船舶脫硫系統的改裝和調試

賈榮強，朱 杰，杜占海

(1.大連中遠海運重工有限公司，遼寧 大連 116113；2.中國船級社大連分社，遼寧 大連 116000；3.浙江友聯修造船有限公司，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，除排放控制區以外的全球其它海域,船用燃油的最大硫含量質量百分數不得超過0.5%。目前，為實現這一目標的技術有3種：①燃料前處理方式：采用專門的工藝對燃油進行脫硫處理，船舶直接使用符合規定的低硫燃油；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：安裝脫硫系統裝置，把廢氣中的 SOx清除，達到與使用低硫燃油等效的減排效果[1]。越來越多的新建船舶和營運船舶采用了廢氣處理方式以應對限硫令，脫硫系統分為開式、閉式和混合式，3種脫硫系統的優缺點[2]見表1。船東可結合船舶負荷、自身空間、主要運營水域的法規等營運需求進行選擇，以滿足船舶在不同排放控制區域的航行要求。根據DNV GL統計數據，目前3種脫硫系統的市場占比為開式71%，閉式14%，混合式15%，現階段主要采用開式系統。

表1 3種脫硫系統的優缺點

2 船舶脫硫系統改裝施工

船舶加裝脫硫系統已成為各大修船廠的主要工程業務，船舶原有空間上的限制給前期的脫硫系統設計、施工增加了難度；由于大多數船舶在營運過程中，船東對改裝施工周期要求較高，加上現場復雜的施工環境，給脫硫系統改裝進度、質量的可控性帶來了挑戰。某18 000 TEU集裝箱船(雙主機)有2臺主機軸帶發電機、1臺蒸汽透平發電機、3臺柴油發電機，根據該船特點，僅對2臺主機采用了開式脫硫系統改裝，其原理示意圖見圖1，鍋爐及柴油發電機繼續使用低硫油[3]以滿足環保要求。該船的開式脫硫系統改裝包括新加脫硫海水泵、濾器、沖洗泵、脫硫塔、海水排放監測單元、排煙監測系統、氣封風機、配電盤、變壓器、變頻器、船舶防海生物系統等設備和閥門的安裝，排煙管、海水系統管路、空氣控制管路、閥門控制管路施工及其他相關結構的修改和電纜鋪設。

2.1 脫硫系統管路材料的比較與選擇

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

2.2 玻璃鋼管系及支架的設計與施工

玻璃鋼管系廣泛應用于船舶脫硫系統改裝，由于船舶高速或高負荷運轉時，船舶振動尤其是機艙、煙囪區域會加劇，因此玻璃鋼管系的支架及管卡型式對于降低管系振動、保證管系正常運轉尤為重要。玻璃鋼管系支架分為導向式支架、固定式支架和法蘭式支架[4]。法蘭式支架主要應用于管系的泵出口位置及脫硫塔周圍，同時在脫硫塔周圍通常設計安裝有膨脹節。之前多采用非環抱式管卡，而現在采用的全環抱式管卡，其寬度增加，內部采用膠皮墊。

圖1 開式脫硫系統原理示意圖

表2 脫硫系統主要管路材料的應用范圍及優缺點

玻璃鋼管支架的位置通常通過玻璃鋼管系應力分析計算選取，支架的位置及焊接位置的支撐強度對管路系統的可靠性非常重要。某集裝箱船試航(主機功率50%時)過程中，管系的振動較大，經查該管為脫硫塔進水管系，存在支架距離管系彎頭、拐彎處稍遠，同時支架沒有焊接在主要結構上的問題，焊接的面板反面也沒有進行加強處理，現場對支架進行了修改，故障消除。

脫硫系統改裝通常需要將玻璃鋼管設計、安裝至煙囪區域，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，排煙管無法正常安裝絕緣材料時，會導致玻璃鋼管的局部溫度較高，超出使用溫度的極限。對于此類情況，可采用二氧化硅氣凝膠絕緣材料對排煙管包裹處理，二氧化硅氣凝膠隔熱性優良，具有極低的導熱系數，可達到0.013～0.016 W/(m·K),低于靜態空氣的導熱系數0.024 W/(m·K),從而保證其絕緣隔熱效果。

脫硫塔設備通常布置在機艙內較高的位置，其振動較大，為此脫硫塔頂部和底部均設計安裝了減震支撐，因此與脫硫塔相連管系除了要設計膨脹節外，管系支架還通常采用滑動式，以減小因振動產生的應力，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，洗滌水通過舷側鋼質短管和機艙內本地控制的舷側閥進行舷側排放，技術設計時容易忽略此管路。按規范要求，其舷側閥門除了能本地控制外，還能在機艙外(如散貨船舵機艙或集裝箱船廊道內)進行遙控開關。

2.3 管系的防腐選擇與施工

改裝施工過程中，與脫硫塔相連管系通常設計為不銹鋼管，改裝后，多條船舶脫硫塔進口管系出現管系泄漏問題，后期將連接脫硫塔的不銹鋼管全部更改為鋼塑復合管，故障消除。

開式脫硫系統排舷外的洗滌水在管系內測量pH值為3.5～5.8，因此舷外管及其外板區域均采取特殊油漆——玻璃鱗片樹脂處理，施工質量要求較高，溫度要求10 ℃以上，在冬天施工時，通常將該區域搭設腳手架，用防火布包圍起來，內部采用熱風幕進行加熱、保溫。由于該油漆黏度較高，油漆泵容易堵塞，施工時應多加注意。脫硫塔頂部排煙管內部油漆通常也使用該類油漆。

