大型起重鋪管船防污染設(shè)計

（上海佳豪船海工程研究設(shè)計有限公司 上海201612）

引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和海洋資源的不斷開發(fā)利用，各類海洋工程作業(yè)船舶（諸如鋪管船、鉆井作業(yè)平臺等等）需求日益增多，而海洋工程作業(yè)的復雜性及高風險性也讓該類船舶的污染事故頻發(fā)。為有效控制降低船舶營運帶來的環(huán)境污染，近年來各類防污染法規(guī)頻頻發(fā)布生效，諸如壓載水公約、國際海事組織及某些國家當局設(shè)立氮氧化物排放控制區(qū)（TIER Ⅲ標準）、國際海事組織及某些國家當局設(shè)立硫氧化物排放控制區(qū)等。各類排放控制法規(guī)的生效不僅對船舶設(shè)計、營運帶來影響，同時也倒逼防污染技術(shù)的持續(xù)更新，并催生出一系列的防污染設(shè)備，如壓載水處理裝置、柴油機廢氣脫硝、脫硫裝置等。

船舶造成的環(huán)境污染主要包括：

（1）油類污染；

（2）生活污水及灰水污染；

（3）垃圾污染；

（4）空氣污染；

（5）壓載水有害水生物及病原體污染。

針對上述各類污染，本文將從基礎(chǔ)防污染規(guī)范方面著手，簡述各類防污染設(shè)計所需滿足的基本要求；同時，基于大型起重鋪管船的船型特點，并著眼于越來越嚴苛的環(huán)保要求，闡述該類船型各類前沿創(chuàng)新的防污染設(shè)計方案及技術(shù)。

1 防污染規(guī)范

船舶防污染基本規(guī)范要求主要包括法定規(guī)范及船級社入級規(guī)范兩方面要求。法定規(guī)范主要指由國際海事組織頒發(fā)的“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”［1］及各國海事局當局規(guī)范；船級社入級規(guī)范主要指各船級社的環(huán)保入級規(guī)范，比如中國船級社的“CLEAN”入級標志［2］、美國船級社的“ENVIRO”入級標志［3］以及挪威船級社的“CLEAN”入級標志［4］等。需說明是：法定規(guī)范屬于對應掛旗船舶強制需滿足的要求，船級社環(huán)保入級規(guī)范屬于船東根據(jù)需要可選，其環(huán)保要求一般均高于法定規(guī)范要求。各國海事局當局規(guī)范一般與“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”大同小異，當然也有部分國家對其所屬某些海域提出更高的環(huán)保要求，比如美國環(huán)保署 （EPA）頒發(fā)的船舶通用許可證（VGP）要求、中國/歐盟/美國等國家設(shè)定船舶排放控制區(qū)（ECA）等。

不論是國際海事組織、船舶主管當局還是船舶檢驗單位（如船級社），相應的環(huán)保規(guī)范都在持續(xù)更新，而且越來越多的業(yè)主出于營運市場等因素考慮，會主動要求添加船舶環(huán)保入級符號，甚至有些船舶會提前滿足暫未生效的環(huán)保規(guī)范，以期降低后期規(guī)范生效而引起的船舶改造費用。因此，船舶防污染設(shè)計不僅應著眼于滿足當前基礎(chǔ)規(guī)范要求，同時應盡量具有預見性地考慮未來船舶防污染的趨勢，在現(xiàn)有技術(shù)可行前提下，最大限度降低船舶營運所帶來的污染。

2 油類污染

油類污染是海洋污染中最普遍、最嚴重的污染。石油是一種很復雜的自然的有機混合物，具有一定毒性，大量石油會在海面形成油膜，影響水中氧的補充和植物光合作用。船舶產(chǎn)生的油類污染主要來源于船舶事故導致的大量石油泄漏、船舶排放含油污水以及船舶油水界面設(shè)備密封油泄漏等。“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”及各國海事局當局規(guī)范均對防止上述污染有明確規(guī)范要求，諸如：對載運燃油超過600 m3以上船舶，需設(shè)置燃油艙保護以降低事故漏油風險；機械處所的含油污水需設(shè)置專用收集艙及油污水分離裝置，油污水排放需經(jīng)該處理裝置處理且當含油濃度低于15 ppm（0.0015%）才允許排放，以降低船舶排放含油污水的污染等。各船級社環(huán)保入級規(guī)范也均在法定規(guī)范基礎(chǔ)上，額外補充了部分防止油類污染的要求。

