20萬t級(jí)散貨船脫硫系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

王彥，劉丹丹，劉戀，房向前，肖超

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司，上海 201913)

全球限硫令已正式生效，目前業(yè)內(nèi)應(yīng)對(duì)措施主要有使用低硫燃料油、采用清潔能源液化天然氣(LNG)燃料代替燃油以及加裝船舶廢氣清洗裝置(脫硫系統(tǒng))3種[1]。綜合考慮初期投資、燃料來源、運(yùn)營(yíng)成本等因素，加裝脫硫系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)，受到多數(shù)船東青睞。脫硫系統(tǒng)加裝對(duì)機(jī)艙和機(jī)艙棚的設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)。廠家眾多，設(shè)備型式多樣化，使得設(shè)計(jì)難度陡增。20萬t級(jí)散貨船作為市場(chǎng)上的主力船型，數(shù)量大，船東多，脫硫設(shè)備選擇范圍廣。為此，梳理和總結(jié)脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)。

1 脫硫系統(tǒng)型式及選用

1.1 系統(tǒng)型式及特點(diǎn)

船用脫硫系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)以及混合式系統(tǒng)3種型式，優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 不同型式脫硫系統(tǒng)特點(diǎn)

1.2 系統(tǒng)選型

在近幾年的脫硫系統(tǒng)加裝案例中，開式系統(tǒng)以其成本優(yōu)勢(shì)成為船東首選。在近期新承接訂單中，對(duì)于目的地僅為硫氧化物排放控制區(qū)域(SECA)港口的船舶，部分船東開始嘗試混合式系統(tǒng)。

混合式系統(tǒng)涉及的設(shè)備數(shù)量多、體積大，管路大而復(fù)雜，艙室多，空間需求大。解決空間布置問題是脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最大的難點(diǎn)。

混合式系統(tǒng)涵蓋了開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)所有特點(diǎn)及布置需求，在3種型式中設(shè)計(jì)難度最大。以其為研究對(duì)象，所得方案通用性更強(qiáng)。

2 混合式系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

混合式系統(tǒng)設(shè)備布置可分為2大部分：①脫硫塔、海水泵、密封風(fēng)機(jī)等共有設(shè)備的布置，這些設(shè)備的布置大同小異；②閉式系統(tǒng)特有設(shè)備的布置，該類設(shè)備的布置靈活性較大，因船型而異。

2.1 共有設(shè)備的布置

2.1.1 海水泵

海水泵一般布置在機(jī)艙底層，海水箱或海水總管附近，關(guān)鍵取決于取水方式。海水泵進(jìn)口必需低于輕載水線，確保在惡劣海況下，橫搖達(dá)到最大角度時(shí)，泵進(jìn)口始終處于水線以下[2]。

2.1.2 脫硫塔

脫硫塔型式主要為U型和I型。目前脫硫設(shè)備生產(chǎn)商接近20家，主流供應(yīng)商約為5家，適用于20萬t級(jí)船舶的主流廠家脫硫塔主體尺寸對(duì)比見表2。

表2 主流廠家脫硫塔主體尺寸 單位：mm

U型脫硫塔布置時(shí)，橫向空間需求較大，縱向空間需求較小，整體布置難度偏大。

I型脫硫塔布置時(shí)，橫向空間需求較小，縱向空間需求較大，整體布置難度略小。但需重點(diǎn)關(guān)注煙囪加高后對(duì)雷達(dá)桅及其上方的各類信號(hào)燈布置的影響。

受氮氧化物(NOx)排放限制影響，船舶選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)已成為主流配置，催化反應(yīng)器單元是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。發(fā)電機(jī)SCR系統(tǒng)的催化反應(yīng)器單元通常安裝在主甲板。有的船東還要求配置發(fā)電機(jī)廢氣經(jīng)濟(jì)器，一般布置在機(jī)艙棚B甲板。綜合考慮脫硫塔型式、主體尺寸、機(jī)艙棚及煙囪空間、發(fā)電機(jī)SCR系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)廢氣經(jīng)濟(jì)器組合配置情況等因素，脫硫塔可布置在機(jī)艙棚B甲板、C甲板或D甲板，見表3。

