船舶尾氣脫硫裝置實船驗證技術(shù)分析

付金奇+林永祥

摘 要：針對脫硫裝置在船舶上的新應(yīng)用，目前在國內(nèi)實際應(yīng)用技術(shù)及經(jīng)驗相對缺乏的現(xiàn)狀，介紹了船舶脫硫裝置的原理、系統(tǒng)組成、安裝試驗技術(shù)及船級社檢驗技術(shù)，為未來的從業(yè)人員提供知識儲備，避免走彎路，使我國船舶尾氣治理技術(shù)有一個較快發(fā)展，適應(yīng)未來市場需求。

關(guān)鍵詞：船舶尾氣；脫硫裝置；驗證；技術(shù)

中圖分類號：TD40 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0048-03

1 背景介紹

船舶的主要動力來源是船舶發(fā)動機(jī)動力，發(fā)動機(jī)廢氣排放中含有大量的硫氧化物、氮氧化物以及顆粒物等污染物，根據(jù)IMO2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，船舶尾氣年排放SO2、NO2分別約占全球排放總量的13%和15%，已經(jīng)受到國際社會的廣泛關(guān)注。

歐盟法令Dinective2005/33/ECArticle（2015年7月6日頒布）的4b條款，對歐盟內(nèi)陸水域和停靠歐盟港口的船舶使用燃料的最高含硫量作出了更嚴(yán)格的限制，規(guī)定自2010年1月1日起在歐盟港口停泊（包括錨泊、系浮筒、碼頭靠泊）超過2小時的船舶，不得使用硫含量超過0.1%m/m的燃油；2015年起，在波羅的海、北海和英吉利海峽等敏感海域航行的船舶，其燃料的最高含硫量將降至0.1%。而在歐洲其他海域，船舶燃料的硫含量標(biāo)準(zhǔn)從2020年起將從3.5%降至0.5%，同時從2015年開始，將燃油0.1%的含硫量適用標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大到所有成員國12海里的領(lǐng)海范圍內(nèi)；中國也已于2015年12月2日頒布了長三角、珠三角和環(huán)渤海灣三個地區(qū)的硫排放法規(guī)，按照0.5%的標(biāo)準(zhǔn)逐步實施。

近日，國際海事組織IMO下屬的海上環(huán)境保護(hù)委員會第70次會議已通過決議，確定2020年在全球海域?qū)嵭写叭加?.5%含硫上限的規(guī)定，之前劃設(shè)的四大排放控制區(qū)仍然實行0.1%的限制。

2 船舶脫硫工藝原理

船舶尾氣脫硫技術(shù)來自于工業(yè)尾氣脫硫技術(shù)，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前世界上大約有200多種尾氣脫硫技術(shù)。按脫硫劑和脫硫產(chǎn)物的形態(tài)不同可以分為干法、半干法和濕法三類，從使用效果來看，濕法脫硫在脫硫效果、經(jīng)濟(jì)性和操作性等方面具有明顯優(yōu)勢；按脫硫裝置工作模式不同可以分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)；按脫硫劑種類不同，又可以分為海水法、堿液法等。但考慮到船舶是移動源，其安裝空間和電功率有限等限制因素，可借鑒的脫硫技術(shù)并不多，目前主要有海水法洗滌脫硫和堿液法洗滌脫硫，海水法主要應(yīng)用于開式脫硫系統(tǒng)中，堿液法主要應(yīng)用于閉式脫硫系統(tǒng)中。

2.1 海水法煙氣脫硫技術(shù)原理

天然海水pH值通常在7.8～8.5，堿度約為2.2～2.7mmol/L，由于含有一定量的可溶性碳酸鹽，使得海水具有天然的堿度和酸堿緩沖能力，航行于大海中的船舶利用天然海水的堿度對煙氣進(jìn)行洗滌脫硫，其基本反應(yīng)原理如下：

SO2（g）→SO2（I），SO2+H2O→H++HSO

HSO+OH-→H2O+SO，SO+O2→SO

其基本工藝流程如下圖1所示，含有硫氧化物的煙氣從脫硫塔底部向上經(jīng)過與自上而下的多層噴淋海水逆流充分接觸混合，煙氣中硫氧化物被噴淋海水吸除，煙氣繼續(xù)向上通過除霧器實現(xiàn)脫硫排放，脫硫塔上部加設(shè)除霧器的作用是去除煙氣中白色水霧中所含的殘余硫氧化物，洗滌后的噴淋海水經(jīng)過水處理模塊凈化后排入大海，該工藝也稱開式循環(huán)工藝。

