20萬t級散貨船脫硫系統布置設計

王彥，劉丹丹，劉戀，房向前，肖超

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913)

全球限硫令已正式生效，目前業內應對措施主要有使用低硫燃料油、采用清潔能源液化天然氣(LNG)燃料代替燃油以及加裝船舶廢氣清洗裝置(脫硫系統)3種[1]。綜合考慮初期投資、燃料來源、運營成本等因素，加裝脫硫系統具有一定的優勢，受到多數船東青睞。脫硫系統加裝對機艙和機艙棚的設計帶來了極大的挑戰。廠家眾多，設備型式多樣化，使得設計難度陡增。20萬t級散貨船作為市場上的主力船型，數量大，船東多，脫硫設備選擇范圍廣。為此，梳理和總結脫硫系統設計的主要特點。

1 脫硫系統型式及選用

1.1 系統型式及特點

船用脫硫系統分為開式系統、閉式系統以及混合式系統3種型式，優缺點對比見表1。

表1 不同型式脫硫系統特點

1.2 系統選型

在近幾年的脫硫系統加裝案例中，開式系統以其成本優勢成為船東首選。在近期新承接訂單中，對于目的地僅為硫氧化物排放控制區域(SECA)港口的船舶，部分船東開始嘗試混合式系統。

混合式系統涉及的設備數量多、體積大，管路大而復雜，艙室多，空間需求大。解決空間布置問題是脫硫系統設計中最大的難點。

混合式系統涵蓋了開式系統和閉式系統所有特點及布置需求，在3種型式中設計難度最大。以其為研究對象，所得方案通用性更強。

2 混合式系統布置設計

混合式系統設備布置可分為2大部分：①脫硫塔、海水泵、密封風機等共有設備的布置，這些設備的布置大同小異；②閉式系統特有設備的布置，該類設備的布置靈活性較大，因船型而異。

2.1 共有設備的布置

2.1.1 海水泵

海水泵一般布置在機艙底層，海水箱或海水總管附近，關鍵取決于取水方式。海水泵進口必需低于輕載水線，確保在惡劣海況下，橫搖達到最大角度時，泵進口始終處于水線以下[2]。

2.1.2 脫硫塔

脫硫塔型式主要為U型和I型。目前脫硫設備生產商接近20家，主流供應商約為5家，適用于20萬t級船舶的主流廠家脫硫塔主體尺寸對比見表2。

表2 主流廠家脫硫塔主體尺寸 單位：mm

U型脫硫塔布置時，橫向空間需求較大，縱向空間需求較小，整體布置難度偏大。

I型脫硫塔布置時，橫向空間需求較小，縱向空間需求較大，整體布置難度略小。但需重點關注煙囪加高后對雷達桅及其上方的各類信號燈布置的影響。

受氮氧化物(NOx)排放限制影響，船舶選擇性催化還原系統(SCR)已成為主流配置，催化反應器單元是該系統中的關鍵設備。發電機SCR系統的催化反應器單元通常安裝在主甲板。有的船東還要求配置發電機廢氣經濟器，一般布置在機艙棚B甲板。綜合考慮脫硫塔型式、主體尺寸、機艙棚及煙囪空間、發電機SCR系統和發電機廢氣經濟器組合配置情況等因素，脫硫塔可布置在機艙棚B甲板、C甲板或D甲板，見表3。

2.1.3 機艙棚及煙囪的通用設計

脫硫塔主體尺寸和布置位置，對機艙棚和煙囪的設計有著決定性影響。20萬t級散貨船涉及多個船型，機艙棚和煙囪型式及主體尺寸各不相同，且不同廠家脫硫塔對機艙棚和煙囪空間需求也不同。從通用布置角度考慮，梳理不同廠家設備、不同船型機艙棚及煙囪的異同點，設計出滿足各方需求的通用性方案，以實現機艙棚、煙囪設計標準化。

以發電機SCR系統、廢氣經濟器全配，布置最為困難這一特定條件作為通用方案設計的前提條件。

這類船型的發電機通常布置在機艙三甲板，發電機排氣管通常會沿機艙后壁布置，便于支架

表3 各型脫硫塔安裝位置與影響因素 mm

設置。催化反應器單元布置在主甲板，其噴射管、混合管和Y型管布置在主甲板以下且尺寸較長，受二甲板鍋爐影響，催化反應器單元整體需盡可能靠近后壁布置，且廢氣進口與排氣管處于同一軸線，見圖1。

