金文剛，孫國芳

(新大洋造船有限公司， 江蘇 揚州 225107)

0 引言

當(dāng)前,隨著人類保護環(huán)境的意識不斷加強，作為全球有害氣體排放主要來源之一的船舶廢氣的排放也受到極大的關(guān)注。船舶有害氣體硫氧化物的排放主要來自船用內(nèi)燃機的燃燒廢氣。根據(jù)國際海事組織MEPC70的決議,將在2020年1月1日起，全球范圍內(nèi)燃油的硫含量需控制在0.5%以內(nèi),特定排放控制區(qū)(ECA)內(nèi)使用燃油的硫含量需控制在0.1%以內(nèi)。

船舶廢氣中的硫氧化物(SOX)是燃油中的硫燃燒后形成的污染物，依靠燃油燃燒設(shè)備自身技術(shù)改造很難達到硫排放控制的目的，只能通過燃料前、廢氣后處理或者替代燃料的方式進行控制。目前主要有3種應(yīng)對的方法：船舶使用液化天然氣(LNG)為燃料；船舶使用含硫量不大于0.1%的船用輕柴油(MGO)；船舶仍使用船用燃料油(HFO)，在排氣端安裝使用煙氣脫硫裝置。

目前，國際海事組織(IMO)推薦的解決船舶廢氣中二氧化硫(SO2)含量超標(biāo)問題的方法主要使用低硫燃油和安裝廢氣處理裝置。選用低硫燃料能從源頭上解決船舶廢氣中的二氧化硫含量超標(biāo)的問題，但由于低硫燃油在提煉過程中須經(jīng)過額外的脫硫工藝，因而價格遠高于常規(guī)重油。

從船舶廢氣中脫硫是解決船舶二氧化硫排放超標(biāo)的一個有效手段。洗滌脫硫裝置具有很多的優(yōu)點：首先是脫硫率高，一般可達96%以上；其次設(shè)備適應(yīng)性強，不會影響柴油機的工作性能和參數(shù)；再次是運行和維護成本低，操作靈活；最后能避免更換燃料油時的安全隱患等。廢氣清洗脫硫裝置能一次性地將廢氣中的硫化物中和至相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

本文從解讀法規(guī)實施硫氧化物排放的有效時間及排放限制入手，分別介紹3種不同形式的廢氣清洗脫硫系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)缺點，從規(guī)范視角和船廠在設(shè)計過程中遇到的要點進行應(yīng)用分析，并對安裝廢氣清洗脫硫裝置進行必須評估。

1 控制船舶硫氧化物(SOX)法規(guī)實施時間

海上環(huán)境保護委員會第70次會議(MEPC70)于2016年10月24日—28日在倫敦召開，會上通過了MEPC.280(70)決議實施為國際防止船舶造成污染公約(MAPPOL)附則VI第14.1.3條燃油標(biāo)準(zhǔn)的有效日期，將全球船舶燃油硫含量排放限額從3.5%下調(diào)至0.5%，并于2020年1月1日生效。

2 廢氣清洗脫硫裝置所需達到的技術(shù)指標(biāo)

2.1 限排尾氣比值對應(yīng)燃油硫含量

對于餾分油或渣油這類碳?xì)淙剂蟻碚f，燃油硫含量與廢氣排放中二氧化硫/二氧化碳的比值存在對應(yīng)的關(guān)系，見表1。

2.2 洗滌水的排放標(biāo)準(zhǔn)

洗滌水排放規(guī)則根據(jù)IMO MEPC.259(68)的要求，舷外監(jiān)測位置的酸堿度(pH值)排放限值是指船舶靜止?fàn)顟B(tài)下，距離舷外排放點4 m處的排放水流酸堿值達到6.5時的洗滌水，該值作為舷外洗滌水排放限值；洗滌水連續(xù)最大多環(huán)芳烴(PAH)濃度應(yīng)不超過進口處水質(zhì)的多環(huán)芳烴濃度的50×10-6g/L；洗滌水處理系統(tǒng)應(yīng)防止硝酸鹽的排放超過清除廢氣中12% 氮氧化物(NOX)所對應(yīng)的硝酸鹽量或60×10-3g/L，取大者；洗滌水混濁度/懸浮顆粒不應(yīng)超過進口處水混濁度25 FNU或等效單位。