2.1.3 機(jī)艙棚及煙囪的通用設(shè)計(jì)

脫硫塔主體尺寸和布置位置，對(duì)機(jī)艙棚和煙囪的設(shè)計(jì)有著決定性影響。20萬t級(jí)散貨船涉及多個(gè)船型，機(jī)艙棚和煙囪型式及主體尺寸各不相同，且不同廠家脫硫塔對(duì)機(jī)艙棚和煙囪空間需求也不同。從通用布置角度考慮，梳理不同廠家設(shè)備、不同船型機(jī)艙棚及煙囪的異同點(diǎn)，設(shè)計(jì)出滿足各方需求的通用性方案，以實(shí)現(xiàn)機(jī)艙棚、煙囪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。

以發(fā)電機(jī)SCR系統(tǒng)、廢氣經(jīng)濟(jì)器全配，布置最為困難這一特定條件作為通用方案設(shè)計(jì)的前提條件。

這類船型的發(fā)電機(jī)通常布置在機(jī)艙三甲板，發(fā)電機(jī)排氣管通常會(huì)沿機(jī)艙后壁布置，便于支架

表3 各型脫硫塔安裝位置與影響因素 mm

設(shè)置。催化反應(yīng)器單元布置在主甲板，其噴射管、混合管和Y型管布置在主甲板以下且尺寸較長(zhǎng)，受二甲板鍋爐影響，催化反應(yīng)器單元整體需盡可能靠近后壁布置，且廢氣進(jìn)口與排氣管處于同一軸線，見圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)排氣管路和催化反應(yīng)器常規(guī)布置

圖2 催化反應(yīng)器和廢氣經(jīng)濟(jì)器相對(duì)位置

為使發(fā)電機(jī)廢氣經(jīng)濟(jì)器的布置高度降到最低，經(jīng)濟(jì)器廢氣進(jìn)口須與催化反應(yīng)器單元廢氣出口處于同一軸線，采用最小長(zhǎng)度直管連接。綜合2類設(shè)備維修空間需求，機(jī)艙棚后壁X方向需要相對(duì)于機(jī)艙后壁再往尾部移2個(gè)肋位長(zhǎng)度，見圖2。Y方向，滿足3臺(tái)催化反應(yīng)器單元布置需約8 m(約10個(gè)縱骨)寬度。同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)風(fēng)道和機(jī)艙棚其他設(shè)備布置，機(jī)艙棚Y方向以不小于16個(gè)縱骨寬度為宜。

為滿足發(fā)電機(jī)廢氣經(jīng)濟(jì)器布置在B甲板，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙棚和煙囪高度空間利用最大化，A甲板高度需至少增加1～1.5 m，具體以發(fā)電機(jī)SCR系統(tǒng)選型為準(zhǔn)，滿足2設(shè)備間最小接管及附件布置需求即可。其余甲板順勢(shì)抬高，但相對(duì)層高維持不變。

綜合考慮上述2類設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)的情況，機(jī)艙棚X方向尺寸應(yīng)不小于10個(gè)肋位長(zhǎng)度，Y方向尺寸不小于16個(gè)縱骨寬度，A甲板層高不小于4.5 m為宜。

以橫向尺寸較大的U型脫硫塔為例，由表3可知:當(dāng)L≤6 300 mm且D≤3 800 mm時(shí)，其最高布置位置不超過C甲板，見圖3。

圖3 脫硫塔在C甲板的一般布置

煙囪X方向尺寸不小于10個(gè)肋位長(zhǎng)度，Y方向尺寸不小于10個(gè)縱骨寬度即可布置，故煙囪維持常規(guī)型式設(shè)計(jì)，見圖4型式A。I型脫硫塔布置類同。

圖4 脫硫塔位置及煙囪型式

當(dāng)L>6 300 mm或D>3 800 mm時(shí)，脫硫塔必須布置在D甲板，此時(shí)煙囪Y方向10個(gè)縱骨寬度已無法滿足布置需求，需加寬。為了方便結(jié)構(gòu)處理，建議Y方向尺寸與機(jī)艙棚相同，見圖4型式B。

