陳鵬舉

（嘉興南洋職業(yè)技術學院，浙江 嘉興 314031）

0 引言

國際海洋組織“限硫令”強調(diào)：在2020年1月1日后全球范圍內(nèi)，船舶的SOX排放等效燃油含硫量降低到0.5%；在排放控制區(qū)域內(nèi)，必須低于0.1%。對此，船舶及相關產(chǎn)業(yè)為達成這一要求，提出了低硫燃油投入使用、LNG氣體燃料投入使用以及船體加設廢氣處理裝置3種解決措施。

綜合上述3種解決方案，每種方案都具有自身的獨到之處，但也存在一定使用限制。反觀加裝環(huán)保限硫裝置，其投入成本僅限于一次投入，而使用運營成本也相對較為可觀，限硫性能也能夠滿足“限硫令”要求，因此加裝環(huán)保限硫裝置成為船舶產(chǎn)業(yè)的主流限硫措施?；诖?，本文以加裝尾氣后處理設備為基點，探討新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的基本原理及要點內(nèi)容，以期通過本文研究為船舶產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供多維度助力[1]。

1 新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的技術指標

1.1 限排尾氣比值對應燃油硫含量

以碳氫燃料為例，廢氣中所含有的SO2/CO2與燃油硫含量存在客觀比值，具體如表1所示。

表1 船舶限硫裝置的尾氣排放數(shù)值

SO2/CO2 燃油硫含量限值/% 規(guī)范43.3 1.0 MARPOL附則VI第14.1.2 21.7 0.5 MARPOL附則VI第14.1.3 4.3 0.1 MARPOL附則VI第14.1.3

1.2 洗滌水的排放標準

根據(jù)最新下達的“限硫令”要求，船舶洗滌水排放比值應遵循以下條件：1）以舷外4 m為比值測試界限，排放水酸堿值（pH）數(shù)值達到6.5時，可滿足限令要求；2）洗滌水連續(xù)最大多環(huán)芳經(jīng)（PAH）濃度限制在船舶進口處水質(zhì)的多環(huán)芳烴濃度的50×10-6g/L以內(nèi)；3）洗滌水處理系統(tǒng)的硝酸鹽排放量小于廢氣中12%氮氧化物（NOX）所對應的硝酸鹽量或60×10-3g/L。

2 新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的基本原理

2.1 開式脫硫系統(tǒng)

海水的組成結構中包含了弱酸、弱堿鹽類成分，因此海水是中和酸性氣體的天然資源。依托海水，進行氣體脫硫便是促使海水中所包含弱酸、弱堿鹽類物質(zhì)與煙氣中的SO2產(chǎn)生化學中和反應，從而保證煙氣排放能夠滿足“限硫令”的硬性標準。

分析開式脫硫系統(tǒng)的優(yōu)劣勢可以總結為：1）開式脫硫系統(tǒng)的結構組成較為簡易，因此在成本方面可以做到較大縮減；2）開式脫硫系統(tǒng)的洗滌液選擇源于海水，節(jié)省了其他類型洗滌液存儲空間單獨構造程序。在劣勢方面，由于海水水質(zhì)存在差異性，無法保證各地區(qū)海水鹽堿度相統(tǒng)一，因此開式脫硫系統(tǒng)在部分海域與港口范圍內(nèi)無法保證正常工作。此外，部分國家由于海洋政策存在要求，對于開式脫硫系統(tǒng)存在禁行令，因此開式脫硫系統(tǒng)的使用局限性同樣較為明顯。

2.2 閉式脫硫系統(tǒng)

閉式脫硫系統(tǒng)大多采用投放NaOH從而實現(xiàn)與船舶廢氣產(chǎn)生中和反應。該反應所帶來的洗滌廢液可經(jīng)處理進行二次保存。

閉式脫硫系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在閉式系統(tǒng)能夠在全海域通行，不受鹽堿度影響。其劣勢主要體現(xiàn)在船舶需要額外加設洗滌液存儲系統(tǒng)，洗滌液的使用成本與存儲成本為船舶產(chǎn)業(yè)造成了額外經(jīng)濟負擔。

2.3 混合脫硫系統(tǒng)

混合脫硫系統(tǒng)融合了上述2種脫硫模式，并會根據(jù)船舶形式的實際情況進行對應切換。

混合式系統(tǒng)囊括了開式、閉式2種系統(tǒng)的集成功能，方便船舶在不同海域的正常行使，但由于其結構相對而言較為復雜，因此初期建造成本高昂，無法適用于多種船型。

