船舶廢氣清洗系統(tǒng)SCHEME A方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證研究

吳培莉 李世用 李 斌 鄒 淼 曲秀萍

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司 大連116021）

引 言

為了降低船舶尾氣造成的環(huán)境污染，MARPOL 73/78 ANNEX VI 的修正案規(guī)定：2020年1月1日后，全球船舶燃油含硫量應(yīng)低于0.5% m/m；但是在排放控制區(qū)，2015年1月1日后，含硫量應(yīng)低于0.1% m/m，或采取等效替代措施［1］。廢氣清洗系統(tǒng)（后文簡(jiǎn)稱EGC系統(tǒng)）被證明是一種滿足限硫規(guī)定的有效替代方法，所以越來(lái)越多的船舶加裝EGC系統(tǒng)以減少船舶尾氣硫化物的排放［2］。

根據(jù)MEPC.259（68）號(hào)決議“廢氣清洗系統(tǒng)2015導(dǎo)則”，對(duì)EGC系統(tǒng)試驗(yàn)、檢驗(yàn)發(fā)證和排放符合性驗(yàn)證方法有2種方案，SCHEME A和SCHEME B。SCHEME A系指通過臺(tái)架試驗(yàn)和參數(shù)檢查，證明廢氣清洗（EGC）系統(tǒng)排放符合性的一種檢驗(yàn)和發(fā)證方法；而實(shí)際上，由于廠家工廠內(nèi)很難有匹配的燃油燃燒裝置，故相應(yīng)臺(tái)架試驗(yàn)內(nèi)容通常在船廠的系列船首制船上進(jìn)行。SCHEME B系指通過對(duì)廢氣中硫氧化物排放進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，證明EGC系統(tǒng)排放符合性的一種檢驗(yàn)方法。該方法為安裝經(jīng)船級(jí)社認(rèn)可的連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，驗(yàn)證在EGC系統(tǒng)工作時(shí)，其排放滿足核準(zhǔn)值要求。由于SCHEME A類似產(chǎn)品的型式認(rèn)可試驗(yàn)，需測(cè)試出主要工作參數(shù)的邊界條件，要求嚴(yán)格，所以大部分EGC系統(tǒng)采用SCHEME B認(rèn)證方案。

對(duì)于同等設(shè)計(jì)的船舶，若某船已經(jīng)過SCHEME A認(rèn)證，后續(xù)船可免于取證。船東從系列船改造考慮，且SCHEME A方案不需要經(jīng)過連續(xù)監(jiān)測(cè)即可獲得認(rèn)證，降低了船東的管理成本及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。本文以某型采取SCHEME A認(rèn)證方案的船為研究目標(biāo)，開展了與船廠相關(guān)的EGC系統(tǒng)的SCHEME A認(rèn)證方案研究。目標(biāo)船入CCS船級(jí)社，掛香港旗，EGC系統(tǒng)為開式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)接入設(shè)備含1臺(tái)推進(jìn)用二沖程低速柴油機(jī)和3臺(tái)四沖程柴油發(fā)電機(jī)組。

1 SCHEME A認(rèn)證方案要求

1.1 EGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)EGC系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，采用U型洗滌塔，設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等效硫含量為0.1% m/m燃油的排放，海水泵設(shè)計(jì)為2用1備。該系統(tǒng)主要工作原理為：在排放控制區(qū)時(shí)，煙氣進(jìn)入脫硫洗滌塔進(jìn)行處理。脫硫海水泵直接將海水輸送至洗滌塔，洗滌煙氣，洗滌后的海水直接排舷。系統(tǒng)中設(shè)煙氣分析儀和水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元，以監(jiān)測(cè)煙氣和海水的排放，詳見圖1。

圖1 EGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

該船接入EGC系統(tǒng)的燃燒設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 某船燃燒設(shè)備參數(shù)

1.2 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)CCS要求，對(duì)于采用方案A的EGC系統(tǒng)（接1臺(tái)或多臺(tái)燃油燃燒裝置），應(yīng)能確保在各燃油燃燒裝置最大負(fù)荷下的煙氣處理能力［3］，也就是按照航行、裝卸貨、操縱等工況下燃油燃燒裝置的最大運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本船EGC系統(tǒng)最大工況是1臺(tái)主機(jī)100%負(fù)荷+1臺(tái)發(fā)電機(jī)100%負(fù)荷（電力負(fù)荷計(jì)算書確定），考慮5%煙氣的偏差，最大煙氣量為57.62 kg/s。選用W?rtsil?脫硫洗滌塔，處理煙氣量能力為59.10 kg/s，設(shè)計(jì)能力滿足系統(tǒng)需求。