機(jī)艙棚和煙囪在X、Y方向主體尺寸固化，便于對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。各船型間主甲板反頂與機(jī)艙棚相關(guān)的強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)能按同一種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)可根據(jù)脫硫塔型式和尺寸實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的快速選擇。

2.2 特有設(shè)備的布置及配套艙室需求

2.2.1 特有設(shè)備的布置

閉式系統(tǒng)特有的水處理、水循環(huán)相關(guān)設(shè)備，需要大量空間進(jìn)行布置。通常情況下，首選機(jī)艙棚兩側(cè)的艙室進(jìn)行調(diào)整，或是在其周圍新增結(jié)構(gòu)艙室。

2.2.2 配套艙室設(shè)計(jì)

閉(混合)式系統(tǒng)需配置專用艙室：堿液艙、循環(huán)水艙、零排放艙和廢渣艙[3]。

1)堿液艙。目前多數(shù)船廠的閉式系統(tǒng)選用鈉堿法，即以NaOH溶液作為脫硫劑[5]。堿液艙理論容積一般不大，但船東會(huì)兼顧使用習(xí)慣、運(yùn)營(yíng)成本等因素，要求加大容積，降低堿液加注頻率。堿液艙的設(shè)計(jì)，船級(jí)社都有明確的要求，設(shè)備廠家也會(huì)有較為詳細(xì)的推薦。設(shè)計(jì)方需結(jié)合艙室所在區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、周圍設(shè)備、舾裝件布置情況，綜合考慮此類艙室的容積。

2)循環(huán)水艙。循環(huán)水艙在閉(混合)式系統(tǒng)中用作緩沖艙，其容積決定著洗滌系統(tǒng)在閉路模式下無排放操作的時(shí)間。典型的艙容推薦見表4(數(shù)據(jù)來自MAN B&W 二沖程船用主機(jī)排放項(xiàng)目指南——符合MARPOL公約附則VI 的規(guī)定)。

表4 主機(jī)廠家關(guān)于循環(huán)水艙容積的推薦

3)廢渣艙。閉式系統(tǒng)中和反應(yīng)產(chǎn)生的廢水，在排放或進(jìn)艙之前需經(jīng)過水處理單元進(jìn)行分離處理。處理后的產(chǎn)物因水處理單元型式的不同而不同[4]。

離心式水處理單元：排出的廢渣是從洗滌水中分離出的燃燒顆粒、含硫物質(zhì)和其他物質(zhì)組成的水溶液，pH值通常介于6～9之間。廢渣在單獨(dú)的油渣艙或船上的一般艙室中存儲(chǔ)。

膜式水處理單元：能實(shí)現(xiàn)渣和水的徹底分離，水進(jìn)艙，渣為純固體顆粒，壓縮后直接裝袋存儲(chǔ)。

故廢渣艙不是閉式系統(tǒng)的標(biāo)配，視設(shè)備選型而定。廢渣艙位置視水處理單元位置而定，遵循就近原則。

4)零排放艙。經(jīng)水處理單元處理后的洗滌水，在公海海域可以直接排放。當(dāng)船舶進(jìn)入限制排放區(qū)域后，處理后的洗滌水須進(jìn)艙存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)零排放。零排放艙容積需根據(jù)船舶在限制排放區(qū)域停留時(shí)間、廢氣產(chǎn)生設(shè)備工況、水處理單元工況綜合計(jì)算得出。理論上該艙容積滿足單次停留存儲(chǔ)需求即可。

該艙盡可能布置在低于水處理單元的區(qū)域，滿足設(shè)備重力排放需求。同時(shí)該艙推薦布置在重載水線以上，降低排放泵性能要求。船東要求的零排放艙容積非常大，考慮到當(dāng)前船型機(jī)艙、舵機(jī)艙布置十分擁擠，已無空間布置此類艙室，故推薦NO.8、NO.9貨艙兩側(cè)的頂邊空艙改做零排放艙使用。

2.3 系統(tǒng)主要管路設(shè)計(jì)