圖1 發電機排氣管路和催化反應器常規布置

圖2 催化反應器和廢氣經濟器相對位置

為使發電機廢氣經濟器的布置高度降到最低，經濟器廢氣進口須與催化反應器單元廢氣出口處于同一軸線，采用最小長度直管連接。綜合2類設備維修空間需求，機艙棚后壁X方向需要相對于機艙后壁再往尾部移2個肋位長度，見圖2。Y方向，滿足3臺催化反應器單元布置需約8 m(約10個縱骨)寬度。同時兼顧結構風道和機艙棚其他設備布置，機艙棚Y方向以不小于16個縱骨寬度為宜。

為滿足發電機廢氣經濟器布置在B甲板，實現機艙棚和煙囪高度空間利用最大化，A甲板高度需至少增加1～1.5 m，具體以發電機SCR系統選型為準，滿足2設備間最小接管及附件布置需求即可。其余甲板順勢抬高，但相對層高維持不變。

綜合考慮上述2類設備同時出現的情況，機艙棚X方向尺寸應不小于10個肋位長度，Y方向尺寸不小于16個縱骨寬度，A甲板層高不小于4.5 m為宜。

以橫向尺寸較大的U型脫硫塔為例，由表3可知:當L≤6 300 mm且D≤3 800 mm時，其最高布置位置不超過C甲板，見圖3。

圖3 脫硫塔在C甲板的一般布置

煙囪X方向尺寸不小于10個肋位長度，Y方向尺寸不小于10個縱骨寬度即可布置，故煙囪維持常規型式設計，見圖4型式A。I型脫硫塔布置類同。

圖4 脫硫塔位置及煙囪型式

當L>6 300 mm或D>3 800 mm時，脫硫塔必須布置在D甲板，此時煙囪Y方向10個縱骨寬度已無法滿足布置需求，需加寬。為了方便結構處理，建議Y方向尺寸與機艙棚相同，見圖4型式B。

機艙棚和煙囪在X、Y方向主體尺寸固化，便于對其進行標準化設計。各船型間主甲板反頂與機艙棚相關的強框架結構能按同一種方案進行設計，同時可根據脫硫塔型式和尺寸實現設計方案的快速選擇。

2.2 特有設備的布置及配套艙室需求

2.2.1 特有設備的布置

閉式系統特有的水處理、水循環相關設備，需要大量空間進行布置。通常情況下，首選機艙棚兩側的艙室進行調整，或是在其周圍新增結構艙室。

2.2.2 配套艙室設計

閉(混合)式系統需配置專用艙室：堿液艙、循環水艙、零排放艙和廢渣艙[3]。

1)堿液艙。目前多數船廠的閉式系統選用鈉堿法，即以NaOH溶液作為脫硫劑[5]。堿液艙理論容積一般不大，但船東會兼顧使用習慣、運營成本等因素，要求加大容積，降低堿液加注頻率。堿液艙的設計，船級社都有明確的要求，設備廠家也會有較為詳細的推薦。設計方需結合艙室所在區域結構特點、周圍設備、舾裝件布置情況，綜合考慮此類艙室的容積。

2)循環水艙。循環水艙在閉(混合)式系統中用作緩沖艙，其容積決定著洗滌系統在閉路模式下無排放操作的時間。典型的艙容推薦見表4(數據來自MAN B&W 二沖程船用主機排放項目指南——符合MARPOL公約附則VI 的規定)。

表4 主機廠家關于循環水艙容積的推薦

3)廢渣艙。閉式系統中和反應產生的廢水，在排放或進艙之前需經過水處理單元進行分離處理。處理后的產物因水處理單元型式的不同而不同[4]。

離心式水處理單元：排出的廢渣是從洗滌水中分離出的燃燒顆粒、含硫物質和其他物質組成的水溶液，pH值通常介于6～9之間。廢渣在單獨的油渣艙或船上的一般艙室中存儲。

膜式水處理單元：能實現渣和水的徹底分離，水進艙，渣為純固體顆粒，壓縮后直接裝袋存儲。

故廢渣艙不是閉式系統的標配，視設備選型而定。廢渣艙位置視水處理單元位置而定，遵循就近原則。

4)零排放艙。經水處理單元處理后的洗滌水，在公海海域可以直接排放。當船舶進入限制排放區域后，處理后的洗滌水須進艙存儲，實現零排放。零排放艙容積需根據船舶在限制排放區域停留時間、廢氣產生設備工況、水處理單元工況綜合計算得出。理論上該艙容積滿足單次停留存儲需求即可。

