船舶開式脫硫裝置加裝設(shè)計(jì)分析

戴慧慧， 鮑超超， 林傳頌

(1.上海船舶工藝研究所 舟山船舶工程研究中心，浙江 舟山 316021；2.舟山群島新區(qū)海納服務(wù)有限公司，浙江 舟山 316021)

0 引 言

全球船舶每年排放硫氧化物(SOx)約為1 500萬t、氮氧化物(NOx)約為2 500萬t、顆粒物(Particulate Matter，PM)約為130萬t，船舶廢氣排放成為全球港口和海域的主要大氣污染源。自2015年1月1日起，在排放控制區(qū)域(Emission Control Area，ECA)內(nèi)實(shí)行0.1%燃油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)限值；自2020年1月1日起，在全球海域內(nèi)實(shí)行0.5%燃油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)限值。目前，全球有4個(gè)ECA：波羅的海、北海、北美、加勒比海，未來會(huì)有更多海域(地中海、日本沿海等)被列為新的ECA。

1 廢氣脫硫系統(tǒng)技術(shù)

目前，船舶脫硫系統(tǒng)主要采用在濕式中的3種技術(shù)形式：(1)開式系統(tǒng)，其原理是將海水直接抽入脫硫洗滌塔，通過海水的堿性物質(zhì)中和廢氣的SOx，生成的鹽類物質(zhì)通過洗滌水直接排至舷外，如圖1所示；(2)閉式系統(tǒng)，在船上裝載的淡水洗滌液中添加堿性物質(zhì)，將洗滌液抽入脫硫洗滌塔，與廢氣的硫化物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生鹽類物質(zhì)，將鹽類物質(zhì)儲(chǔ)存在船上，到港后將副產(chǎn)物交專門機(jī)構(gòu)處理；(3)混合式系統(tǒng)，將開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)進(jìn)行整合，根據(jù)不同情況，切換開式或閉式模式[1]。

圖1 開式系統(tǒng)原理

3種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。開式系統(tǒng)目前較受船舶所有人歡迎。根據(jù)挪威船級(jí)社(DNV)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在加裝脫硫系統(tǒng)的船舶中，80%的船舶選擇開式系統(tǒng)[2]。開式系統(tǒng)的加裝設(shè)計(jì)步驟為方案論證(結(jié)合實(shí)船)→可行性分析報(bào)告確認(rèn)→系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)。

表1 濕式脫硫系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

2 開式廢氣脫硫系統(tǒng)加裝設(shè)計(jì)

2.1 脫硫洗滌塔的選擇

脫硫洗滌塔分為U型塔和I型塔。U型塔又稱旁通型塔，通常設(shè)置旁通管路，目的是在不需要脫硫系統(tǒng)工作時(shí)，廢氣通過旁通管路直接排出。U型塔不干燒，材料不需要耐受廢氣高溫，選材余地較大。U型塔占地面積大，因此主要適用于油船、散貨船等安裝空間較為寬裕的船舶。I型塔通常主機(jī)不設(shè)置旁通管路。I型塔可干燒，在非廢氣洗滌工況下，廢氣直接通過洗滌塔本體，材料須能夠耐受高溫腐蝕環(huán)境，材料等級(jí)應(yīng)高于U型塔。I型塔占地面積小，更適用于集裝箱船等安裝空間較為緊張的船舶。選擇塔型主要考慮3個(gè)方面：(1)結(jié)合脫硫洗滌塔尺寸與原有煙囪區(qū)域安裝空間進(jìn)行考慮；(2)若安裝空間允許，建議優(yōu)先選擇U型塔，可獲得更高的安全性與可靠性；(3)在安裝空間有限時(shí)，可先考慮U型塔，若箱損確實(shí)過大(以集裝箱船為例)，則I型塔為更優(yōu)方案。處于營(yíng)運(yùn)中的某大型油船安裝空間較為寬裕，選擇U型塔。

2.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

(1)根據(jù)船舶所有人改裝技術(shù)規(guī)格書要求，該油船加裝的1套脫硫裝置僅服務(wù)于1臺(tái)主機(jī)及3臺(tái)發(fā)電機(jī)，并且設(shè)計(jì)要求為脫硫裝置最大廢氣處理能力按1臺(tái)主機(jī)85%最大持續(xù)功率(Maximum Continuous Rating，MCR)工況及2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組80%MCR工況的總負(fù)荷計(jì)算。原船主機(jī)及發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如表2和表3所示。

