海船鈉堿法濕式廢氣清洗系統關鍵技術

聞濤 李春茂

摘 要：隨著2020年國際海事組織限硫令的到來，越來越多的港口和國家加入排放控制區，要求進入排放控制區船舶使用含硫量低于0.1%的低硫燃料或使用廢氣清洗系統，本文主要介紹了鈉堿法濕式廢氣清洗系統實船設計要點及注意事項，以期更多的業內人士交流學習，更好地服務于造船業。

關鍵詞：廢氣清洗;脫硫塔;脫硫劑;不銹鋼;洗滌水

隨著人類環保意識的逐步增強，經濟環保型船舶越來越受到世界各國的青睞，特別是隨著國際海事組織海洋環境保護委員會（MEPC）2020年全球限硫令的到來，世界各國競相尋求各種簡單有效的方法解決船舶的SOX排放問題。目前較為有效的方法一是直接使用低硫燃油，二是采用廢氣清洗系統，三是采用清潔燃料如天然氣。相對于現階段高硫油與低硫油的高差價和低硫油市場的短期供不應求，以及天然氣船舶造價及技術含量過高，采用廢氣清洗系統顯得更加經濟有效。目前市場上采用的廢氣清洗系統一般為鈉堿法（NaOH）和鎂基法（MgO），本文主要介紹海船鈉堿法濕式廢氣清洗系統的設計安裝要點，以期更多的業內人士能夠共同研究探討進而改善我國船舶廢氣清洗行業發展現狀。

1國內外船舶廢氣清洗技術發展趨勢

雖然廢氣清洗的概念很早就已經提出并推廣，技術也日趨成熟，但是該技術前期主要運用于熱電廠、鋼廠等陸用設施，海船的使用目前尚處于探索試驗階段，仍需較長的時間來驗證完善。相對而言，國外船舶廢氣清洗技術起步較早，瓦錫蘭、阿法拉伐、挪威Clean Marine等很早就開始了該技術的研究，近年來我國的中船711所、上海藍魂、威海普益、佩森環科等企業也相繼參與其中，爭奪市場份額，使我國的船舶廢氣清洗技術得到了迅速發展。

2鈉堿法濕式廢氣清洗系統關鍵技術

相對于陸用脫硫設施，海船脫硫可以充分利用海水的弱堿性，將海水作為主脫硫劑，堿液作為輔助脫硫劑，從而簡化系統設計，減少堿液消耗，鈉堿法濕式廢氣清洗系統設計時常選用50%高濃度NaOH堿液作為輔助脫硫劑。當主、輔機海水冷卻系統具有足夠壓力適合引入廢氣清洗系統時，可直接引入從而降低系統自身海水及NaOH用量。

下圖為挪威Clean Marine公司設計的混合式濕法廢氣清洗系統的典型示意圖。

該系統脫硫塔分內外腔，排氣自外腔頂部進入沿外腔壁下行逐步脫硫，脫硫完成后進入內腔底部上行排至大氣。在洗滌水允許排放區域使用開式系統，洗滌水直接排舷，在禁排區域采用閉式循環系統，洗滌水儲存在船上的儲存艙中，當船舶脫離禁排區后低速率排放。

下面以該混合式濕法廢氣清洗系統作為基礎簡要介紹此類系統的設計參數選擇，以及設計和施工過程中需要運用的關鍵技術和注意事項。

2.1設計參數選擇

廢氣清洗系統的大小、前期投入成本及后期運行維護成本的多少與主、輔機煙氣排放量的大小呈正比，與主、輔機負荷狀態直接相關。通常柴油機在設計選型時為保證使用壽命及燃油經濟性，預留有一定的功率儲備，其最大連續運轉工況負荷一般在85%左右，同時主、輔柴油機也可能存在不同時工作的情況。因此廢氣清洗系統設計參數選取時應按船舶實際正常運營的最大負荷工況設計，同其他系統一樣廢氣清洗系統設計時一般也預留有超負荷運轉裕量，完全可以滿足柴油機短時超預定負荷運轉的處理需要。

以一艘漁業運輸船為例，設3480kW主機1臺（帶1臺1500kW軸帶發電機），1100kW柴油發電機組1臺，740kW柴油發電機組1臺，其正常航行、低負荷運轉、停泊或備車、海上裝卸貨物等4種不同運營作業工況理論排氣量如下：