大型起重鋪管船防止油類污染設(shè)計在滿足上述法定規(guī)范的基礎(chǔ)上（如設(shè)置油污水艙及油水分離器、燃油艙設(shè)置滿足規(guī)范要求的保護措施等），同時基于該船型的部分特點，采用如下前沿設(shè)計以更大限度地降低油類污染：

（1）鑒于該類船型油水界面設(shè)備多，所有油水界面設(shè)備（如推進器、舵承等）均采用環(huán)保潤滑油（EAL），環(huán)保潤滑油指可生物降解、最低限度毒性、非生物累積的潤滑油，可有效降低油水界面設(shè)備漏油對環(huán)境產(chǎn)生的危害，替代措施也可以采用空氣型艉軸密封［5］。

（2）鑒于該類船型柴油機裝機功率一般較大，輔助配套機械設(shè)備較多，機械處所產(chǎn)生的油污水較多，故在機械處所設(shè)置最新型的油污水分離裝置處理油污水，并規(guī)定其分離排放油污水的含油濃度應低于5 ppm（0.0005%）。該標準較法定規(guī)范要求的15 ppm（0.0015%）嚴格得多；

（3）鑒于該類船型甲板面特種作業(yè)設(shè)備多，甲板漏油風險較大。設(shè)置甲板雨水收集系統(tǒng)，露天工作區(qū)域甲板及露天含油設(shè)備（如錨機、吊機等）周邊設(shè)置圍油欄，圍油欄內(nèi)設(shè)置地漏排放雨水，排放管路上設(shè)置油份濃度監(jiān)測裝置，當雨水含油濃度超過5 ppm（0.0005%）將自動將上述雨水排至艙底水艙至油污水分離裝置分離再排放，相反可直接排舷外。該設(shè)置可有效降低甲板工作區(qū)域及露天含油設(shè)備含油污水的排放污染。系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 甲板雨水收集系統(tǒng)

3 生活污水及灰水污染

生活污水（小便、糞便及醫(yī)務室排放污水等）未經(jīng)處理任意排放入海，會發(fā)生一系列生化作用，大量生活污水排放入海，會造成水中溶解氧的含量降低，造成水中的魚類等動物死亡或者遷移，同時也會污染水源、傳播疾病、危害人類健康。生活灰水（廚房污水及洗滌灰水等）成分以淡水為主，含雜質(zhì)較少，對水體的污染較小，在大部分區(qū)域生活灰水可直接排放。近年來，鑒于船舶生活灰水排放量大，且?guī)Ш着欧盼铮湮廴疚ｋU性也逐漸倍受關(guān)注。“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”及各國海事局當局規(guī)范均對防止船舶生活污水污染均有明確規(guī)定，諸如：設(shè)置生活污水艙及排岸管路、設(shè)置滿足規(guī)范要求的生活污水處理裝置等。生活灰水法定規(guī)范并沒有排放控制要求，但各船級社的環(huán)保入級規(guī)范有相關(guān)排放要求。

大型起重鋪管船防止生活污水及灰水污染設(shè)計除滿足上述法定規(guī)范的基礎(chǔ)（如設(shè)置了生活污水艙及排岸管路、設(shè)置滿足規(guī)范要求的生活污水處理裝置等），同時基于該船型的部分特點，采用了如下前沿設(shè)計以更大限度地降低生活污水及灰水污染：

