船舶脫硫系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

船舶脫硫系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)摘要：簡述近來船舶逐漸開始使用的廢氣脫硫系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹鈉堿法脫硫裝置在6700PCTC上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)排放；SOx；脫硫；EGC0引言航運(yùn)業(yè)運(yùn)輸約占全球貿(mào)易的90%的貨物，提供了原材料、消費(fèi)品的主要運(yùn)輸方式，并向全球人口提供基本食品和能源。其中絕大部分產(chǎn)品不能以其他方式運(yùn)輸，因此航運(yùn)業(yè)是全球貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)增長的主要推動(dòng)者。海洋運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)量大，海運(yùn)費(fèi)用低，海運(yùn)四通八達(dá)，是其優(yōu)勢(shì)所在。船舶作為其載體也隨著世界經(jīng)濟(jì)貿(mào)易持續(xù)發(fā)展，運(yùn)力在不斷攀升。因此導(dǎo)致的廢氣污染也在逐年上升，特別是遠(yuǎn)洋船舶多以劣質(zhì)渣油為燃料，燃油的平均硫含量高，由船舶柴油機(jī)燃燒排放的廢氣污染物已占全世界污染物總排量的10%左右。隨著全球貿(mào)易的增長，這個(gè)比例也在持續(xù)上升。如果不及時(shí)采取有效措施，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成更大的破壞。1國際防止船舶造成污染公約MARPOL73/78附則VI根據(jù)MARPOL公約附則VI控制硫氧化物（SOx）的要求，自2012年起，在公海行使的遠(yuǎn)洋船舶的燃油硫含量必需低于3.5%m/m，國際海事組織海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第70屆會(huì)議決定2020年1月1日作為船舶全球0.5%m/m燃油硫含量標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時(shí)間。在SOx排放控制海域（SECA），該區(qū)域船舶所使用的燃油硫含量自2015年1月1日起不得超過0.1%m/m。2國內(nèi)排放控制區(qū)的設(shè)立交通運(yùn)輸部頒布《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》，自2016年1月1日起，排放控制區(qū)內(nèi)有條件的港口，可以實(shí)施高于現(xiàn)行排放控制要求的措施，包括船舶靠岸停泊期間使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油。自2017年1月1日起，船舶在排放控制區(qū)內(nèi)的核心港口區(qū)域靠岸停泊期間（靠港后的一小時(shí)和離港前的一小時(shí)除外），應(yīng)使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油。2018年起，這一要求擴(kuò)大至排放控制區(qū)內(nèi)所有港口內(nèi)靠岸停泊的船舶；2019年起擴(kuò)大至進(jìn)入排放控制區(qū)的所有船舶。船舶可采取連接岸電、使用清潔能源、尾氣后處理等替代措施。3控制船舶SOx排放的措施控制SOx排放可以從前處理、后處理兩個(gè)方面著手：第一使用低硫的燃油，第二使用廢氣脫硫后處理設(shè)備。對(duì)于低硫燃油，目前ISO8217-2017已明確要求燃油的硫含量應(yīng)符合法規(guī)的要求，不再限定于標(biāo)準(zhǔn)中的含硫量。