海水冷卻管路、洗滌水排放管路、排氣管路是整個(gè)脫硫系統(tǒng)管路中最為關(guān)鍵的三類管路，具有線路長(zhǎng)、走向復(fù)雜、管徑大、布置難度大等特點(diǎn)。

2.3.1 海水冷卻管路

海水泵取水的方式主要有3種：共用海水箱取水、專用海水箱取水，以及從海水總管取水[6]。3種取水方式的差異點(diǎn)見表5。

表5 3種取水方式對(duì)比

綜上所述，第一種方案可操作性強(qiáng)，為多數(shù)船廠的首選。

海水總管和脫硫海水管在海水箱上的相對(duì)位置主要有3種，見圖5。

3種形式，除滿足加強(qiáng)翅板施工空間和閥附件安裝、操作空間常規(guī)需求外，海水管進(jìn)口之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。形式三“搶水”風(fēng)險(xiǎn)最大，圖5c)中所示的布置限制區(qū)域(陰影區(qū)域)，在管路布置時(shí)應(yīng)最大限度避開。

2.3.2 洗滌水排放管路

脫硫塔洗滌水為重力泄放[7]。根據(jù)塔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，U型塔一般只有底部一個(gè)泄放口。I型塔一般為兩段式泄放，下部泄放口布置在塔底部，上部泄放口布置在塔中部側(cè)面，兩路泄放管合并為一路。

洗滌水排放管路的布置，大多數(shù)廠家對(duì)塔出口直管段長(zhǎng)度、管路斜度、排舷外口數(shù)量、排舷外口位置等均有明確要求，見表6。

圖5 海水總管和脫硫海水管3種布置形式

表6 管路主要技術(shù)要求的廠家推薦

排舷外口的布置除了滿足廠家推薦外，需重點(diǎn)關(guān)注出口與外加電流陰極保護(hù)(ICCP)和犧牲陽極的相對(duì)位置，避免排放的洗滌水中的酸性物質(zhì)對(duì)特殊涂層產(chǎn)生破壞。特殊情況確實(shí)無法避開時(shí)，需向設(shè)備廠家確認(rèn)該涂層的耐酸性。

2.3.3 排氣管路

常規(guī)設(shè)計(jì)，主機(jī)和三臺(tái)發(fā)電機(jī)的廢氣進(jìn)脫硫塔。U型脫硫塔不具備干燒功能，主機(jī)、發(fā)電機(jī)排氣管均設(shè)置旁通管，匯總后從頂部經(jīng)文丘里管進(jìn)入脫硫塔。旁通管布置時(shí)，支管與主管路需呈傾斜角度，同時(shí)注意風(fēng)閘的流向與氣流方向保持一致。

I型脫硫塔具備干燒功能，主機(jī)排氣管無需設(shè)置旁通管。脫硫塔底部設(shè)置集氣總管，主機(jī)排氣管直接接入集氣總管，發(fā)電機(jī)排氣管通過旁通管接入集氣總管。按廠家推薦，發(fā)電機(jī)旁通管需按一定角度傾斜布置，但多數(shù)情況無法滿足廠家推薦的角度要求，此時(shí)需通過排氣背壓計(jì)算驗(yàn)證實(shí)際布置可行性。

脫硫塔出口管路需布置氣體取樣點(diǎn)，在煙囪高度設(shè)計(jì)時(shí)，需注意該需求，預(yù)留充足的安裝、檢修空間。

3 結(jié)論

1)脫硫系統(tǒng)空間需求非常大，新船項(xiàng)目設(shè)備多考慮布置在機(jī)艙(棚)及煙囪內(nèi)部，故圍繞該系統(tǒng)主要設(shè)備及其管路布置的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

2)3類系統(tǒng)中，共有設(shè)備的布置位置可變性小，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定。閉式系統(tǒng)特有設(shè)備及艙室布置較為靈活，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可變性也較大。基于混合式系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)，具有良好的向下兼容性。

3)同一噸位級(jí)別各船型的脫硫系統(tǒng)布置相似性較大，具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)多船型間不同廠家設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化布置設(shè)計(jì)，可從共有設(shè)備布置和其對(duì)應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手。