由上表1可知，正常航行工況主機85%負荷帶軸帶發電機為該船實際運營的最大負荷工況，應以該工況的理論排氣量來確定脫硫塔、系統艙柜的大小及泵、風機等設備的參數。

2.2系統防腐蝕技術

由于海水本身具有一定的腐蝕性，在吸收排氣中的硫化物、煙塵及顆粒物，加入NaOH強堿后化學性質不斷變化，腐蝕性進一步增強。目前已陸續發現早期安裝廢氣清洗系統的船舶出現明顯的局部腐蝕現象，為此各大船級社已開始重視整個廢氣清洗系統的選材及防腐處理工作。設計時一般可以從以下2個方面進行考慮：

2.2.1特殊選材

不銹鋼材質——脫硫塔、系統輔助艙柜、設備及系統管路優選雙相不銹鋼，它的主要特點是屈服強度可達普通不銹鋼的2倍，從而節約用材。在抗腐蝕方面，特別是介質環境比較惡劣，如海水氯離子含量較高的條件下，雙相不銹鋼的抗點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕及腐蝕疲勞性能具有顯著優勢。而對于NaOH溶液輸送儲存系統，化學性質相對穩定，當溫度不超過200°F時可選用316L不銹鋼。

玻璃鋼材質——玻璃鋼主要運用在系統管路上，玻璃鋼管具有良好的耐腐蝕性、抗老化性、耐熱抗凍性等，同時重量輕、強度高、內壁光滑、輸送能力強，不結垢、不生銹、水阻小維護成本低，不需要進行防銹、防污、絕緣、保溫等措施和檢修，耐磨性好，非常適合廢氣清洗系統的運用。缺點是建造成本高，同時現場修改需要專業培訓人員，修改質量不易保證，對船廠的三維放樣率和準確率要求較高。

塑料/橡膠材質——對于部分設備、閥件內部與腐蝕性液體接觸的部件及一些按規范要求可以免除耐火性、安全性的非重要管路，聚乙烯、聚丙烯、PVC、CPVC等塑料材質也是一種不錯的選擇，如對于小排量的排放或輸送泵可以選用塑料材質的氣動隔膜泵，取樣水管路選用塑料管等。

除上述材質外，一些特殊部件或部位也可以考慮采用陶瓷、二氧化硅等特殊材料，當NaOH儲存艙柜加熱盤管或加熱器自身溫度超過200°F時，選用蒙奈爾、英科奈爾、哈氏等鎳基合金。

2.2.2特種涂裝

由于特殊選材普遍存在造價高，現場修改困難等缺點，當脫硫塔本體及系統艙柜體積較大時，選用普通碳鋼材質，內部進行特種涂裝將大大節省建造成本，同時降低施工難度。為此可以采取在內部噴涂酚醛環氧漆、玻璃鱗片漆等特種油漆，或內部涂塑處理，包括閥門、管路等與腐蝕性液體接觸的部位也可以采用上述方法。

對于排舷外處可能存在的短管及排舷口附近區域外板應予以特別注意，由于不同材質相互焊接的工藝性能較差同時存在嚴重的電化學腐蝕隱患，此處管路及板材的選材一般與整個船體保持一致采用碳鋼。根據目前部分船舶反饋的信息，此處存在較嚴重的腐蝕情況，同時不易觀察，不易維護保養，為此可選用玻璃鱗片漆進行重防腐厚涂層涂裝以保證特涂效果，該油漆適合浸泡環境下的內襯涂層，具有優異的耐化學品性能，適合嚴酷大氣和浸泡環境。

2.3脫硫劑混合技術

硫化物屬于中等溶解度的氣體，隨溫度升高溶解度降低，為提高吸收速度需要同時增大氣相和液相主體的流速、湍度，減薄氣液膜層厚度，增大氣體與液體的分散度，提高吸收過程的推動力，為此可以采用以下幾種方法：

（1）降溫處理——廢氣溫度降低有利于硫化物的吸收，為此可以在廢氣進入脫硫塔后先進行降溫處理，即提前注入部分海水將廢氣溫度降低。

（2）結構化設計——脫硫塔內部適當增加部分網狀或環狀實體填料，增加脫硫劑與尾氣接觸面積及液體停留時間。同時可以將脫硫塔本體進行特殊的螺旋結構設計，讓脫硫塔腔內海水及脫硫劑在廢氣增壓風機的引導下產生高速渦流，提高氣液流速及湍度。