2.2 堿液法煙氣脫硫技術(shù)原理

在航行于低堿度海水區(qū)域或淡水區(qū)域的船舶，僅僅利用海水（或淡水）的堿度不能達(dá)到脫硫的效果，在系統(tǒng)設(shè)計時需要額外增加堿液供給，以確保洗滌液保持一定的堿度，保證脫硫效果。適合于船舶脫硫使用的堿液主要有：氫氧化鈉溶液、碳酸鈉等溶液，也有部分廠家使用氫氧化鎂作為脫硫劑，其基本原理如下所示：

SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O，Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3，NaHSO3+NaOH=Na2SO3+H2O

2Na2SO3+O2=2Na2SO4

其基本工藝流程如下圖2所示，同海水法脫硫一樣，含有硫氧化物的煙氣從脫硫塔底部向上經(jīng)過與自上而下的多層噴淋海水逆流充分接觸混合，煙氣中硫氧化物被噴淋海水吸除，煙氣繼續(xù)向上通過除霧器實現(xiàn)脫硫排放，噴淋后的海水一小部分被釋放到水處理單元進(jìn)行處理，大部分通過循環(huán)泵重新返回脫硫塔頂部反復(fù)進(jìn)行噴淋，但由于循環(huán)液每循環(huán)一次都會溶解、吸收煙氣中的硫氧化物而發(fā)生理化反應(yīng)，生成大量的HSO3-和SO3-，pH值降至2.7～3.5，為了確保系統(tǒng)的脫硫效率，流程中配置循環(huán)箱，采用補(bǔ)充新鮮海水并在管路上補(bǔ)充堿液的方法，提高重新進(jìn)入噴淋塔頂部循環(huán)液的pH值。 經(jīng)過水處理單元凈化后的廢水直接排入大海。該工藝也稱混合式循環(huán)。

3 船舶脫硫裝置系統(tǒng)組成

船舶脫硫裝置是一種個性化產(chǎn)品，對于同一原理的船舶脫硫裝置，盡管主體配置大同小異，但針對不同的船型、不同載貨量船舶、甚至不同航線的船舶其配置也各有差異，本文論述的脫硫裝置所安裝的目標(biāo)船舶信息如下表1所示：

本次實船驗證試驗僅為船舶主機(jī)配置了脫硫裝置，處理能力為60000Nm3/h。脫硫裝置主要設(shè)備包括：脫硫塔、循環(huán)泵組、海水泵、堿液存儲箱、堿液供給泵組、熱交換器、水處理單元、循環(huán)柜、暫存柜、儀器儀表、測量單元、控制系統(tǒng)等，主要設(shè)備功能描述如下：

（1）脫硫塔

脫硫塔是脫硫裝置的核心部件，是煙氣與循環(huán)液接觸反應(yīng)的重要場所，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部包括填料層、噴淋層、除霧器層等內(nèi)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理直接影響到脫硫的效率。

（2）堿液存儲箱

堿液存儲箱用于存儲船舶航行過程中所需的堿液，為了防止堿液在低溫情況下結(jié)晶，堿箱需具備加熱和保溫功能，目前可以采用的加熱方法有：水加熱、蒸汽加熱和電加熱，需根據(jù)具體船舶特點進(jìn)行合理設(shè)計，本試驗裝置采用水加熱的方法；堿箱的設(shè)計容積需根據(jù)具體船舶航線及所經(jīng)各港口加堿的便利性進(jìn)行綜合考量，在保證正常使用的情況下，堿箱設(shè)計盡量小。endprint

（3）堿液供給泵組

堿液供給泵用于輸送堿液到系統(tǒng)各個加堿點，需根據(jù)系統(tǒng)的不同工況，調(diào)節(jié)加堿量；供堿泵需配置在靠近堿箱較近的位置，防止系統(tǒng)停止運行時管道內(nèi)殘存大量堿液導(dǎo)致管道結(jié)晶。