3 船舶廢氣清洗脫硫系統(tǒng)的工作原理

3.1 開式海水脫硫系統(tǒng)的基本原理

天然海水的酸堿pH值一般為7.5～8.5，其中含有大量的弱酸和弱堿鹽類，所以天然海水具有很強的酸堿緩沖以及吸收酸性氣體的性能。海水脫硫就是利用天然海水中的堿性吸收煙氣中的二氧化硫(SO2),通過發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，煙氣中的二氧化硫在處理塔中被海水吸收以到達排放要求，硫酸和海水中的鎂和鈣結(jié)合生成硫酸鎂或硫酸鈣，以達到入海排放的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 開式脫硫系統(tǒng)組成示意

開式系統(tǒng)的優(yōu)缺點如下：

(1)系統(tǒng)簡單，無需添加劑，投資費用低，運行成本少。

(2)僅采用海水作為洗滌液。

(3)系統(tǒng)組成簡單，不需要儲存洗滌液和廢液。

(4)受海水堿度、鹽度影響較大，港口和部分海域不能運行。

(5)港口酸性廢液排放受限或部分港口國不接受開式脫硫系統(tǒng)排放，須使用低硫燃油。

3.2 閉式脫硫系統(tǒng)的工作原理

閉式脫硫系統(tǒng)利用添加的堿性物質(zhì)，通常是氫氧化鈉(NaOH)與廢氣中的硫氧化物反應(yīng)，生成鹽類，反應(yīng)產(chǎn)生的洗滌廢液經(jīng)過處理后可儲存在船上。閉式脫硫系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 閉式脫硫系統(tǒng)的組成示意

閉式系統(tǒng)的優(yōu)缺點如下：

(1)不受水域影響，可在全球海域運行。

(2)船上須設(shè)置洗滌液儲存艙及相關(guān)系統(tǒng)。

(3)使用鹽類溶液，增加運營成本。

(4)系統(tǒng)較復(fù)雜，投資費用和運行費用較高。

3.3 混合脫硫系統(tǒng)工作原理

混合脫硫系統(tǒng)組合了開式模式和閉式模式的系統(tǒng)，根據(jù)需求情況，以開式或閉式模式運行。混合式脫硫系統(tǒng)組成見圖3。

圖3 混合式脫硫系統(tǒng)的組成示意

混合式系統(tǒng)的優(yōu)缺點如下:

(1)兼具開式和閉式兩種系統(tǒng)的優(yōu)點，靈活切換，可在全球海域航行船舶中使用。

(2)系統(tǒng)組成更為復(fù)雜，初期設(shè)備投資與安裝成本很高。

4 安裝廢氣清洗脫硫裝置的評估

4.1 技術(shù)可行性評估

安裝廢氣清洗脫硫裝置前必須進行技術(shù)可行性評估工作，主要內(nèi)容包括如下：

(1)包括不限于船旗國和港口國的要求、船舶類型、電力負(fù)荷、設(shè)備安裝空間、燃燒設(shè)備在最大持續(xù)輸出功率下熱帶和冬季的廢氣排放量等。

(2)船舶空船重量、載重噸、船舶重心、船舶穩(wěn)性、舾裝數(shù)、洗滌水排放舷外口附近船殼板防酸油漆處理、能效指數(shù)、柴油機排氣背壓、機艙二氧化碳固定式滅火系統(tǒng)容量、配電板主開關(guān)參數(shù)等。

4.2 經(jīng)濟性評估

經(jīng)濟性評估內(nèi)容包括但不限于船舶航行、投資回報率、燃油價格和差價走勢、船舶在特殊排放控制區(qū)內(nèi)的航行時間、柴油機的輸出功率等。

5 船級社對廢氣清洗脫硫裝置的相關(guān)要求

5.1 圖紙?zhí)峤徽J(rèn)可要求

船級社要求提交的廢氣清洗脫硫裝置有關(guān)圖樣和技術(shù)文件如下：

脫硫塔安裝布置圖；脫硫塔安裝基座及與船舶結(jié)構(gòu)連接有關(guān)的詳圖；系統(tǒng)對船舶穩(wěn)性和載重線影響的評估資料；脫硫劑加注、儲存、駁運、制備等有關(guān)的布置細(xì)節(jié)，包括儲存艙/柜的容量計算； 洗滌水和脫硫渣處理有關(guān)的艙柜/罐容積及布置；系統(tǒng)相關(guān)艙柜的空氣管、測量管和溢流管布置圖； 主要管系圖；控制、監(jiān)測與安全保護系統(tǒng)；報警與顯示點清單；脫硫系統(tǒng)緊急停機裝置；船上試驗大綱。