國內(nèi)船用燃料油標(biāo)準(zhǔn)GB17411-2015給出了限值，但同時(shí)指出買方應(yīng)該按照船舶行駛區(qū)域的有關(guān)法規(guī)限值確定最大硫含量。雖然油品供應(yīng)商有低硫的燃油可以提供，但是對(duì)于價(jià)格比較敏感的航運(yùn)業(yè)來說，過多的燃油成本支出會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)效益的降低，因此不少航運(yùn)企業(yè)也在考慮廢氣脫硫這個(gè)后處理措施。目前主流的船舶廢氣脫硫方法主要分為鈉堿法（NaOH）和鎂基法（MgO）兩種。鈉堿法反應(yīng)原理如下：SOX溶于水：SO2+H2OTH2SO3SO3+H2OTH2SO4生成硫酸鹽：H2SO3+2NaOH+1/2O2TNa2SO4+H2OH2SO4+2NaOHTNa2SO4+H2O鎂基法反應(yīng)原理如下：熟化MgO+H2OTMg（OH）2吸收SO2+H2OTH2SO3中和Mg（OH）2+H2SO3TMgSO3+2H2OMgSO3+H2SO3TMg（HSO3）2氧化MgSO3+1/2O2TMgSO4根據(jù)脫硫塔的形式，又可將脫硫系統(tǒng)分為文丘里式和直列式。文丘里式（U-Type），脫硫塔與排氣管并聯(lián)旁通布置，占用機(jī)艙棚空間大，后期維護(hù)較麻煩，但是前期投入成本較低。直列式（IN-LINE），脫硫塔與排氣管串聯(lián)連接，體積小，占用機(jī)艙棚空間小，排氣背壓高，前期投入成本較高。根據(jù)脫硫系統(tǒng)的工作模式，脫硫系統(tǒng)可分為開式，閉式和混合式。開式:用海水直接清洗廢氣，利用海水的弱堿性直接進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)，廢水直接排舷。特點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，在排放要求高的水域不能使用，因此航行區(qū)域會(huì)受限制。閉式:系統(tǒng)水通過加藥、冷卻后可進(jìn)行內(nèi)循環(huán)重復(fù)利用，廢水處理后可不排舷。特點(diǎn)是航行區(qū)域不受限制，但設(shè)備較多系統(tǒng)復(fù)雜，會(huì)有大量的淡水、海水及電力消耗?；旌鲜?集合了開式和閉式的兩種功能，可任意切換，應(yīng)用不受限制。下圖為典型的混合式系統(tǒng)，集成了開式和閉式的兩種功能：4脫硫系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)本節(jié)重點(diǎn)介紹6700PCTC項(xiàng)目上采用的鈉堿法脫硫系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，脫硫裝置相關(guān)參數(shù)如下:廠家:瓦錫蘭（WARTSILA）類型:直列式，混合系統(tǒng)用途:主機(jī)廢氣脫硫介質(zhì):50%NaOH塔體尺寸:03mx11.5m設(shè)計(jì)工況：開式狀態(tài)100%MCR，閉式狀態(tài)85%MCR處理后廢氣含硫量：＜0.1%脫硫裝置在設(shè)計(jì)之初需和船東協(xié)商確定部分設(shè)計(jì)參數(shù)，參數(shù)的選擇直接與系統(tǒng)的成本對(duì)應(yīng)，因此這也是與船東博弈的階段。本項(xiàng)目與船東確認(rèn)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：主機(jī)廢氣進(jìn)脫硫塔，直列，混合式；燃油最大含硫量3%，海水堿值2300|imol/l；NaOH艙35m3，渣艙15m3，零排放艙150m3；主要系統(tǒng)管路用GRE管，其它見廠家標(biāo)準(zhǔn)；開閉：主機(jī)100%MCR，閉式：主機(jī)85%MCR。4.1船體艙室的設(shè)計(jì)堿艙（35m3）：50%NaOH（pH15）溶液，需要獨(dú)立結(jié)構(gòu)艙室，不與其它艙室共用艙壁，四周絕緣，帶艙室加熱裝置，NaOH溫度不能低于20C，此船堿艙可用8.5天，堿艙的布置需按規(guī)范要求設(shè)計(jì)，四周帶擋水盤，擋水盤帶檢測(cè)泄漏的高位報(bào)警。