（3）提高氣液流速——選用高揚程的脫硫劑注入泵，提高霧化后的噴射流速，引入廢氣增壓風機提高氣液混合的速度。

（4）增大液體分散度——采用高效霧化噴嘴將脫硫劑分散成微小液滴，增加吸收面積及分散度，常用的有螺旋噴嘴、實心錐噴嘴、空心錐噴嘴、扇形噴嘴等。也可以引入增壓風機將上述噴嘴改進為壓力-氣流型噴嘴，進一步提高分散度、流速及湍度。噴嘴的數量及布置根據脫硫塔的具體結構設計確定，保證盡可能大的覆蓋面積且各噴嘴覆蓋區域互不干涉。

2.4排氣背壓控制技術

為盡可能節約空間，簡化工藝流程，主、輔機一般采用集中式廢氣處理，即主、輔機共用一個脫硫塔。由于主、輔機負荷一直處于連續的變化狀態，排氣背壓過高造成柴油機性能惡化，排氣背壓過低排氣門提前開啟造成功率損失，此時需要采取排氣背壓控制技術，設計上可以采用以下方法：

2.4.1加大脫硫塔通流面積

該法適用于底部進氣脫硫塔，且要求實船有足夠的空間，柴油機的排氣通常會經過鍋爐或消音器后排放，該法的采用相對較為困難。

2.4.2引入廢氣增壓風機（變頻控制）

在空間有限的情況引入廢氣增壓風機讓脫硫塔的設計更加靈活，此時可以在脫硫前使用高溫風機或在脫硫過程中使用低溫風機。利用廢氣混合點引入的壓力傳感器隨時對排氣壓力進行實時監測，從而對廢氣增壓風機的風量進行變頻控制。

2.4.3廢氣再循環

上述廢氣增壓風機也可以選用定頻風機配合廢氣再循環技術，即將清洗凈化處理的干凈廢氣部分再循環引入風機入口，作為負荷降低時廢氣的補充，以免排氣背壓過低造成功率損失，廢氣混合點的壓力作為廢氣再循環量的控制參數。

2.5遙控技術

廢氣清洗系統是一套復雜的系統，涉及很多的泵和閥門，而這些泵和閥門的布置往往比較分散，在開式和閉式模式又需要按順序啟閉，為減少船員工作量，通常采用遙控系統。泵的控制較為簡單，電控即可，閥門遙控通常有氣動式、液動式、電液式，相比液動式及電液式，氣動造價低，氣源來源簡單，可以直接利用實船現有氣源，維護更方便，因此氣動式性價比相對較高。

2.6變頻節能控制技術

由于船舶運營工況柴油機負荷在不斷變化，同時不同海域海水堿值不同，因此脫硫塔需要適應不同負荷工況及不同海域的工作需要，為此可以引入變頻控制技術。變頻器除對電機實現軟啟動的同時提供過載保護功能外，更能根據負荷調整設備的工作參數，節能減排。在廢氣清洗系統中如下控制可以選用變頻技術：①海水變頻流量調節;②NaOH變頻定量供給;③廢氣增壓風機變頻控制排氣背壓。

2.7取樣檢測技術

洗滌水的PH值，PAH值，渾濁度、硝酸鹽含量以及排放廢氣的硫碳比（SO2/CO2 比值）需要按MARPOL公約及船級社規范進行檢測，檢測設備一般由專業的生產廠家提供，并帶有船檢認可的有效證書，目前已經有眾多的大型專業生產廠家可供選擇，檢測設備和技術已經很成熟。

取樣檢測設計時重點需要關注取樣點的設計，保證取樣能夠連續進行，其設計好壞將直接影響檢測結果的準確性。取樣檢測設計包括取樣管布置的先后順序及取樣點的選擇，取樣檢測后的排放水可能會添加一些檢測試劑影響下一環節的檢測結果，因此需要合理選擇取樣點和檢測后洗滌水的排放點位置。由于排舷外管路一般采用加大管徑重力排舷，無法保證管內始終充滿液體，同時洗滌水中混合有大量的氣體，因此取樣點的選擇應利于樣本的連續輸入和氣體的順利析出，為此取樣點應選擇水平管路的最低點或設置樣本收集裝置和自動排氣裝置。