（4）測量單元

脫硫系統(tǒng)運行的效果是通過測量單元的實時測量來反饋的，主要測量兩方面的指標(biāo)：洗滌塔出口煙氣的組分和經(jīng)過水處理單元處理后的洗滌排放廢水的組分。

對煙氣組分的測量主要是連續(xù)監(jiān)測排氣中SO2（ppm）和CO2（%）的值，SO2應(yīng)采用非擴(kuò)散性紅外分析儀（NDIR）或非擴(kuò)散性紫外線分析儀（NDUV）及其他等效的方法進(jìn)行測量，CO2應(yīng)采用非擴(kuò)散性紅外分析儀（NDIR）及其他等效的方法進(jìn)行測量，并將測量數(shù)據(jù)自動記錄在專用的數(shù)據(jù)記錄與處理設(shè)備上，記錄頻率不低于0.0035Hz，數(shù)據(jù)保存時間不少于18個月。對于餾分油或渣油這類碳?xì)淙剂蟻碚f，燃油硫含量與煙氣排放中SO2（ppm）/CO2（%V/V）的比值存在對應(yīng)關(guān)系，見下表2所示。

對洗滌排放廢水監(jiān)測和記錄的參數(shù)包括pH值、PAH值（多環(huán)芳烴）、混濁度和溫度。PH值測量位置為船舶在靜止?fàn)顟B(tài)下，距離舷外排放點4m處范圍內(nèi)，排放洗滌水的pH值應(yīng)不小于6.5，但當(dāng)船舶在機(jī)動操作時，進(jìn)口和排放水之間的酸堿度允許相差最大不超過2pH單位（分別在船舶進(jìn)水口和舷外排放中測量）；PAH（多環(huán)芳烴）濃度應(yīng)在排放前測量，測量點應(yīng)安排在水處理設(shè)備的下游，但應(yīng)在任何洗滌水稀釋或其他藥劑添加裝置（如有）的上游，其最大濃度值與進(jìn)口水PAH濃度的差值應(yīng)不超過一定限值。

洗滌水最大混濁度應(yīng)不超過進(jìn)口水混濁度的25FNU或25NTU或其他等效單位，并應(yīng)在排放前測量，測量位置應(yīng)在水處理設(shè)備下游、但應(yīng)在洗滌水稀釋裝置或其他藥劑添加裝置的上游。考慮到船舶脫硫裝置可能存在非正常起動的情況，船級社允許每12H運行周期內(nèi)有一個15min的時間段排放指標(biāo)超標(biāo)。

4 脫硫裝置實船安裝技術(shù)

船舶脫硫裝置在船舶上的安裝是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，尤其對于營運船舶加裝尾氣脫硫裝置，由于空間和時間有限，船期緊張，使得施工難度大大增加。而對于新造船舶，脫硫裝置的安裝難度相對于船舶其他系統(tǒng)的安裝就顯得容易很多。脫硫裝置在船舶上的安裝施工工作主要涉及到以下幾個方面：脫硫塔就位固定、箱柜等結(jié)構(gòu)體件就位固定、泵閥就位固定、泵閥就位固定、儀表就位固定、控制柜就位固定、管系現(xiàn)場放樣及制造、穿艙件制造及施工、電纜鋪設(shè)及接線查線、管系連接施工、水系統(tǒng)接入、電系統(tǒng)接入、壓縮空氣系統(tǒng)接入等。因此，脫硫裝置的安裝是一項高度復(fù)雜、技術(shù)水平要求較高的工作，需要組建專門的項目組，制定詳細(xì)的安裝工藝流程，加強(qiáng)安裝過程管理，確保施工安全和施工質(zhì)量，提高施工效率，減少由于安裝工作對船舶船期的影響，降低船東的損失。

5 脫硫裝置實船試驗技術(shù)

脫硫裝置實船試驗主要分以下幾個階段：部件電氣連接檢查、部件上電試運轉(zhuǎn)、功能試驗、性能試驗、船級社現(xiàn)場檢驗等幾個步驟。其中性能試驗是實船試驗中最關(guān)鍵的步驟，性能試驗主要目的是測試所裝脫硫裝置在燃燒裝置各工況下都能滿足煙氣排放要求，試驗過程中要根據(jù)各船舶的個性特點對系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行調(diào)整，需要時間最長，直接影響試驗的最終成敗。安裝在船舶上的脫硫裝置都應(yīng)保證各燃燒設(shè)備在規(guī)定的負(fù)荷范圍內(nèi)其排放指標(biāo)都能滿足法規(guī)要求的限值（主柴油

