEMS實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常用φ(SO2)/φ(CO2)作為排煙脫硫效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)《MARPOL附則VI》不同燃油硫含量限值所對(duì)應(yīng)的燃油硫含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0.5% 時(shí)，φ(SO2)/φ(CO2)為21.7；燃油硫含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0.1% 時(shí)，φ(SO2)/φ(CO2)為4.3。使用高硫油后產(chǎn)生的廢氣經(jīng)脫硫塔洗滌后φ(SO2)/φ(CO2)為0.2～1.9，遠(yuǎn)低于4.3,脫硫塔脫硫效果十分明顯。

對(duì)海水泵的進(jìn)口及洗滌塔出口的水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要設(shè)計(jì)在管系中心位置，通常設(shè)計(jì)或施工時(shí)容易忽視，存在忘記在管系內(nèi)部安裝或沒(méi)有設(shè)計(jì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真。 參照中國(guó)船級(jí)社《船舶廢氣清洗系統(tǒng)試驗(yàn)及檢驗(yàn)指南》，與試航監(jiān)測(cè)進(jìn)出口數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4)對(duì)比狀況如下：①在船舶靜止?fàn)顟B(tài)下，距離舷外排放點(diǎn) 4 m處的水流pH值應(yīng)不小于 6.5，根據(jù)廠家設(shè)計(jì)和模擬仿真計(jì)算，洗滌水在出口位置的pH值不小于3.1，即可滿足規(guī)范要求，而工程實(shí)際中在洗滌水排放口安裝噴嘴裝置，加速對(duì)洗滌水的稀釋，洗滌水出口pH值在3.5～5.6，滿足要求；②洗滌水出口連續(xù)最大 PAH值應(yīng)不超過(guò)進(jìn)口PAH值(50 μg/L)，實(shí)際排放PAH值在10.2～21.4 μg/L，滿足要求；③洗滌水出口連續(xù)最大渾濁度與海水進(jìn)口渾濁度差值應(yīng)不大于 25 FNU ，實(shí)際渾濁度差值在1.0～4.0 FNU，滿足要求。

表3 不同主機(jī)負(fù)荷下的排煙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

表4 試航監(jiān)測(cè)進(jìn)出口數(shù)據(jù)表

船舶試航調(diào)試過(guò)程中監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)表明，開(kāi)式脫硫系統(tǒng)利用海水的弱堿性對(duì)洗滌水中硫氧化物進(jìn)行中和，在0.5%脫硫模式下自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，洗滌水的pH 值、PAH 值、渾濁度均符合規(guī)范要求，0.1%脫硫模式的脫硫效果遠(yuǎn)高于0.5%脫硫模式，更加符合規(guī)范要求。因此，脫硫系統(tǒng)有著非常好的排煙脫硫效果，滿足了現(xiàn)有環(huán)保法規(guī)要求。