2.4 電氣設備安裝空間的通風設計

脫硫塔及相關設備的安裝區域通常設計為增加與原機艙棚一體的外擴獨立空間，其通風設計容易被忽視或遺漏，該空間內沒有設置相應的有效通風系統(如供風風道)，而是僅僅把機艙棚尾部上方的通風百葉窗移至新增空間的結構后壁上，在沒有有效通風狀況下，會導致煙囪內設備處于高溫的工作環境下，尤其是設備上的電氣元件。布置于新增空間角落里的設備氣體檢測儀，在此環境下容易導致故障。規范要求電氣設備(尤其是布置在角落處的設備)的工作環境溫度應在0～45 ℃，工作環境溫度超過45 ℃，則除了在封閉空間新加百葉窗外，還應增加工藝孔，與原船空間相連，確保通風效果，使溫度滿足規范要求。

3 船舶脫硫系統調試

船舶脫硫系統改裝結束后，需要進行碼頭調試和船舶試航調試。碼頭調試主要對脫硫海水泵、三通閥、氣封風機、船舶防海生物系統、舷外閥、變壓器、變頻器及配電箱等新加設備進行試驗，側重于電氣設備送電及信號調試、泵的磨合試驗、設備管路系統的密性試驗。船舶試航調試側重于脫硫系統在主機不同功率狀態下使用高硫油時，管系、設備振動情況，關注主機油耗變化、排煙脫硫效果、排出海水是否超標等運行數據狀況。

1)根據規范要求，在本地控制站和集控室設置緊急停機裝置，手動停止系統運行，并打開廢氣旁通裝置。出現以下狀態時系統會自動停止運行: ①脫硫塔廢氣進口溫度過高； ②廢氣通過脫硫裝置的壓降過高(背壓超過燃油燃燒裝置允許的最大值之前應發出報警)；③ 洗滌水供應壓力過低；④ 脫硫塔水位過高。有些船舶還設計了污水井報警系統，該系統一種是利用原機艙底部污水井報警點，設計成船舶底部單側所有污水井同時報警時，脫硫系統停止運行；另外一種是新加污水井報警點，根據玻璃鋼管系布置路徑及其周圍狀況，在容易出現管系破損位置下方的相對可封閉位置新加污水井及報警點，一旦該點報警，脫硫系統也會停止運行。安裝該系統可以避免在海水管系出現泄漏時，因停車不及時而導致的大量海水淹沒機艙設備。

2)船舶主機在不同負荷狀態下，需監測海水進出口及排煙參數。船舶試航調試過程中，船舶主機在25%、50%、75%，90%負荷狀態下，脫硫系統需進行0.1%、0.5%脫硫排放模式下運轉試驗，海水排放監測單元監測和記錄海水進口及洗滌水出口的 pH 值、PAH (多環芳烴)值、渾濁度和溫度試驗數據，排煙監測系統(CEMS)對排煙的硫含量進行監測分析。在機艙環境溫度為27 ℃、使用燃油硫含量質量百分數為2.33 %條件下，按照0.5%脫硫排放模式自動運行，由于上述集裝箱船為雙主機，故安裝2個脫硫塔，不同主機負荷下的排煙監測數據表見表3。

CEMS實際監測數據通常用φ(SO2)/φ(CO2)作為排煙脫硫效果的評價標準。依據《MARPOL附則VI》不同燃油硫含量限值所對應的燃油硫含量質量百分數0.5% 時，φ(SO2)/φ(CO2)為21.7；燃油硫含量質量百分數0.1% 時，φ(SO2)/φ(CO2)為4.3。使用高硫油后產生的廢氣經脫硫塔洗滌后φ(SO2)/φ(CO2)為0.2～1.9，遠低于4.3,脫硫塔脫硫效果十分明顯。

對海水泵的進口及洗滌塔出口的水進行監測，取樣監測點需要設計在管系中心位置，通常設計或施工時容易忽視，存在忘記在管系內部安裝或沒有設計該監測點的現象，會導致監測數據失真。 參照中國船級社《船舶廢氣清洗系統試驗及檢驗指南》，與試航監測進出口數據(見表4)對比狀況如下：①在船舶靜止狀態下，距離舷外排放點 4 m處的水流pH值應不小于 6.5，根據廠家設計和模擬仿真計算，洗滌水在出口位置的pH值不小于3.1，即可滿足規范要求，而工程實際中在洗滌水排放口安裝噴嘴裝置，加速對洗滌水的稀釋，洗滌水出口pH值在3.5～5.6，滿足要求；②洗滌水出口連續最大 PAH值應不超過進口PAH值(50 μg/L)，實際排放PAH值在10.2～21.4 μg/L，滿足要求；③洗滌水出口連續最大渾濁度與海水進口渾濁度差值應不大于 25 FNU ，實際渾濁度差值在1.0～4.0 FNU，滿足要求。

表3 不同主機負荷下的排煙監測數據表

表4 試航監測進出口數據表

船舶試航調試過程中監測的數據表明，開式脫硫系統利用海水的弱堿性對洗滌水中硫氧化物進行中和，在0.5%脫硫模式下自動運轉，洗滌水的pH 值、PAH 值、渾濁度均符合規范要求，0.1%脫硫模式的脫硫效果遠高于0.5%脫硫模式，更加符合規范要求。因此，脫硫系統有著非常好的排煙脫硫效果，滿足了現有環保法規要求。