新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置研究

陳鵬舉

（嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314031）

0 引言

國際海洋組織“限硫令”強(qiáng)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(duì)此，船舶及相關(guān)產(chǎn)業(yè)為達(dá)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(shè)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(dú)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(yùn)營成本也相對(duì)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?；诖耍疚囊约友b尾氣后處理設(shè)備為基點(diǎn)，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(diǎn)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(shù)指標(biāo)

1.1 限排尾氣比值對(duì)應(yīng)燃油硫含量

以碳?xì)淙剂蠟槔瑥U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(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)最新下達(dá)的“限硫令”要求，船舶洗滌水排放比值應(yīng)遵循以下條件：1）以舷外4 m為比值測(cè)試界限，排放水酸堿值（pH）數(shù)值達(dá)到6.5時(shí)，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(jìn)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(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(xué)中和反應(yīng)，從而保證煙氣排放能夠滿足“限硫令”的硬性標(biāo)準(zhǔn)。

分析開式脫硫系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)可以總結(jié)為：1）開式脫硫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成較為簡(jiǎn)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(chǔ)空間單獨(dú)構(gòu)造程序。在劣勢(shì)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(duì)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(shí)現(xiàn)與船舶廢氣產(chǎn)生中和反應(yīng)。該反應(yīng)所帶來的洗滌廢液可經(jīng)處理進(jìn)行二次保存。

閉式脫硫系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)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(shì)主要體現(xiàn)在船舶需要額外加設(shè)洗滌液存儲(chǔ)系統(tǒng)，洗滌液的使用成本與存儲(chǔ)成本為船舶產(chǎn)業(yè)造成了額外經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

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(huì)根據(jù)船舶形式的實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)相對(duì)而言較為復(fù)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(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(xué)反應(yīng)場(chǎng)所。其作用原理在于，接收主輔機(jī)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(yīng)，在反應(yīng)完成后，廢氣由凈化裝置排除。反應(yīng)后的洗滌液在二次處理的基礎(chǔ)上，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)即可排放。脫硫塔可分為U型、I型2種類型。

U型塔可以對(duì)廢氣溫度實(shí)施精準(zhǔn)降溫，從而提高工作總效。

I型塔可以與主機(jī)排煙管進(jìn)行直接對(duì)接，并選擇適合管路位置進(jìn)行加裝。I型塔能夠在滿足廢氣脫硫工作的基礎(chǔ)上，取代原有的消音功能。廢氣導(dǎo)入I型塔，可以采取干燒的方式，實(shí)現(xiàn)脫硫并排放。但同比較U型塔而言，I型塔的溢流風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，且效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于U型塔的脫硫效率。

3.2 洗滌水處理單元設(shè)計(jì)

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(jìn)行去除排查。就現(xiàn)階段而言，脫硫廢水處理技術(shù)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(jī)對(duì)廢水中的粒子加以處置，系統(tǒng)采用模板式設(shè)計(jì)，裝置組成和運(yùn)行維護(hù)方式簡(jiǎn)單明了，對(duì)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(jī)的分解效果基本上取決于入水的含量，對(duì)水體的油品組成物除去效果并不明確，因此必須設(shè)有獨(dú)立對(duì)應(yīng)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(gòu)成的超濾凈化裝置模塊對(duì)洗滌廢水實(shí)行膜過濾處置，凈化效率較高，處理過程后的廢水中各指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IMO規(guī)范要求，能保證滿足未來更為嚴(yán)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜，浪費(fèi)空間較大，以及濾過膜的維護(hù)費(fèi)用高。在洗滌廢水處理單元的設(shè)計(jì)流程中，需要按照船只在ECA地區(qū)的行駛時(shí)間以及對(duì)船的預(yù)留空間進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，以保證經(jīng)過處理后的廢水可以達(dá)標(biāo)排放。

圖1 I型脫硫塔

3.3 脫硫系統(tǒng)實(shí)船安裝布置

脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在完成實(shí)船的安裝布置之前，必須首先運(yùn)用3D掃描技術(shù)快速精確的測(cè)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(xì)方案設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。同樣根據(jù)對(duì)改造的方案設(shè)計(jì)，還需要著重考慮以下問題：脫硫控制系統(tǒng)各單體必須實(shí)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(huì)給船上設(shè)備產(chǎn)生額外電力負(fù)荷損耗，因此必須測(cè)算出脫硫控制系統(tǒng)的整體輸出功率，與船用發(fā)動(dòng)機(jī)的總輸出功率加以配合，確保了正常的電力供應(yīng)。脫硫控制系統(tǒng)安裝后，會(huì)對(duì)船舶主機(jī)的排放以及背壓產(chǎn)生重大影響，因此必須對(duì)煙氣脫硫控制系統(tǒng)實(shí)行流場(chǎng)仿真，以確保控制系統(tǒng)壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，低于1500 Pa。