表2 原船主機(jī)參數(shù)

表3 原船發(fā)電機(jī)參數(shù)

(2)根據(jù)工況匹配脫硫裝置及海水泵等輔助設(shè)備。脫硫主要配套設(shè)備如表4所示。

表4 脫硫主要配套設(shè)備 套

(3)查閱原船相關(guān)圖紙(總布置圖、機(jī)艙布置圖、海底門布置圖等)。

(4)利用實(shí)船3D激光掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建實(shí)船模型作為設(shè)計(jì)背景，如圖2所示。

圖2 實(shí)船環(huán)境示例

2.3 加裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

脫硫裝置系統(tǒng)由較多設(shè)備組成，且目前脫硫洗滌塔設(shè)計(jì)尺寸都相對(duì)較大，因此整個(gè)加裝工程對(duì)原船的機(jī)艙底層設(shè)備布置、機(jī)艙區(qū)域管路布置及煙囪區(qū)域管路布置等都會(huì)產(chǎn)生較大影響。

(1)脫硫洗滌塔布置空間評(píng)估。選用的U型脫硫洗滌塔外形尺寸是4 800 mm×11 800 mm。與原船總圖及煙囪外形圖校核后發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有機(jī)艙棚及煙囪沒有足夠空間布置脫硫洗滌塔。經(jīng)綜合分析，應(yīng)在煙囪后壁設(shè)置單獨(dú)的新煙囪用于布置脫硫設(shè)備，如圖3和圖4所示。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是原船煙囪不必進(jìn)行大量改造，并且脫硫裝置可作為一個(gè)單元進(jìn)行預(yù)裝、集中吊裝以減少工期。

圖3 新煙囪布置

圖4 煙囪內(nèi)脫硫設(shè)備布置

(2)脫硫洗滌塔房布置。新煙囪布置在艉部系泊設(shè)備區(qū)域，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：必須避開纜繩及系泊設(shè)備操作空間；在保證新煙囪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，必須對(duì)原船結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)；脫硫洗滌塔重量大、高度高，需要足夠強(qiáng)度的底座及頂部支撐，以防止在船舶運(yùn)行時(shí)因振動(dòng)而引起設(shè)備損壞。

2.4 加裝設(shè)計(jì)難點(diǎn)

加裝設(shè)計(jì)往往涉及原船錯(cuò)綜復(fù)雜的設(shè)備布置與管路布置，尤其是機(jī)艙底層，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須結(jié)合原船機(jī)艙布置圖、海底門布置圖及3D掃描背景，對(duì)技術(shù)要求與原船改動(dòng)量進(jìn)行綜合評(píng)判。

(1)確定海底門位置。通過對(duì)原船海底門布置圖校核及計(jì)算，原船海底門格柵流通面積無法滿足洗滌海水泵取水的工況，并且也沒有足夠空間擴(kuò)大原海底門，因此必須新增海底門布置取水管。選擇在38號(hào)～40號(hào)肋骨雙層底上圍出新增海底門。

(2)確定海底門吸入格柵規(guī)格。根據(jù)海底門外板位置，設(shè)置2個(gè)吸入格柵，每個(gè)格柵尺寸為900 mm×650 mm，則格柵流通面積即海水通過格柵開口的最小面積S1=0.804 4 m2。脫硫設(shè)備廠家圖紙?jiān)O(shè)計(jì)取水管內(nèi)徑為635 mm，則取水管流通面積為S3=π×0.317 52m2=0.316 7 m2。格柵與取水管的流通面積比值為2.54，大于規(guī)范要求的流通面積比值2.5，選定的格柵符合規(guī)范要求。

(3)海水泵布置。根據(jù)洗滌水量及技術(shù)規(guī)格書要求，需要在機(jī)艙底層布置3臺(tái)洗滌海水泵，并保證有足夠操作空間。取水管由海底門側(cè)邊壁板引出，高度必須在輕載水線以下且盡可能低，避免發(fā)生氣蝕。結(jié)合實(shí)船數(shù)據(jù)及機(jī)艙布置圖，海水泵及接管管路布置如圖5所示。