2.8液艙液位測量控制技術

在脫硫工況，尤其是閉式循環脫硫，眾多的系統艙柜將參與整個廢氣清洗過程，各系統艙柜的液位自動控制及報警需要根據不同廠家廢氣清洗系統設計要求進行確定，設計時需要注意傳感器的耐腐蝕性。

2.9超大型設備安裝技術

為增大氣液接觸面積和延長混合作用時間，脫硫塔往往尺寸較大，高度通常會達到10m以上，給運輸及實船的布置安裝帶來很大困難，為此可將脫硫塔設計成分體式，尤其出口設備時優勢將更加明顯。實船組裝時為避免下部支撐安裝誤差導致頂部偏移過大，需要嚴格限制下部支撐安裝誤差，為此可以借助激光經緯儀進行輔助安裝，如下圖所示：

2.10其他注意事項

2.10.1腐蝕余量

未特殊選材時系統用材應考慮腐蝕余量，如NaOH儲存艙柜采用普通鋼質結構時應考慮增加3mm以上的腐蝕余量。

2.10.2 NaOH艙柜及管路保溫

NaOH溶液溫度過低易結晶，溫度過高腐蝕性增強，儲存及輸送的最佳溫度為25～40℃，實船可采用蒸汽加熱、電加熱、熱水加熱、電伴熱等不同形式并做好保溫措施。

2.10.3管徑選擇及管路布置

由于洗滌水中含有脫硫劑與SOx 等有害物質反應后生成的副產物、未反應的脫硫劑和雜質，以及系統捕集的煙塵顆粒等混合物。洗滌水和取樣管路的布置應適當加大管徑并保證有連續向下的斜度，利于脫硫渣的排放，以免脫硫渣聚集阻塞管路，NaOH輸送管路也應加大管徑以免結晶堵塞。

排舷口的布置應保證其始終處于水線以下，并采取有效措施防止舷外水倒流，排舷口的設計需要遠離吸入口及推進器區域。

NaOH管系易采用焊接或法蘭連接代替螺紋連接，降低泄漏風險，同時還應設置排空及沖洗設施。

2.10.4泄漏處理

NaOH系統應配置獨立的艙底水系統及泄漏報警系統，以便收集泄漏的堿液。

2.10.5安全性

脫硫塔還應具有有效的旁通與隔離裝置、緊急停機裝置，當脫硫塔故障時不應影響柴油機的正常工作，脫硫塔故障或緊急停機后旁通裝置應能自動恢復到柴油機可以獨立運行狀態。

2.10.6操作人員個人防護

由于NaOH屬于高危險的腐蝕性化學品，除進行正常的功能性設計外，還需要注意系統防護及個人防護。如按規范及公約要求配備好防護用具（防護服、防護面罩、防護手套等）、清洗用具（洗眼器、噴淋清洗器具等）、警示牌（提醒該區域儲存NaOH或該管路輸送NaOH，同時注明泄漏或操作失誤沾染后的簡單的處理方法），法蘭接頭易泄漏處設置防濺帶等。

3結語

本文簡單介紹了海船鈉堿法濕式廢氣清洗系統設計要點及注意事項，通過以上介紹可以看出，船舶廢氣清洗系統屬于一個復雜的新型系統，所采用的新技術、新工藝相對較多，需要設計及施工注意的事項較多。相對于船上其他系統，該系統仍處于一種逐步探索驗證的階段，給設計施工帶來了一定的困難，但是隨著時間的推移，經驗的積累，該技術將日趨成熟完善。

參考文獻：

[1]中國船級社.船舶廢氣清洗系統設計與安裝指南[Z].北京：人民交通出版社，2015.

[2]中國船級社.船舶廢氣清洗系統試驗及檢驗指南[Z].北京：人民交通出版社，2016.

[3]董凡新.船舶脫硫塔分類及船上應用分析[J].中國水運，2019（07）：77-78.

[4]劉周書.船舶柴油機廢氣排放及控制技術[J].南方農機，2017，48（11）：142-143.

[5] 宋任健.船舶脫硫系統應用設計[J].科技新時代，2018.