5.2 船上安裝檢查和檢驗

按批準(zhǔn)的圖紙以及船級社有關(guān)脫硫裝置的指南執(zhí)行如下檢查和試驗：

排氣系統(tǒng)的布置和安裝檢查；洗滌塔布置和安裝檢查；煙筒結(jié)構(gòu)的支撐和加強檢查，通風(fēng)開口關(guān)閉裝置的檢查，以及防火分隔的檢查；通海閥、舷旁閥及舷外短管的布置及安裝檢查；脫硫劑儲存艙、堿液艙、循環(huán)艙及泄放艙的布置、隔離、安裝、焊接和結(jié)構(gòu)試驗檢查；各管路系統(tǒng)、泵、閥和附件的布置、安裝檢查，以及管路的液壓和密性試驗；脫硫系統(tǒng)洗滌水管路中經(jīng)常使用玻璃鋼管，對其使用范圍和布置、貫穿結(jié)構(gòu)形式等的檢查。

5.3 系泊試驗

系泊試驗內(nèi)容如下：

各泵類、風(fēng)機、分離凈化設(shè)備的效用試驗；系統(tǒng)安全閥(如有)試驗；氣體分析監(jiān)控裝置及洗滌水排放監(jiān)測等裝置的效用試驗；控制監(jiān)測、安全系統(tǒng)的效用試驗。

5.4 船上驗證試驗

參照批準(zhǔn)的船上試驗大綱和船級社規(guī)定執(zhí)行，需要特別注意以下事項：

(1)試驗負(fù)荷點的選取。試驗需考慮各種運行工況，應(yīng)該在多種負(fù)荷條件下進行。試驗負(fù)荷的范圍應(yīng)盡量大，并按照負(fù)荷從低到高，再從高到低的過程進行。

(2)船上試驗時的燃料油應(yīng)采用高硫重油，且硫含量應(yīng)與技術(shù)要求的最大硫含量一致。

6 開式脫硫裝置的設(shè)計要點

(1)脫硫塔布置在機艙棚(煙筒)內(nèi)時，若結(jié)構(gòu)需要擴大，應(yīng)對船舶舾裝數(shù)、船舶穩(wěn)性、船舶重心進行計算分析；對上建整吊方案進行合理評估，吊點的位置和加強提前做好預(yù)案，新設(shè)備要提前考慮新的施工工藝，避免影響生產(chǎn)工期。

(2)若需擴大機艙棚，一定要核實機艙總?cè)莘e，重新計算機艙二氧化碳所需容量。

(3)脫硫洗滌排放系統(tǒng)中排舷外管的選材須耐強酸特性。建議船廠完成管子放樣，由廠家提供雙相不銹鋼管。排舷外管安裝時要伸出外板一段距離, 便于密性試驗, 之后在現(xiàn)場沿外板線形切除多余管段，否則無法完成船上排舷外短管的密性試驗。

(4)排舷外口的位置距離海水吸入口一般要求大于4 m，且在水流的尾部方向，避免酸性液體腐蝕；洗滌水排放舷外口附近船殼板需做防酸油漆處理，將洗滌液酸堿值等參數(shù)發(fā)油漆廠商技術(shù)確認(rèn)。排舷外口和螺旋槳的間距要滿足廠家推薦距離。

(5)洗滌海水泵排量根據(jù)設(shè)計參數(shù)選定后，需確認(rèn)防海生物裝置的尺寸規(guī)格以及安裝位置是否滿足要求；洗滌海水泵一般廠家推薦為變頻控制，變頻電纜的鋪設(shè)需滿足電氣規(guī)范，與其他電力和信號電纜分開布置，避免干擾；海水管或海水箱的流通面積需考慮新增加的洗滌海水泵的流量計算，通海閥的控制位置應(yīng)滿足《國際海上人命安全公約》要求的機艙浸水計算高度。

(6)核實柴油機等燃燒設(shè)備排氣系統(tǒng)承受的最大背壓及油耗變化，及時反饋給船東并認(rèn)可。MAN B&W S60ME主機排氣系統(tǒng)加裝脫硫裝置后最大允許背壓見表2。

(7)脫硫裝置的電氣控制系統(tǒng)需要連接船上的導(dǎo)航定位系統(tǒng)及柴油機負(fù)載信號。

表2 MAN B&W S60ME主機排氣最大允許背壓

(8)設(shè)計方需提供海水供給泵、脫硫塔本體的布局位置，以及船舶的輕載水線、結(jié)構(gòu)水線高度等參數(shù)給脫硫裝置廠家，以便廠家提供準(zhǔn)確的泵壓頭。

