大型箱船加裝廢氣脫硫系統(tǒng)設計研究

周卓亮 任奕舟

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

MARPOL 公約對船舶硫排放控制第三階段要求：在2020 年1 月1 日后全球范圍內，船舶的SOX排放等效燃油含硫量降低到0.5%；在排放控制區(qū)域內，必須低于0.1%。IMO 組織、柴油機廠商、油料供應商、尾氣后處理設備商隨之紛紛提出自己的解決方案，歸納起來有以下幾種：

（1）使用符合公約要求的低硫燃油；

（2）使用LNG 等氣體燃料；

（3）加裝尾氣后處理設備。

目前，三大集裝箱班輪公司給出不同的選擇傾向：馬士基支持使用滿足公約要求的低硫燃油；達飛選擇嘗試使用LNG 燃料； 地中海航運決定使用脫硫塔系統(tǒng)。究竟哪一種解決方案才是最佳方案，尚待時間的檢驗。

綜合分析目前幾種SOX排放控制措施，對于大型箱船各有利弊（參見下頁表1）。使用低硫燃料是從源頭上解決船舶排氣中SOX含量超標的根本措施，但從長遠看，船舶運營成本壓力較大，并且近期還發(fā)生了使用低硫燃油引起柴油機故障的事件；LNG 燃料方案對船舶設備和供氣系統(tǒng)的技術要求高、投入成本大，且LNG 供應渠道不成熟，短時間內較難形成規(guī)模；而廢氣清洗系統(tǒng)因其可實施性好、運營成本低的特點，在現階段成為船舶硫排放控制的主流措施之一。

以亞歐航線主力大型集裝箱船型為研究對象，可發(fā)現大型箱船有一個共同特點：主機裝機功率大（40 000～70 000 kW）、油耗高。若2020 年以后大型箱船可繼續(xù)使用廉價的高硫重油，則收回加裝廢氣清洗系統(tǒng)成本的周期會較短（2～3 年收回成本）。這也是為營運船舶加裝脫硫塔系統(tǒng)的主要原因。

表1 SOX排放控制解決方案對船舶影響的比較

1 船用脫硫系統(tǒng)工作原理

目前市場上，主流設備廠商提供的船用廢氣清洗系統(tǒng)（EGCS）多屬于濕式脫硫系統(tǒng)。

濕式脫硫系統(tǒng)的工作原理是基于硫氧化物（SOX）可溶于水這一特性發(fā)展而來的。在脫硫塔內，向柴油機等設備排出的尾氣噴入堿性溶液，硫氧化物會溶解于洗滌水中，從而清除了排向大氣的硫氧化物。洗滌水中的弱堿性中和了溶解的硫氧化物，降低了排向大海的洗滌水污染環(huán)境的擔憂。

清洗柴油機廢氣的化學反應方程式：

S + O2→ SO2（～95%）

SO2+ 1/2 O2→ SO3（～5%）

硫氧化物（SOX）洗滌化學反應方程式：

SO2+ H2O → H2SO3（亞硫酸）

SO3+ H2O → H2SO4（硫酸）

硫氧化物（SOX）脫硫塔內化學反應方程式：

CaCO3+ H2SO3→ CaSO3+ H2O + CO2

2CaCO3+ O2→ 2CaSO4（硫酸鈣）

根據系統(tǒng)工作模式區(qū)分，常見的廢氣清洗系統(tǒng)有以下三種：

（1）開式系統(tǒng) （海水清洗廢氣）

僅利用海水的堿性中和廢氣中的硫氧化物。清洗后的廢水不經處理，直接排入海中。

（2）閉式系統(tǒng)（堿液洗滌廢氣）

利用添加在系統(tǒng)中的堿性物質（如：NaOH 等）與廢氣中的硫氧化物反應。清洗產生的廢液經處理后儲存在船上或排入大海。

（3）混合式系統(tǒng)

這種混合式廢氣清洗系統(tǒng)綜合了開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的優(yōu)點，可根據不同海域的需求，選擇使用相應的一種工作模式。顯而易見，混合式系統(tǒng)具有更廣的適用性，越來越受到船東的青睞。

雖然，這三種廢氣清洗系統(tǒng)各有用途，但是，多數情況下，開式或混合式廢氣清洗系統(tǒng)就可以滿足船東的用船需求?；谶@兩種系統(tǒng)，采用的船舶廢氣脫硫系統(tǒng)設計方案比較參見表2。

表2 廢氣清洗系統(tǒng)設計方案比較

圖 1 開式廢氣清洗系統(tǒng)原理圖

圖 2 混合式廢氣清洗系統(tǒng)原理圖

2 脫硫塔系統(tǒng)組成

開式系統(tǒng)工作流程為：由海水升壓泵于海底門或海水總管上取海水，直接送至洗滌塔進行吸收反應，反應后的廢水經處理單元處理后直接排出舷外，或由處理單元處理后排出舷外。開式系統(tǒng)主要包含洗滌塔、海水泵以及控制與檢測系統(tǒng)等設備。

閉式系統(tǒng)工作流程為：循環(huán)柜內的堿水由增壓泵送至洗滌塔進行吸收反應，反應后的廢水流回循環(huán)柜；運行一定時間后，循環(huán)柜內堿水PH 值會降低，此時由處理單元處理后排出舷外，再由加藥單元將高濃度堿液注入循環(huán)柜，完成混合。

混合式廢氣洗滌脫硫系統(tǒng)主要包含以下設備：洗滌塔、循環(huán)柜、處理單元、控制與檢測系統(tǒng)，以及各類泵及儲存柜等。

3 船用脫硫塔選型

船用脫硫系統(tǒng)的塔型主要分為U 型塔和I 型塔兩種，典型外形如圖1 所示 。兩類塔型均可運用在開式和混合式脫硫系統(tǒng)中。兩種塔型在布置上的主要區(qū)別見表3。 不同船型應根據實船情況選擇相應的脫硫塔。