4 加裝脫硫塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的若干問題

4.1 排氣管背壓?jiǎn)栴}

就目前船舶脫硫塔的背壓制定標(biāo)準(zhǔn)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(huì)上升，在原機(jī)上加裝脫硫塔后，其相關(guān)背壓標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)機(jī)的冗余性設(shè)計(jì)是有效解決排放背壓過大的途徑之一，在確保風(fēng)機(jī)冗余性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，同時(shí)需要兼顧風(fēng)機(jī)工作故障是否會(huì)對(duì)燃燒裝置產(chǎn)生影響等因素，因此，排放風(fēng)機(jī)需要結(jié)合旁通管道同時(shí)假設(shè)。

4.2 舷外管形式設(shè)計(jì)

船舶的廢氣脫硫塔系統(tǒng)與洗滌水排放系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置專項(xiàng)處置模塊，確保洗滌水排放具備獨(dú)立的排舷外口徑。排舷外應(yīng)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(shí)排舷外口間距應(yīng)設(shè)4 m以上，并以最小設(shè)計(jì)載重線為參照標(biāo)準(zhǔn)。

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(jí)雙向不銹鋼材質(zhì)，也會(huì)應(yīng)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(duì)于外管材質(zhì)的選擇通常不會(huì)認(rèn)可超級(jí)雙向不銹鋼材質(zhì)。就目前國際上的外管選擇趨勢(shì)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(chǎng)焊接及其可能對(duì)外管鍍層造成損壞，因此焊接工作的特殊處理及修復(fù)工作需要提前完備。此外，現(xiàn)場(chǎng)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(gè)雙相不銹鋼管，同時(shí)保證雙相聯(lián)絡(luò)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(shè)計(jì)能夠?qū)⑾礈焖良友b的雙相不銹鋼管內(nèi)，這就極大地減少了洗滌水對(duì)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(shè)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(jī)艙底部。而因?yàn)槊摿蛩枰暮Ｋ萘刻貏e大，為不直接影響原船現(xiàn)有的海水系統(tǒng)，改裝船會(huì)為脫硫塔控制系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)成1個(gè)或2個(gè)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(xué)藥劑粒子等易于沉降的混合物，所以洗滌水泵和相應(yīng)管道在布設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)停機(jī)時(shí)管內(nèi)容易沉降淤積的問題。而出于這個(gè)考慮，洗滌水流循環(huán)泵也應(yīng)該盡量和洗滌水流循環(huán)柜布設(shè)在同層，且縮短吸氣管的長度。此外，洗滌水泵的布控也應(yīng)該盡量接近于脫硫塔。因?yàn)橄礈焖玫闹饕τ檬墙o脫硫塔供應(yīng)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(duì)混合式脫硫體系，化學(xué)藥劑也是至關(guān)重要的部分。因?yàn)闊o論是采用NaOH還是Mg(OH)2作堿液，化學(xué)制劑都對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境溫度相當(dāng)敏感。如果環(huán)境溫度過低，堿液就會(huì)形成晶體現(xiàn)象而危害應(yīng)用；溫度過高會(huì)危害物質(zhì)濃度并板結(jié)在艙壁上。所以，對(duì)于貯存艙的位置選擇必須謹(jǐn)慎考慮。在藥物選用上，堿液作為一類化工藥物，可能會(huì)對(duì)人和設(shè)備產(chǎn)生一些危險(xiǎn)，甚至構(gòu)成危險(xiǎn)品，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作特殊考慮[3]。

5 結(jié)語

船用廢氣脫硫塔系統(tǒng)作為適應(yīng)國際海事組織對(duì)SOX污染監(jiān)測(cè)的一種高效技術(shù)手段，已經(jīng)成為新型造船的關(guān)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(fù)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(jī)理和重點(diǎn)內(nèi)容，給出加裝脫硫塔系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想，為今后新船型開發(fā)者提供借鑒。