按照接入的燃燒裝置，試驗(yàn)要求：

（1）燃油要求

根據(jù)MEPC.259（68）號(hào)決議要求，可以使用制造廠所指定的最大含硫量的燃油進(jìn)行試驗(yàn)，或使用含硫量更低的2種燃油進(jìn)行試驗(yàn)。所選用的2種燃油應(yīng)當(dāng)具有足夠不同的含硫量以表現(xiàn)出EGC設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，并要表現(xiàn)出：該EGC設(shè)備在使用制造廠所標(biāo)定的最大含硫量燃油時(shí)能夠滿足“認(rèn)證的數(shù)值”。經(jīng)過檢驗(yàn)，本船加注的燃油含硫量為3.3% m/m，經(jīng)船級(jí)社和廠家認(rèn)可，可以采用該種燃油進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)要求

根據(jù)MEPC.259（68）號(hào)決議要求，為了體現(xiàn)出設(shè)備的性能，至少要測(cè)量4個(gè)負(fù)荷點(diǎn)［4］：1個(gè)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)當(dāng)處在最大廢氣質(zhì)量流量的95%～100%；第2個(gè)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是最小廢氣質(zhì)量流量的±5%；另2個(gè)負(fù)荷點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是處在最大和最小廢氣質(zhì)量流量之間間距相等的位置。此外，還需驗(yàn)證當(dāng)最小的內(nèi)燃機(jī)設(shè)備處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，在標(biāo)準(zhǔn)O2濃度時(shí)，SO2的排放濃度應(yīng)當(dāng)不超過50 ppm。

避開主機(jī)轉(zhuǎn)速禁區(qū)，并盡可能簡(jiǎn)化測(cè)量過程，經(jīng)船級(jí)社和廠家認(rèn)可，擬采用表2方案進(jìn)行測(cè)試。由于洗滌塔廠家的容量是分檔選型的，實(shí)際洗滌塔的能力已超過設(shè)計(jì)要求。所以1臺(tái)主機(jī)+1臺(tái)發(fā)電機(jī)的廢氣質(zhì)量流量滿足不了最大測(cè)量點(diǎn)的要求，需要接入2臺(tái)發(fā)電機(jī)。

表2 試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)

1.3 達(dá)標(biāo)要求

（1）廢氣排放限值

燃油含硫量0.50% m/m：排放比率SO2（ppm）/CO2（%v/v）限值為21.7；

燃油含硫量0.10% m/m：排放比率SO2（ppm）/CO2（%v/v）限值為4.3；

（2）洗滌水排放標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)MEPC.259（68）號(hào)決議要求，洗滌水需要滿足pH、 PAH、 渾濁度、 硝酸鹽含量等參數(shù)的限值，具體如下頁(yè)表3。標(biāo)準(zhǔn)以洗滌排放水48.9 t/MWh為基準(zhǔn)。除硝酸鹽需要實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)外，其余參數(shù)通過系統(tǒng)配備的監(jiān)控系統(tǒng)讀取數(shù)值。

該排放標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)規(guī)范，按照洗滌水排量的不同差值而來(lái)。其中的pH，當(dāng)船舶處于靜止?fàn)顟B(tài)下，距離舷外排放點(diǎn)4 m遠(yuǎn)的處舷外監(jiān)測(cè)位置的pH排放限值最小為6.5。舷外排放的pH限值可以由直接的測(cè)量方式來(lái)確定，也可使用計(jì)算方法確定。由于直接測(cè)量困難，根據(jù)規(guī)范要求，可采用經(jīng)過認(rèn)證的計(jì)算方法確定排放pH限值，達(dá)標(biāo)要求為排舷處pH大于2.7。

表3 洗滌水排放標(biāo)準(zhǔn)

2 SCHEME A方案實(shí)船認(rèn)證

對(duì)SCHEME A方案進(jìn)行實(shí)船認(rèn)證，測(cè)量?jī)x表需要進(jìn)行校驗(yàn)后才能進(jìn)行試驗(yàn)，除需要認(rèn)證廢氣排放和洗滌水排放是否符合標(biāo)準(zhǔn)外，根據(jù)規(guī)范要求，還需要進(jìn)行煙氣流量測(cè)量和邊界條件確認(rèn)，主要包括變頻海水泵的流量-負(fù)荷曲線驗(yàn)證。