附近應(yīng)有洗眼裝置和淋浴裝置（具體見廠家和船級(jí)社要求）。渣艙（15m3）:用于收集脫硫裝置水處理單元的泄放殘?jiān)橘|(zhì)為煙灰顆粒。位置可在脫硫水處理單元的下方。此艙常規(guī)需配蒸汽加熱和蒸汽清艙，殘?jiān)ㄟ^加油站排岸。此船此艙可滿足設(shè)備閉式連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)17天。零排放收集艙（150m3）:此艙通常很大，位置布置需要重點(diǎn)考慮，此船把此艙放在貨艙。此艙可滿足設(shè)備閉式連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3.5天。4.2輪機(jī)設(shè)計(jì)需要考慮的方面1、海水總量脫硫裝置需要大量的海水用于開閉循環(huán)，此船需要的最大海水量為780m3/h，所以海水總管方面要關(guān)注如下問題：海水總管通徑及海底格柵通流面積是否足夠；防海生物電極重量是否需要增加；海水濾器需滿足脫硫裝置要求，濾網(wǎng)孔一般要求04mm；脫硫系統(tǒng)的吸口與海水冷卻系統(tǒng)最好布置在兩舷，避免搶水問題。海水總量的確定，要仔細(xì)計(jì)算每個(gè)工況下（海上、進(jìn)出港、裝卸貨）需要的海水量，取最大值做為計(jì)算依據(jù)。2、淡水總量瓦錫蘭（WARTSILA）脫硫裝置可不用考慮淡水需要。阿法拉伐（AlfaLaval）脫硫裝置則需要考慮淡水的用量，正?？砂疵肯?噸燃油需要1.1噸的淡水預(yù)估（具體見廠家要求）。淡水總量計(jì)算：QA=QEGC+QD（m3）QA：閉式循環(huán)一個(gè)周期實(shí)際消耗淡水總量QEGC：脫硫系統(tǒng)閉式循環(huán)一個(gè)周期消耗的實(shí)際淡水量QD：閉式循環(huán)一個(gè)周期船上日常生活和設(shè)備用水量船上實(shí)際淡水儲(chǔ)備量：VT=VC+VG（m3）VT：所有淡水總量VC：船上實(shí)際淡水儲(chǔ)備量VG：閉式循環(huán)一個(gè)周期造水機(jī)的造水量3、主機(jī)排氣背壓及主機(jī)胎架試驗(yàn)不同的洗滌塔對(duì)柴油機(jī)排氣背壓及柴油機(jī)胎架試驗(yàn)影響不同。增加脫硫裝置后會(huì)使排氣管總背壓超過350mmWC，主機(jī)的油耗增加1g/kWh。對(duì)于直列式（IN-LINE）脫硫塔，排氣總背壓=管子阻力+廢氣鍋爐背壓+洗滌塔背壓。排氣總背壓最好控制在350mmWC內(nèi)，當(dāng)超過350mmWC則需通知主機(jī)廠家，同時(shí)與主機(jī)廠家討論如何做胎架試驗(yàn)，如何申請(qǐng)EIAPP證書。對(duì)于文丘里式（U-Type）脫硫塔，分兩種計(jì)算形式：廢氣不經(jīng)過脫硫塔：排氣總背壓=管子阻力+廢氣鍋爐背壓廢氣經(jīng)過脫硫塔：排氣總背壓=管子阻力+廢氣鍋爐背壓+洗滌塔背壓這種形式柴油機(jī)胎架試驗(yàn)按廢氣不經(jīng)過脫硫塔方式做，但最好需提前通報(bào)船東。4、設(shè)備安裝空間脫硫系統(tǒng)除了脫硫塔外，其它的設(shè)備如循環(huán)柜、脫硫海水泵、板冷、脫硫冷卻水泵以及水處理單元等都是很占空間的大體積設(shè)備，在初期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮這些設(shè)備的安裝空間。需格外關(guān)注以下問題：脫硫塔的尺寸較大，直徑可達(dá)3米，長10~15米。機(jī)艙棚的空間需考慮，尤其是文丘里式（U-Type）形式占用空間更大。循環(huán)水柜或中轉(zhuǎn)貯存柜占用空間大，此柜子正常為10~20m3,另有緩沖柜5~10m3。脫硫海水泵及冷卻水泵數(shù)量多，體積大，同樣需要考慮布置空間及位置。如果泵布置在下平臺(tái)等較高位置，需考慮泵的進(jìn)水口及進(jìn)水管的最高點(diǎn)都應(yīng)在船舶正常運(yùn)營的最小水線下方。