該艙盡可能布置在低于水處理單元的區域，滿足設備重力排放需求。同時該艙推薦布置在重載水線以上，降低排放泵性能要求。船東要求的零排放艙容積非常大，考慮到當前船型機艙、舵機艙布置十分擁擠，已無空間布置此類艙室，故推薦NO.8、NO.9貨艙兩側的頂邊空艙改做零排放艙使用。

2.3 系統主要管路設計

海水冷卻管路、洗滌水排放管路、排氣管路是整個脫硫系統管路中最為關鍵的三類管路，具有線路長、走向復雜、管徑大、布置難度大等特點。

2.3.1 海水冷卻管路

海水泵取水的方式主要有3種：共用海水箱取水、專用海水箱取水，以及從海水總管取水[6]。3種取水方式的差異點見表5。

表5 3種取水方式對比

綜上所述，第一種方案可操作性強，為多數船廠的首選。

海水總管和脫硫海水管在海水箱上的相對位置主要有3種，見圖5。

3種形式，除滿足加強翅板施工空間和閥附件安裝、操作空間常規需求外，海水管進口之間應盡量遠離。形式三“搶水”風險最大，圖5c)中所示的布置限制區域(陰影區域)，在管路布置時應最大限度避開。

2.3.2 洗滌水排放管路

脫硫塔洗滌水為重力泄放[7]。根據塔體內部結構，U型塔一般只有底部一個泄放口。I型塔一般為兩段式泄放，下部泄放口布置在塔底部，上部泄放口布置在塔中部側面，兩路泄放管合并為一路。

洗滌水排放管路的布置，大多數廠家對塔出口直管段長度、管路斜度、排舷外口數量、排舷外口位置等均有明確要求，見表6。

圖5 海水總管和脫硫海水管3種布置形式

表6 管路主要技術要求的廠家推薦

排舷外口的布置除了滿足廠家推薦外，需重點關注出口與外加電流陰極保護(ICCP)和犧牲陽極的相對位置，避免排放的洗滌水中的酸性物質對特殊涂層產生破壞。特殊情況確實無法避開時，需向設備廠家確認該涂層的耐酸性。

2.3.3 排氣管路

常規設計，主機和三臺發電機的廢氣進脫硫塔。U型脫硫塔不具備干燒功能，主機、發電機排氣管均設置旁通管，匯總后從頂部經文丘里管進入脫硫塔。旁通管布置時，支管與主管路需呈傾斜角度，同時注意風閘的流向與氣流方向保持一致。

I型脫硫塔具備干燒功能，主機排氣管無需設置旁通管。脫硫塔底部設置集氣總管，主機排氣管直接接入集氣總管，發電機排氣管通過旁通管接入集氣總管。按廠家推薦，發電機旁通管需按一定角度傾斜布置，但多數情況無法滿足廠家推薦的角度要求，此時需通過排氣背壓計算驗證實際布置可行性。

脫硫塔出口管路需布置氣體取樣點，在煙囪高度設計時，需注意該需求，預留充足的安裝、檢修空間。

3 結論

1)脫硫系統空間需求非常大，新船項目設備多考慮布置在機艙(棚)及煙囪內部，故圍繞該系統主要設備及其管路布置的船體結構設計是重點和難點之一。

2)3類系統中，共有設備的布置位置可變性小，結構形式相對固定。閉式系統特有設備及艙室布置較為靈活，結構設計可變性也較大。基于混合式系統的布置設計，具有良好的向下兼容性。

3)同一噸位級別各船型的脫硫系統布置相似性較大，具有標準化設計的基礎。實現多船型間不同廠家設備的標準化布置設計，可從共有設備布置和其對應的船體結構設計入手。