（1）鑒于該類船型作業(yè)人員較多，且多為“三班倒”連續(xù)作業(yè)，生活污水及灰水產(chǎn)量大，污水處理裝置負荷大且要求持續(xù)運行。因此，設(shè)置兩套生活污水處理裝置，一用一備，避免因單一設(shè)備故障導致生活污水未經(jīng)處理排放。所有生活污水排舷外都必須經(jīng)過處理裝置處理達標排放，即使生活污水儲存到生活污水艙也需要經(jīng)過處理后進倉，最大限度避免排放未經(jīng)處理的生活污水。

（2）鑒于該類船型工作人員分散，相應衛(wèi)生設(shè)施也遍布全船。因此，為避免衛(wèi)生輸排管路布置困難，通常在船的首尾處分設(shè)生活污水、灰水儲存艙及生活污水處理裝置。

（3）生活污水處理裝置同時處理灰水，灰水排放也需經(jīng)過生活污水處理裝置處理達標排放。

（4）設(shè)置足夠容量的生活污水及灰水儲存艙（滿足10天全船人員污水排放），用于某些“零排放”區(qū)儲存生活污水及灰水。

4 垃圾污染

船舶垃圾主要包括：塑料制品、墊艙物料、襯料、包裝材料、金屬、玻璃、陶器制品以及食品垃圾等。船舶垃圾的任意排放入海會帶來如下影響，如：垃圾中的有毒物質(zhì)進入水體后將直接毒害水生生物；垃圾中的有機物需要消耗水中的溶解氧，影響水體的自凈能力；沉積海底的垃圾積聚，會改變動植物天然營養(yǎng)條件，甚至造成海底嚴重污染，致使某些生物滅絕。“國際防止船舶造成污染公約（MARPOL）”及各國海事局當局規(guī)范均對防止船舶垃圾污染均有明確規(guī)定，諸如：明確各類垃圾的排放要求（規(guī)定某些垃圾不能直接排放入海，某些垃圾必須距離陸地一定距離才允許直接排放入海等）。需設(shè)置滿足規(guī)范要求的“垃圾管理計劃”，就收集、儲藏、加工和處理垃圾以及船上設(shè)備使用等提供書面程序，還應指定負責執(zhí)行該計劃的人員。船舶垃圾管理更多的是依靠嚴格執(zhí)行“垃圾管理計劃”，來有序地控制船舶垃圾的排放［6］。

為滿足上述基本的法定規(guī)范要求，常規(guī)該類船型設(shè)置滿足規(guī)范要求的焚燒爐裝置用于焚燒規(guī)范允許的船舶垃圾，同時設(shè)置專門的垃圾打包機及垃圾儲藏間用于垃圾存放，以便到港排至岸上的接收設(shè)備，船上張貼“垃圾管理計劃”，船員嚴格按照“垃圾管理計劃”執(zhí)行垃圾處理。

上述設(shè)置已經(jīng)滿足現(xiàn)有法規(guī)基本要求，也是大多數(shù)船舶的常規(guī)設(shè)計，該設(shè)計用于常規(guī)固體垃圾處理（打包至岸上接受設(shè)備或者焚燒）已經(jīng)足夠。然而船舶垃圾除固體垃圾外還有食物垃圾，尤其對于大型起重鋪管船而言，其作業(yè)人員多，且多為“三班倒”連續(xù)作業(yè)，食物消耗相對常規(guī)船舶大很多，相應的食物垃圾的排放污染顯得尤為突出。法規(guī)允許食物垃圾經(jīng)粉碎后距離陸地一定距離以上直接排放入海，然而在港口區(qū)域及某些“零排放”區(qū)域，食物垃圾不允許直接排放入海，食物垃圾特性導致其無法像固體垃圾一樣打包或者焚燒，而常規(guī)儲存容易滋生細菌并產(chǎn)生異味，影響船員健康。因此，該類船型特別設(shè)置食物垃圾真空收集系統(tǒng)，系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2 食物垃圾真空收集系統(tǒng)