3 新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的設計要點

3.1 脫硫塔型式選擇

新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保限硫裝置由多種部件組成，其中脫硫塔是其核心要件之一。脫硫塔主要是提供SOX與NaOH的化學反應場所。其作用原理在于，接收主輔機和鍋爐燃燒產(chǎn)生的廢氣，并通過注入洗滌液從而形成廢氣與洗滌液的逆向接觸反應，在反應完成后，廢氣由凈化裝置排除。反應后的洗滌液在二次處理的基礎上，滿足排放標準即可排放。脫硫塔可分為U型、I型2種類型。

U型塔可以對廢氣溫度實施精準降溫，從而提高工作總效。

I型塔可以與主機排煙管進行直接對接，并選擇適合管路位置進行加裝。I型塔能夠在滿足廢氣脫硫工作的基礎上，取代原有的消音功能。廢氣導入I型塔，可以采取干燒的方式，實現(xiàn)脫硫并排放。但同比較U型塔而言，I型塔的溢流風險相對較高，且效率遠遠低于U型塔的脫硫效率。

3.2 洗滌水處理單元設計

新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置廢水處理系統(tǒng)作為核心裝置，在混合脫硫系統(tǒng)中必須定期地將洗滌廢水中的碳煙粒子進行去除排查。就現(xiàn)階段而言，脫硫廢水處理技術基本上包括離心分離和除膜法。離心分離主要是通過加入絮凝劑，并采用較高功率的離心分離機對廢水中的粒子加以處置，系統(tǒng)采用模板式設計，裝置組成和運行維護方式簡單明了，對污水中的懸浮物以及濁度的減少具有很好的處置效果。但由于離心機的分解效果基本上取決于入水的含量，對水體的油品組成物除去效果并不明確，因此必須設有獨立對應于去除PAH的處理工藝。除膜法一般通過由陶瓷或平板薄膜構成的超濾凈化裝置模塊對洗滌廢水實行膜過濾處置，凈化效率較高，處理過程后的廢水中各指標均遠遠小于IMO規(guī)范要求，能保證滿足未來更為嚴格的排污規(guī)范要求。但除膜法處理工藝的重要弊端是裝置結構較復雜，浪費空間較大，以及濾過膜的維護費用高。在洗滌廢水處理單元的設計流程中，需要按照船只在ECA地區(qū)的行駛時間以及對船的預留空間進行選擇設計，以保證經(jīng)過處理后的廢水可以達標排放。

圖1 I型脫硫塔

3.3 脫硫系統(tǒng)實船安裝布置

脫硫控制系統(tǒng)設計在完成實船的安裝布置之前，必須首先運用3D掃描技術快速精確的測定艙內(nèi)尺寸，以精確了解裝置與管系的布局狀況，并合理掌握艙內(nèi)信息，為接下來開展的控制系統(tǒng)詳細方案設計與生產(chǎn)設計工作奠定基礎。同樣根據(jù)對改造的方案設計，還需要著重考慮以下問題：脫硫控制系統(tǒng)各單體必須實行模塊化布局，解決船上可使用空間不足問題，而脫硫控制系統(tǒng)的安裝會給船上設備產(chǎn)生額外電力負荷損耗，因此必須測算出脫硫控制系統(tǒng)的整體輸出功率，與船用發(fā)動機的總輸出功率加以配合，確保了正常的電力供應。脫硫控制系統(tǒng)安裝后，會對船舶主機的排放以及背壓產(chǎn)生重大影響，因此必須對煙氣脫硫控制系統(tǒng)實行流場仿真，以確保控制系統(tǒng)壓降達到標準，低于1500 Pa。

4 加裝脫硫塔系統(tǒng)設計需要考慮的若干問題

4.1 排氣管背壓問題

就目前船舶脫硫塔的背壓制定標準而言，普遍脫硫塔背壓值保持在60～100 mmWC，但如果將脫硫塔加裝在排氣管上則需要額外加裝煙氣閥，而煙氣閥自身也存在背壓，因此，選擇加裝脫硫塔的背壓取值會上升，在原機上加裝脫硫塔后，其相關背壓標準為450 mmWC。不難得出，在船舶加裝脫硫塔過程中，必須充分考慮背壓符合增加問題，確保背壓在可控制范圍內(nèi)。

風機的冗余性設計是有效解決排放背壓過大的途徑之一，在確保風機冗余性設計的基礎上，同時需要兼顧風機工作故障是否會對燃燒裝置產(chǎn)生影響等因素，因此，排放風機需要結合旁通管道同時假設。