圖5 海水泵及接管管路布置

(4)舷外管布置

脫硫設(shè)備廠家比例積分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)圖紙?jiān)O(shè)置有3路公稱通徑為400 mm的排舷外管，排舷外口布置在輕載水線以下2 m左右，盡可能遠(yuǎn)離海底門吸入口(通常推薦4 m以外)，同時(shí)每個(gè)排出口的間距保證在4 m以上，防止處理水被重復(fù)吸入。

(5)監(jiān)測(cè)裝置布置

為能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)值，取樣口須正對(duì)介質(zhì)流向，保證介質(zhì)能夠順利通過監(jiān)測(cè)裝置；須盡可能靠近取樣總管端口，確保監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠精確并及時(shí)顯示介質(zhì)參數(shù)；監(jiān)測(cè)裝置布置位置須方便船員操作及觀察。

2.5 加裝設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及應(yīng)對(duì)措施

(1)排水管材質(zhì)要求及布置。排水系統(tǒng)將煙氣處理水完全依靠重力排出至舷外，處理水存在腐蝕性強(qiáng)、容易結(jié)垢的特性。在排放管路選型及布置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：選擇耐腐蝕、內(nèi)壁較光滑的管材，通常為雙相不銹鋼(SS2205)或超級(jí)奧氏體不銹鋼(SMO254)、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂管(玻璃鋼管)；路徑布置應(yīng)方便介質(zhì)順利排至舷外，主管路通常為10°以上的傾斜度。

(2)排氣管材質(zhì)要求及布置。由于脫硫洗滌塔在洗滌后排出的廢氣帶有一定的水蒸氣，水蒸氣夾帶高腐蝕性的硫酸鹽物質(zhì)，因此為防止管路腐蝕，[][]管路及部件材質(zhì)應(yīng)盡可能選用雙相不銹鋼或超級(jí)奧氏體不銹鋼[3]。對(duì)于排氣管路徑布置，不能采取大彎角(如90°彎等)，支管匯集處盡可能采用斜支管形式，以保證整個(gè)系統(tǒng)背壓處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，保護(hù)原船柴油機(jī)安全可靠運(yùn)行。

(3)排舷外管及外板處理。由于洗滌水的強(qiáng)酸性，為防止對(duì)舷外管及船體外板的腐蝕，將舷外管內(nèi)壁及排舷外口4 m半徑范圍內(nèi)的船體外板涂防腐涂層。對(duì)于洗滌水穿艙壁所采用的鋼管，表面處理為外表面熱鍍鋅、內(nèi)表面涂防腐涂層。根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算，在舷外管口設(shè)置散流器(見圖6)，可適當(dāng)稀釋洗滌水的pH值?？紤]到舷外管端部因外板線型會(huì)為現(xiàn)場(chǎng)施工留有裕量，因此散流器應(yīng)在舷外管外板安裝到位后，將散流器螺栓座焊接至管口位置。在舷外管內(nèi)部涂裝后，將散流器安裝到位。

圖6 舷外管口散流器

3 結(jié) 語

隨著各種綠色技術(shù)和新能源的不斷成熟應(yīng)用，船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展將有多種技術(shù)線路選擇，而加裝脫硫裝置成為目前世界各航運(yùn)企業(yè)的應(yīng)對(duì)措施之一。由于脫硫洗滌塔可降低廢氣的SOx量，以達(dá)到同等或更低水平的合規(guī)低硫油燃料產(chǎn)生廢氣的標(biāo)準(zhǔn)，因此裝有脫硫洗滌塔的船舶可使用高硫燃料。近年來，全球船舶加裝脫硫裝置不斷增多，快速、可靠、優(yōu)秀的加裝設(shè)計(jì)不僅受船舶所有人青睞，而且影響航運(yùn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)DNV數(shù)據(jù)，截至2020年3月，全球有4 014艘船舶裝有或已訂購(gòu)脫硫洗滌塔。脫硫裝置加裝設(shè)計(jì)成為船舶設(shè)計(jì)行業(yè)的一大市場(chǎng)。