5、堿艙（NaOH艙）的布置及系統(tǒng)要求堿艙加注管、輸出管、透氣及測(cè)深管等都為SS316L，管子外縛電伴熱和絕緣；堿艙結(jié)構(gòu)可為鋼質(zhì)壁帶油漆特涂，也可以為全部SS316L，艙四周不應(yīng)與水/油艙接觸，艙四周包絕緣及艙本身帶加熱系統(tǒng)；堿艙的加熱可以為電加熱或熱水二次加熱，帶相關(guān)的溫度控制器或溫控閥等；堿艙四周要有水盤，水盤帶泄漏報(bào)警裝置及泄放閥；NaOH溶液的加注要有專用加注工藝，配專門的防護(hù)服，附近應(yīng)有洗眼裝置和淋浴裝置;NaOH艙應(yīng)有專用的發(fā)光銘牌，廠家應(yīng)提供材料安全參數(shù)表MSDS（MaterialSafetyDataSheet）給船廠，此材料安全表應(yīng)包括NaOH在船上儲(chǔ)存及操作要求說明。4.3電氣專業(yè)的設(shè)計(jì)影響脫硫系統(tǒng)電氣控制箱較多較大，需考慮布置空間。電力負(fù)荷增加較多，此船脫硫裝置總電力負(fù)荷為323kW，電力負(fù)荷計(jì)算需重點(diǎn)關(guān)注，配電、負(fù)荷加載及通風(fēng)散熱等都要相應(yīng)考慮。脫硫裝置的很多泵為變頻泵，需關(guān)注變頻器的應(yīng)用及諧波問題，還有光纖電纜等。另外還需關(guān)注電氣自動(dòng)化接口及VDR。4.4涂裝專業(yè)的影響脫硫系統(tǒng)介質(zhì)為酸堿溶液，如PH3-9.5，所以結(jié)構(gòu)艙室需要特涂油漆；出舷短管內(nèi)部需特涂；廢水排舷區(qū)域外板需要特涂，如在外板出舷口直徑4米區(qū)域內(nèi)做特涂油漆。4.5其它方面的影響空船重量及重心；電氣控制箱功率如大于20kW需要布置一只干粉滅火器，6700PCTC項(xiàng)目增加了2個(gè)干粉滅火器分別用于脫硫海水泵和冷卻水泵控制箱；NaOH系統(tǒng)專用的發(fā)光銘牌；5脫硫系統(tǒng)試驗(yàn)6700PCTC脫硫裝置的試驗(yàn)，由廠家提供相關(guān)試驗(yàn)程序，船廠修改完善。廠家提供相關(guān)的試驗(yàn)工具及用品，如藥劑，驗(yàn)證氣體，儀器校正證書。此船總服務(wù)時(shí)間為48天人次，每天工作10小時(shí)（含中午時(shí)間）。船廠自查階段很重要，設(shè)備完善好才能為后面服務(wù)調(diào)試節(jié)省時(shí)間。碼頭動(dòng)車主機(jī)可用柴油，系統(tǒng)水最好用淡水，江水臟易堵塞噴頭。海試證書試驗(yàn)廠家主導(dǎo)，船廠配合，船級(jí)社及掛旗國檢驗(yàn)人員的邀請(qǐng)由設(shè)備廠家發(fā)出，海試前關(guān)于脫硫裝置的四方會(huì)議要召開。MARPOL證書試驗(yàn)程序由設(shè)備廠家送審船級(jí)社。脫硫裝置海試試驗(yàn)應(yīng)注意以下問題：試驗(yàn)用燃油硫含量問題：船級(jí)社要求硫含量盡可能接近船舶允許使用的最大硫含量油，6700PCTC船燃油硫含量最大為3%。船廠燃油加注前關(guān)于燃油中硫含量需與供應(yīng)商確認(rèn)。試驗(yàn)至少準(zhǔn)備7個(gè)1L塑料瓶用于廢水和燃油的取樣。提供所加燃油的油品報(bào)告（最好英文版或中英文）。設(shè)備廠家提供船級(jí)社蓋章的MARPOL證書試驗(yàn)程序。試驗(yàn)前關(guān)于開式和閉式主機(jī)負(fù)荷要與船級(jí)社及船東確認(rèn)。6700PCTC開式為主機(jī)90%MCR，閉式為85%MCR。試驗(yàn)報(bào)告由設(shè)備廠家整理，下船前四方簽字完。試驗(yàn)中的廢水和油需取樣，試航后由廠家負(fù)責(zé)帶走化驗(yàn)。因6700PCTC掛旗國意大利屬歐盟，所以脫硫系統(tǒng)海試后需取得的證書有兩個(gè)船級(jí)社頒發(fā)的MED（ModuleG）證書、含脫硫系統(tǒng)在內(nèi)的全船IAPP證書。結(jié)語目前，本項(xiàng)目已順利交付給船東運(yùn)營，國內(nèi)大部分船廠還未