系統(tǒng)包括食物垃圾收集站、真空泵站、食物垃圾儲存罐及食物垃圾排放泵等。位于廚房的食物垃圾收集站將食物垃圾粉碎并混合部分淡水，將食物垃圾處理成較為均勻的流體，再通過真空泵站將上述食物垃圾輸送至食物垃圾儲存罐。當船舶位于食物垃圾允許排放區(qū)域內(nèi)，可直接將儲存罐垃圾直接排舷外，當位于港口區(qū)域及某些“零排放”區(qū)域時候，可選擇排至岸上接收設(shè)備，或儲存在食物垃圾儲存罐內(nèi)。

5 空氣污染

造成空氣污染的船舶排放物主要包括：消耗臭氧物質(zhì)、氮氧化物、硫氧化物以及船上垃圾焚燒廢氣物等。消耗臭氧物質(zhì)的排放會加劇臭氧層的破壞，氮氧化物及硫氧化物是酸雨形成的重要成分，人體吸入會對身體健康帶來危害。

上述各類大氣污染物排放主要來自船上如下設(shè)施：

（1）冷藏設(shè)備（包括食品冷藏設(shè)備及空調(diào)系統(tǒng)）的制冷劑以及消防介質(zhì)可能含有消耗臭氧物質(zhì)；

（2）船上柴油發(fā)動機燃燒廢氣含有氮氧化物及硫氧化物；

（3）船上焚燒爐焚燒垃圾所產(chǎn)生的廢氣。

《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）及各國海事局當局規(guī)范均對防止船舶空氣污染均有明確規(guī)定，諸如：明確規(guī)定船上不能采用消耗臭氧物質(zhì)的制冷劑及消防介質(zhì)；船上輸出功率大于130 kW柴油發(fā)動機（除應急發(fā)動機外）的氮氧化物排放標準需滿足TIER Ⅱ排放標準，對在氮氧化物排放控制區(qū)內(nèi)，氮氧化物排放標準需滿足TIER Ⅲ排放標準；船舶所用燃油含硫量需低于3.5%，對在硫氧化物排放控制區(qū)內(nèi)，所用燃油含硫量需滿足對應控制區(qū)的排放要求。為降低焚燒爐焚燒產(chǎn)生廢氣污染，禁止焚燒部分種類垃圾，且焚燒爐需為經(jīng)型式認可的產(chǎn)品。

大型起重鋪管船防止空氣污染設(shè)計滿足上述法定規(guī)范的基礎(chǔ)上，比如冷藏設(shè)備制冷劑及消防介質(zhì)均采用不消耗臭氧物質(zhì)的介質(zhì)，船上發(fā)動機氮氧化物排放標準滿足TIER Ⅱ排放標準，所用燃油含硫量低于3.5%，焚燒爐采用經(jīng)船級社型式認可的產(chǎn)品。除以上常規(guī)設(shè)置外，基于該船型的部分特點進一步采用了如下環(huán)保設(shè)計措施，以進一步降低船舶造成的空氣污染：

（1）鑒于該類船型冷藏系統(tǒng)較大，全船冷藏系統(tǒng)（包括食品冷藏系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)）均設(shè)置了制冷劑回收裝置，最大限度降低制冷劑更換過程的泄漏量；此外，在全船冷藏系統(tǒng)設(shè)備附近設(shè)置有制冷劑泄漏探測裝置，以防制冷劑意外泄漏。

（2）鑒于該類船型柴油機裝機功率大，廢氣排放多，船上發(fā)動機（除應急發(fā)動機外）設(shè)置廢氣脫硝系統(tǒng)，使發(fā)動機氮氧化物排放標準滿足TIER Ⅲ排放標準，系統(tǒng)簡圖如圖3所示。系統(tǒng)主要包括了尿素混合單元、反應器及尿素泵等設(shè)備，通過向柴油機廢氣中混合一定濃度的尿素溶液，經(jīng)反應器內(nèi)的催化劑作用，使尿素溶液與廢氣中的氮氧化物發(fā)生催化還原反應成氮氣及水，從而降低廢氣中氮氧化物的濃度。