2.1 煙氣流量測(cè)量

根據(jù)MEPC.259（68）號(hào)決議要求，排放試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)遵從“NOx排放的2008技術(shù)法案”第5章和相關(guān)的附錄內(nèi)容，所以試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)煙氣流量進(jìn)行測(cè)量，采用最為成熟的碳平衡法進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。碳平衡法所遵循的原理是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒前后碳原子守恒，即柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒前后的燃油和空氣中碳原子總量與燃燒后排氣中碳原子總量相等。碳平衡法是根據(jù)燃料消耗量、燃料成分和排氣各組分濃度來(lái)計(jì)算排氣質(zhì)量流量。［5］

柴油機(jī)廢氣質(zhì)量流量計(jì)算公式見式（1），排氣干/濕修正系數(shù)，見式（2）。

式中：qmew為濕基廢氣質(zhì)量流量，kg /h；qmf為燃油質(zhì)量流量，kg /h；WBET為燃油的碳含量，%m/m；WALF為燃油的氫含量，%m/m；Ha為吸入空氣的絕對(duì)濕度（水/干空氣），g/kg；fc為碳系數(shù)；ffd為干基廢氣流量計(jì)算的燃料特定系數(shù)；kwr2為干濕修正系數(shù)； 為干基CO2濃度，ppm/%；ccod為干基CO濃度，ppm/%； 為干基氫氣濃度，ppm/%；Pr為冷卻后的水汽壓力，kPa；Pb為大氣總壓力，kPa；kw2為吸入空氣中水蒸氣的體積流量與濕進(jìn)氣的體積流量的比值。

煙氣流量計(jì)算所需測(cè)量參數(shù)及測(cè)試方法見下頁(yè)表4。

表4 煙氣流量計(jì)算所需測(cè)量參數(shù)及測(cè)試方法

2.2 海水泵流量控制

EGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)3×50% 海水泵，容量為750 m3/h×75 m，離心泵。海水泵采用變頻控制，海水量由流量-負(fù)荷曲線控制。

按照廠家標(biāo)準(zhǔn)，首先初步估算流量：

海水流量= max（45m3/ MWh×洗滌塔負(fù)荷×A，750 m3/h）；其中A為流量系數(shù)，與洗滌海水溫度及堿度相關(guān)，取0.8～1.1。

設(shè)計(jì)建立海水流量-負(fù)荷曲線，見圖2。在航海試驗(yàn)時(shí)，在各個(gè)負(fù)荷下，對(duì)最低海水量進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)海水泵的流量設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)需求。

圖2 海水流量-負(fù)荷曲線

3 測(cè)量及結(jié)果

（1）試驗(yàn)環(huán)境條件的測(cè)量：測(cè)量試驗(yàn)環(huán)境條件，主要包括環(huán)境溫度Ta、大氣總壓力Pb和吸入空氣的相對(duì)濕度Ra，并計(jì)算試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)fa，確認(rèn)0.93＜fa＜ 1.07。［4］

（2）柴油機(jī)工況穩(wěn)定后，保持穩(wěn)定工況30 min，進(jìn)行煙氣量測(cè)量（主機(jī)和發(fā)電柴油機(jī)的燃油消耗量、CO2、CO和CH的測(cè)量）。主機(jī)和發(fā)電柴油機(jī)排氣濃度測(cè)量的取樣探頭應(yīng)分別安裝在主機(jī)排煙管和發(fā)電柴油機(jī)排煙管上，并分別需要安裝2個(gè)取樣探頭（如圖3所示）。

圖3 探頭安裝位置示意

分別用于測(cè)量排煙中的CO2濃度及CO、CH濃度。測(cè)量時(shí)，不同排煙管可使用一套儀器，采用轉(zhuǎn)換閥轉(zhuǎn)換進(jìn)行測(cè)量。煙氣的相關(guān)參數(shù)測(cè)取3次，計(jì)入記錄表格中，測(cè)量數(shù)據(jù)如下頁(yè)表5。

表5 煙氣排放測(cè)量數(shù)據(jù)

結(jié)果反饋，洗滌塔試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)滿足船級(jí)社及規(guī)范要求。

（3）最后再進(jìn)行MARPOL試驗(yàn)中要求的排煙參數(shù)認(rèn)證、洗滌水參數(shù)認(rèn)證。經(jīng)檢驗(yàn)，廢氣排放限值滿足規(guī)范要求，洗滌水排放符合表3的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

某船EGC系統(tǒng)采用SCHEME A 方案進(jìn)行設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，實(shí)船測(cè)量了煙氣流量并進(jìn)行邊界條件的確認(rèn)，設(shè)計(jì)及試驗(yàn)滿足規(guī)范及船級(jí)社要求，可實(shí)現(xiàn)等效硫含量為0.1% m/m燃油的排放目標(biāo)。該型EGC系統(tǒng)可用于同等設(shè)計(jì)的船舶上，而不需對(duì)EGC系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。