表3 脫硫塔布置方案比較

圖3 U 型塔

圖 4 I 型塔

4 加裝脫硫塔系統(tǒng)設計需要考慮的若干問題

4.1 煙囪形狀的設計

4.1.1 煙囪加高的影響

加裝脫硫塔后，不論采用U 型塔或者I 型塔，均需要在廢氣鍋爐或者經濟器后的排氣管路上連接脫硫塔，從而導致主機的排氣管路加長引起煙囪加高。原則上盡可能控制煙囪高度不超過雷達桅高度，避免修改原船的凈空高度。一旦煙囪成為全船最高點，則需要校核航行燈和雷達產生盲區(qū)。

4.1.2 煙囪加寬的影響

由于脫硫塔的直徑與脫硫能力有關，脫硫塔的直徑通常都會比較大。 加裝脫硫塔后，煙囪的寬度和厚度都需要增加。對于U 型塔，煙囪的寬度比I型塔增加的更多。

4.1.3 大型箱船煙囪改裝分析

對于大型箱船，比較常見的是雙島設計。煙囪會布置在船的中后部，煙囪前后部均為集裝箱堆放區(qū)。在不影響裝載量的前提下，煙囪厚度可改動的空間不大。

煙囪的兩側通常有大量空間沒有使用，因此在此加裝脫硫塔是一個不錯的選擇。

4.2 設備及艙柜布置

4.2.1 海水泵布置

船用濕式脫硫塔系統(tǒng)均需要使用海水泵向脫硫塔供應海水。為了保證海水泵在各種海況下均可以吸到海水，海水泵需要布置在機艙底層。由于脫硫塔需求的海水量非常大，為了不影響原船已有的海水系統(tǒng)，改裝船會為脫硫塔系統(tǒng)新設一只或兩只專用海水箱。

4.2.2 洗滌水循環(huán)柜布置

不同的設備廠商對于洗滌水循環(huán)柜的命名略有不同（如：precess tank 或wash water tank），但功能類似。洗滌水循環(huán)柜都是在脫硫系統(tǒng)閉式工作時起到以下幾個作用：

（1）洗滌系統(tǒng)水緩沖作用；

（2）藥劑加入系統(tǒng)的途徑；

（3）洗滌水處理單元清理系統(tǒng)水的接口；

（4）閉式系統(tǒng)停用時，系統(tǒng)水儲存功能。

基于以上幾個功能考慮，洗滌水循環(huán)柜布置的位置應盡可能靠近脫硫塔，減少系統(tǒng)水容積，從而減少循環(huán)柜的容積。脫硫塔至洗滌水循環(huán)柜的管路直徑通常較大，布置困難，因此更需要重點考慮循環(huán)柜的位置。

4.2.3 洗滌水泵布置

洗滌水泵布置應主要考慮以下兩點因素：

（1）脫硫塔的洗滌水處理過廢氣后的主要成分是煙灰、顆粒物、藥劑顆粒等容易沉淀的混合液，因此洗滌水泵及相應管路在布置時應充分考慮系統(tǒng)停用時管內沉淀淤積的問題。基于這種考慮，洗滌水循環(huán)泵應盡可能與洗滌水循環(huán)柜布置在同層，且減少吸入管的長度。對于使用不同的藥劑（氫氧化鎂或氫氧化鈉），不同廠商會有明確的設計指導要求。

（2）洗滌水泵的位置應盡可能靠近脫硫塔。洗滌水泵的主要功能是為脫硫塔提供洗滌水，洗滌水泵的位置越高越節(jié)能，有利于減少系統(tǒng)能耗。

4.2.4 藥劑艙布置

對于混合式脫硫系統(tǒng)，藥劑是必不可少的組成部分。不論使用氫氧化鈉或氫氧化鎂作為堿液，化學藥劑均對存儲溫度比較敏感。溫度過低，堿液會產生結晶現象影響使用；溫度過高會影響濃度或板結在艙壁上。因此，儲存艙的位置選擇需要慎重選擇。

4.2.5 藥劑系統(tǒng)設計

堿液作為一種化學藥劑，可能會對人員和設備造成一定危害，屬于危險品，因此在設計時應作特別考慮。

藥劑系統(tǒng)包括堿液的注入、儲存及駁運。需要注意根據柴油機廢氣排放量、船舶航線等因素，計算堿液需求量，確定堿液儲存艙的容積，設置透氣、測深及溢流管路；在主甲板以上設置堿液注入通岸接頭；對于鈉堿法，在儲存柜出口端設置快關閥，以保證緊急情況下立刻切斷管路。儲存柜及加藥泵等周圍需設置擋水圍板及獨立的泄放管路，回收堿液。

對于鎂基藥劑，通常是使用MgO 配置成一定濃度的漿液，需要考慮藥劑配置系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括：配比、攪拌、存儲及供給的獨立單元。這些設備需由專業(yè)廠家提供，才能滿足使用要求。

5 結 語

船舶廢氣脫硫塔系統(tǒng)作為應對國際海事組織對SOX排放控制的一種有效手段，已經成為新造船的基本配置之一。但是，混合式脫硫塔系統(tǒng)較復雜，脫硫塔尺寸較大，需使用化學藥劑，對船舶機艙設計影響大。如何為大型船舶合理安裝脫硫塔系統(tǒng)，目前仍處于探索和嘗試階段。

本文基于近期脫硫塔加裝的工作經驗，提出大型箱船加裝脫硫塔系統(tǒng)的設計思路，供后續(xù)新船型開發(fā)者參考。