圖3 柴油機廢氣脫硝系統(tǒng)

（3）針對硫氧化物排放控制區(qū)要求的船上使用的燃油的含硫量不應超過0.1%（即低硫輕柴油），為滿足該類輕柴油的安全可靠使用，發(fā)動機燃油系統(tǒng)設(shè)置了低硫油制冷單元，能夠滿足含硫量不大于0.1%的輕柴油使用，完全滿足任何硫氧化物排放控制區(qū)要求。系統(tǒng)主要在常規(guī)發(fā)動機供油管上增設(shè)了一套低硫油冷卻系統(tǒng)，用于當使用低硫油工況下，降低供油溫度，以保證柴油機對燃油進機粘度的要求。

6 壓載水有害水生物及病原體污染

船舶壓載水和沉積物的無節(jié)制排放導致有害水生物和病原體的轉(zhuǎn)移，對環(huán)境、人體健康、財產(chǎn)和資源造成損傷或損害。國際海事組織（IMO）在2004年2月通過了《2004年國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》（以下簡稱“壓載水公約”）［7］，旨在通過船舶壓載水和沉積物的控制和管理來防止、減少并最終消除有害水生物和病原體的轉(zhuǎn)移對環(huán)境、人體健康、財產(chǎn)和資源引起的風險。

該公約在歷經(jīng)十多年的漫長等待后，最終確定于2017年9月8日生效，這也就意味著之后的新造船舶將強制要求安裝壓載水處理裝置，以保證壓載水排放達到《2004年國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》中要求的D-2排放標準。

大型起重鋪管船由于起重作業(yè)需要，會配置大排量的壓載水系統(tǒng)以滿足起重作業(yè)過程調(diào)整船舶浮態(tài)要求，為滿足上述防污染規(guī)范要求，常規(guī)需配置與該船壓載水系統(tǒng)的排量相一致的壓載水處理裝置，相應的壓載水處理裝置的處理量要求會非常大，這不僅給船舶設(shè)計布置、設(shè)備維護等帶來困難，同時增加了船舶的建造及運營成本。

為解決上述壓載水處理裝置配置過大的問題，考慮到該船型在起重作業(yè)過程中主要需要在作業(yè)地點短時間內(nèi)進、排大量壓載水或者調(diào)撥大量壓載水，而在船舶調(diào)遣或者航行過程一般無需進、排大量壓載水。結(jié)合上述特點，該類船型可設(shè)置“作業(yè)壓載水系統(tǒng)”以及“航行壓載水系統(tǒng)”分別用于該船作業(yè)工況及航行工況，“作業(yè)壓載水系統(tǒng)”由于需滿足起重作業(yè)，其排量較大，“航行壓載水系統(tǒng)”相對排量要小很多。由于“作業(yè)壓載水系統(tǒng)”僅用于在該船作業(yè)區(qū)域定點進、排壓載水，不涉及異地壓載水的進、排情況，因此，該系統(tǒng)可無需設(shè)置壓載水處理裝置；而“航行壓載水系統(tǒng)”主要用于船舶航行異地進、排壓載水，以調(diào)整船舶航行或進出港工況吃水，該系統(tǒng)排量較小，相應配置的壓載水處理裝置處理能力也較小，大大方便了船舶的布置，同時降低了船舶壓載水處理裝置的投資及營運成本。

7 結(jié) 語

隨著日益嚴苛的各類環(huán)保規(guī)范的生效，船舶防污染設(shè)計既是船舶設(shè)計的重點也是難點。一個優(yōu)秀的防污染設(shè)計方案，不應僅局限于當前基礎(chǔ)規(guī)范要求，還應大力推廣采用行業(yè)新型有效的防污染技術(shù)，促進行業(yè)防污染技術(shù)的不斷創(chuàng)新，同時結(jié)合各類船型的實際營運特點，“量身定做”相應的防污染系統(tǒng)，從而“物盡其用”。