機(jī)負(fù)荷范圍25%～100%）。

為了驗證脫硫裝置的性能，在進(jìn)行脫硫裝置實船驗證試驗時，應(yīng)在規(guī)定的負(fù)荷范圍內(nèi)至少選擇4個負(fù)荷點進(jìn)行排放測量，全部達(dá)標(biāo)后才能獲得船級社頒發(fā)或認(rèn)可的排放符合性證明文件；其中一個負(fù)荷點取脫硫裝置最大廢氣質(zhì)量流量的95%～100%，一個負(fù)荷點選脫硫裝置最小廢氣質(zhì)量流量的±5%以內(nèi)，另外2個負(fù)荷點選在最大和最小廢氣質(zhì)量流量間等距離分布。試驗過程中如果系統(tǒng)無法連續(xù)運行，應(yīng)增加試驗負(fù)荷點，證明系統(tǒng)性能在規(guī)定的廢氣質(zhì)量流量范圍內(nèi)都能滿足要求。

6 脫硫裝置實船認(rèn)證技術(shù)

脫硫裝置本體的認(rèn)可、檢驗和發(fā)證有Scheme-A和Scheme-B兩種方案供選擇，Scheme-A主要列舉了脫硫裝置上船前在臺架上進(jìn)行認(rèn)證的步驟和要求，Scheme-B主要列舉了安裝在船舶上的脫硫裝置的檢驗和驗證的要求；而脫硫裝置實船認(rèn)證除了裝置本體的設(shè)計認(rèn)證認(rèn)可外，還包括船舶改裝設(shè)計認(rèn)證（針對營運船舶）和實船安裝完成后的實船檢驗和排放測量，而對于新造船則可省略改裝設(shè)計認(rèn)證步驟，但船舶設(shè)計送審資料中應(yīng)包括脫硫裝置相關(guān)信息。以下將結(jié)合實際本節(jié)將簡要論述脫硫裝置實船認(rèn)證的步驟及要求。

項目確定后，首先確定配置方案，進(jìn)行工藝流程設(shè)計，計算最大煙氣流量，并依此進(jìn)行脫硫裝置關(guān)鍵部件的容量設(shè)計和設(shè)備選型，并最終形成該船舶脫硫裝置的產(chǎn)品設(shè)計文件；同時結(jié)合各設(shè)備外形尺寸、安裝位置、安裝要求、設(shè)備重量等參數(shù)進(jìn)行船舶改裝設(shè)計，形成改裝設(shè)計文件。然后將產(chǎn)品設(shè)計文件和改裝設(shè)計文件送船級社審核，根據(jù)審核意見完善設(shè)計。產(chǎn)品在船舶上安裝完成后并進(jìn)行性能試驗后，邀請船級社進(jìn)行現(xiàn)場檢驗和實際排放測量檢驗，全部合格后由船級社頒發(fā)IMO認(rèn)可的排放符合性證明文件，船舶才可以航行于排放控制區(qū)。

7 結(jié)束語

國外船舶脫硫技術(shù)較成熟，已有成功的應(yīng)用案例，但在中國，船舶脫硫裝置是近幾年隨著船舶排放法規(guī)的日益嚴(yán)格才出現(xiàn)的一套新裝備，系統(tǒng)復(fù)雜，涉及專業(yè)知識廣，國內(nèi)實際應(yīng)用項目案例又不多，掌握實際項目經(jīng)驗的人更是少之又少，阻礙了該裝置的進(jìn)一步推廣，不利于我國船舶尾氣排放的綜合治理；本文從船舶尾氣脫硫裝置的原理、組成、安裝試驗及認(rèn)證技術(shù)等方面進(jìn)行了簡要闡述，具有普及船舶脫硫裝置知識的作用，同時也為從業(yè)人員提供一些幫助和指導(dǎo)，提高我國船舶脫硫裝置的應(yīng)用水平，為祖國的碧海藍(lán)天貢獻(xiàn)力量。

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