(9)脫硫塔本體材料一般選用SMO254的進口不銹鋼。一般脫硫塔進氣口有一段2 m集成管子，材質(zhì)也為SMO254，建議此管段由廠家配好到船廠。

(10)洗滌水排放管因酸性廢液存在腐蝕性，一般選用玻璃鋼管，且脫硫塔廠家要求該管路向下保持20°的傾斜。目前市場上玻璃鋼管供貨周期較長，因此，建議該玻璃鋼管的設(shè)計及安裝盡量避免修改；玻璃鋼管布置盡量遠離熱源，如需穿過密閉防火艙室，管路的貫穿形式需提前得到船級社的認(rèn)可；脫硫塔排舷外管與船殼外板角度一般設(shè)計為90°。

(11)脫硫系統(tǒng)中，強酸介質(zhì)管路或高溫排氣管路上的墊片材質(zhì)一般選擇不銹鋼石墨纏繞墊片。

(12)雙向不銹鋼材質(zhì)的排舷外短管與船殼外板的焊接需滿足船級社焊接形式認(rèn)證要求。排舷外管壁厚應(yīng)滿足船級社規(guī)范要求，挪威船級社對脫硫系統(tǒng)排舷外短管壁厚特別要求不得小于15 mm。

(13)排氣管上風(fēng)閘的閥板中間需要接密封空氣然后形成正壓，防止煙氣逸散。日本船級社對密封風(fēng)機安裝方位要求為其軸向應(yīng)沿船舶縱向安裝。

(14)排氣管風(fēng)閘的密封空氣接管需要朝上，能夠防止閥板下方不會形成積灰。

(15)排氣風(fēng)閘連接法蘭的船用標(biāo)準(zhǔn)已升級為CB/T 3766—2014。2014版標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)格尺寸上有變化。脫硫裝置廠家一般推薦ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，船廠需仔細(xì)核對參數(shù)。

(16)加裝廢氣清洗脫硫裝置，全船電力負(fù)荷需重新計算，以確保發(fā)電機功率滿足要求。

(17)U型脫硫裝置一般有吸入塔和噴射塔組成?？紤]重心及吊點布置不同，一般廠家推薦分吊上船后再組裝，其連接墊片的安裝需按照廠家要求或由廠家服務(wù)人員安裝。

(18)考慮船體下沉或彎曲及熱膨脹效應(yīng)，玻璃鋼管管路設(shè)計應(yīng)有足夠的膨脹接頭。膨脹接頭的連接須保證其密封性。管路支架的位置需按玻璃鋼管廠家推薦。

(19)氣體監(jiān)測分析系統(tǒng)的取樣傳感器在排氣管上的安裝有角度要求，需參照廠家推薦圖紙；加熱電纜的長度和彎曲半徑需參照廠家要求；校準(zhǔn)氣瓶包括零點校準(zhǔn)氣瓶和量程氣瓶，零點校準(zhǔn)氣瓶不應(yīng)含硫；煙氣分析柜需設(shè)置通往大氣的接管。

(20)按日本船級社規(guī)范的要求，在進口和出口管路上分別設(shè)置水監(jiān)測系統(tǒng)，其洗滌水取樣口下需配置水盤及浮球報警裝置。濁度計的安裝角度和管路中的氣泡及流速都可能影響其測量精度，建議安裝濁度計的管路上方配置自動透氣裝置，以減少氣泡干擾。

(21)脫硫裝置的控制和報警需要延伸到機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)，便于集中監(jiān)控。

7 結(jié)論

廢氣清洗脫硫裝置在我國船舶上的應(yīng)用才剛剛起步，應(yīng)用經(jīng)驗還很少。本文介紹了硫排放法規(guī)、廢氣清洗脫硫裝置的工作原理、設(shè)計要點等方面，其要點如下：

(1)廢氣清洗脫硫裝置系統(tǒng)初投資較大，需預(yù)先與船東確認(rèn)航線及在港口停留時間，確定最優(yōu)脫硫方案。

(2)廢氣清洗脫硫裝置在船舶上應(yīng)用，涉及多方面技術(shù)參數(shù)升級或改進，設(shè)計前期需特別評估。

(3)貨船為了提高容積，通常機艙包括煙筒都布置十分緊湊。在船舶設(shè)計之初，十分有必要與船東溝通，在布置時應(yīng)充分考慮該系統(tǒng)設(shè)備的影響，再全盤考慮，做出合理的布置。