4.2 舷外管形式設計

船舶的廢氣脫硫塔系統(tǒng)與洗滌水排放系統(tǒng)應設置專項處置模塊，確保洗滌水排放具備獨立的排舷外口徑。排舷外應迎合洗滌水排放要求，加裝止回閥、遙控閥門，確保洗滌水排放能夠滿足pH值規(guī)定，同時排舷外口間距應設4 m以上，并以最小設計載重線為參照標準。

由于洗滌水排舷外管需要與船舶的外板鏈接，所以即便是外管材料選擇超級雙向不銹鋼材質(zhì)，也會應材料連接、海水浸漬、洗滌水沖擊等原因從而造成外管的腐蝕現(xiàn)象加劇。因此，對于外管材質(zhì)的選擇通常不會認可超級雙向不銹鋼材質(zhì)。就目前國際上的外管選擇趨勢來看，大部分國家船舶產(chǎn)業(yè)普遍接受碳鋼管+內(nèi)表面特殊處理的外管。但由于現(xiàn)場焊接及其可能對外管鍍層造成損壞，因此焊接工作的特殊處理及修復工作需要提前完備。此外，現(xiàn)場施工過程中也可能受到工作條件等方面影響，從而造成工作成效并不明顯，因此，采用SAACKE的推薦型式，在碳鋼管外管中加裝一個雙相不銹鋼管，同時保證雙相聯(lián)絡法蘭采用特殊二道異徑，以特氟龍墊塊或特氟龍?zhí)鬃鳛殂暯油夤芘c雙相不銹鋼管的銜接表面鍍層，能夠有效降低外管的腐蝕速率，避免碳鋼管弦外管與材質(zhì)的直接接觸。此類方式的有效設計能夠將洗滌水引至加裝的雙相不銹鋼管內(nèi)，這就極大地減少了洗滌水對涂鋅碳鋼表面的侵蝕，此外，為避免船舶外板銹蝕，距干舷外管出口4 m半徑區(qū)域內(nèi)的船舶外板均需涂上防腐蝕涂層，一般采用抗腐蝕良好的環(huán)氧玻璃表面鱗甲涂層[2]。

4.3 設備布置問題

1）海水泵布置。所有船用濕式脫硫塔控制系統(tǒng)，均必須通過海水泵向脫硫塔內(nèi)供給海水。為確保海水泵在所有海況下都能夠抽到海水，海水泵控制系統(tǒng)必須布置于機艙底部。而因為脫硫塔所需要的海水容量特別大，為不直接影響原船現(xiàn)有的海水系統(tǒng)，改裝船會為脫硫塔控制系統(tǒng)重新設計成1個或2個的專門海水箱。

2）洗滌水泵布置。脫硫塔的洗滌水在處理了廢氣后的主要成份為煙塵、粒子、化學藥劑粒子等易于沉降的混合物，所以洗滌水泵和相應管道在布設時應充分考慮系統(tǒng)停機時管內(nèi)容易沉降淤積的問題。而出于這個考慮，洗滌水流循環(huán)泵也應該盡量和洗滌水流循環(huán)柜布設在同層，且縮短吸氣管的長度。此外，洗滌水泵的布控也應該盡量接近于脫硫塔。因為洗滌水泵的主要功用是給脫硫塔供應清潔水源，而洗滌水泵的定位越高就越節(jié)能，也可以降低系統(tǒng)功率。

3）對混合式脫硫體系，化學藥劑也是至關重要的部分。因為無論是采用NaOH還是Mg(OH)2作堿液，化學制劑都對存儲環(huán)境溫度相當敏感。如果環(huán)境溫度過低，堿液就會形成晶體現(xiàn)象而危害應用；溫度過高會危害物質(zhì)濃度并板結在艙壁上。所以，對于貯存艙的位置選擇必須謹慎考慮。在藥物選用上，堿液作為一類化工藥物，可能會對人和設備產(chǎn)生一些危險，甚至構成危險品，在設計時應作特殊考慮[3]。

5 結語

船用廢氣脫硫塔系統(tǒng)作為適應國際海事組織對SOX污染監(jiān)測的一種高效技術手段，已經(jīng)成為新型造船的關鍵基本裝置之一。但是，新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置系統(tǒng)較復雜，目前仍處于探索和嘗試階段。本文研究了新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的工作機理和重點內(nèi)容，給出加裝脫硫塔系統(tǒng)的總體設計思想，為今后新船型開發(fā)者提供借鑒。