某600FEU集装箱船混合式废气脱硫系统存在的问题及解决办法

李家院 朱强强 谢勰 连晓东 石保国

摘    要：某600FEU集装箱船采用了混合式废气脱硫系统，在设备、管路布置设计过程中发生了一些问题，其中部分问题具有典型性。为减少同类产品设计差错，作者针对这些典型问题进行了分析总结，并提出解决办法，供相关人员参考。

关键词：脱硫系统;设备;管路;典型问题

中图分类号：U677.2                              文献标识码：A

Abstract： A 600FEU container vessel adopts a hybrid exhaust gas scrubber system， and some problems occur in the design process of equipment and pipeline layout， some of which are typical. In order to reduce the design errors of similar products， this paper analyzes and summarizes these typical problems for reference and discussion.

Key words： SOX Scrubber system; Equipment; Piping; Typical problems

1     前言

随着各国对硫化物排放要求日益提高，IMO规定：从2012年起，船舶使用燃油的含硫量由原来的4.5%降低到3.5%，2020年后将降低到0.5%;从2015年1月1日起，在四大排放控制区实施燃油0.1%硫含量限制，包括：夏威夷群岛、北美洲东西海岸、美国加勒比海、欧洲北海、波罗的海地区的ECA区域;对使用超过含硫量标准的燃油，应装设废气脱硫装置。

为此，新建的国际航线船舶可根据自身航行海域配置符合要求的废气脱硫系统，或使用含硫量不超过0.1%或0.5%燃油;欧盟和新加坡法规还规定，对于安装开式废气脱硫系统的船舶，在进入规定的水域之前应及时转换为符合规定的燃油，并停止废气脱硫系统;而安装混合式废气脱硫系统的船舶，在进入规定的水域之前应及时转换到闭式模式运行。

由于目前低硫油价格昂贵，本船选择安装废气脱硫系统来满足IMO排放标准。

2     系统组成和工作原理

2.1   系统组成

本船选用德国某公司钠碱法混合式废气脱硫系统，如图1所示。

该系统包含的主要设备有：脱硫塔（1）;洗涤海水兼冷却海水泵（2）;淡水泵（3）;预处理闭式循环泵（4）;闭式循环泵（5）;碱液供给泵（6）;洗涤水处理装置（7）;废液排放泵（8）;闭式循环冷却器（9）;洗涤水监测单元（10）;烟气监测单元（11）。

除了上述设备，系统还包括：碱液舱（12）;过程舱（13）;废液存放舱（14）。此外，还有洗涤水管路、碱液管路、排烟管路、阀门、附件、仪表、电缆和控制中心等。

2.2   工作原理

2.2.1 开式模式

当船舶位于排放控制区以外时，可使用开式模式：主机/辅机/锅炉燃油侧的烟气进入脱硫塔;海水泵将海水注入脱硫塔内对烟气冲喷，通过海水自带的碱性去除烟气的硫份，使烟气含硫量不高于0.5%;洗涤水直接排放至舷外，洗涤水的排放指标应满足IMO相关要求。

2.2.2 闭式模式

当船舶位于排放控制区（ECA）时，在船舶进入排放控制区之前将废气脱硫系统由开式模式切换到闭式模式形成闭式回路，闭式循环泵、碱液供给泵、废液处理单元、冷却器和淡水泵等设备投入运行：海水泵的作用是将向脱硫塔提供洗涤海水变为向冷却器提供冷却海水，冷却后的海水直接排至舷外;由于冷却器可能泄漏，需持续监测排放至舷外的海水，其排放指标应满足IMO相关要求;主机/辅机/锅炉燃油侧的烟气进入脱硫塔，洗涤水回流至过程舱，闭式循环泵将加注了碱液的洗涤水循环注入脱硫塔内对烟气冲喷，去除烟气的硫化物;与此同时，洗涤水处理装置（如图2所示）对洗涤水进行循环处理，排放有害的干渣并把干渣用专用容器收集;处理后合格的洗涤水回流至过程舱，不合格的水储存在废舱存放舱;洗涤过程中将不断消耗碱液和洗涤水，碱液由碱液供给泵补充，洗涤水由淡水泵补充。

3    存在的问题及解决办法

3.1   管路沿程阻力问题

3.1.1海水泵至脱硫塔洗涤水管布置

本船的混合式廢气脱硫系统设备和管路布置，如图3所示：海水泵位于低点（机舱底）、脱硫塔位于高点，海水泵的吸水点到脱硫塔的接口之间垂直高差约40 m，水泵的总扬程约为0.6 MPa，脱硫塔需要的最小冲喷压力约为0.12 MPa，生产设计时需对其压力取值进行核算。

海水泵的扬程包括三部分：垂直高差+脱硫塔冲喷压力+管路水头损失，即：

P=k（∑Pf+∑Pp）+0.01H+P0                                  （1）

式中：P—水泵总扬程（MPa）;

k（∑Pf+∑Pp）—管路沿程水头损失和局部水头损失（MPa）;

H—吸水点到脱硫塔接口之间的垂直高差（m）;

P0—脱硫塔需要的最小冲喷压力（MPa）。

管路沿程水头损失和局部水头损失最大允许值为：

k（∑Pf+∑Pp）=P-0.01H-P0=0.08 Mpa              （2）

如果管路水头损失超标，会导致废气脱硫系统工作时塔内冲喷压力不足，直接影响脱硫效果，可能无法满足排放指标。

在管路实际布置过程中，由于未考虑到该因素，存在较多直角弯，引起阻力过大，需加以改进。为此，将直角弯改为两个45°弯，以减少沿程损失。优化前后的情况，如图4所示。

3.1.2脱硫塔洗涤水排放管布置

不论是开式还是闭式模式，本船需要的洗涤水量都比较大，工作流量约为740 m3/h。洗涤水应及时从塔内排到舷外或者回流到过程舱，排舷外或者回流的洗涤水都依靠重力势能流动，如果管路阻力较大将导致排放水流速过低，使塔内的水不能及时排出，造成塔内水位超标可能倒灌到排烟管，对主机、辅机或锅炉造成损毁。

在保证空间够用和经济可行的前提下，本船设计的各排出管管径总和为DN450，根据

v=10 000 Q/（9πd2）                                                   （3）

式中：v—管内洗涤水的排放流速（m/s）;

Q—脱硫塔洗涤水工作流量（m3/h）;

d—管子内径（mm）。

为保证塔内不积水，管内洗涤水的最低工作排放流速为：

Vmax= 10 000 Q/（9πd2）=1.31 m/s                          （4）

考虑到其它因素影响，最低设计排放流速取1.1倍，即1.44 m/s。

为保证洗涤水的排放速度，在布置脱硫塔排出管时应保证其顺畅。设计中出现较多问题的原因是管路直角弯较多，需优化设计。优化前后的效果，如图5所示。

另外，对于水平管段，应保证足够的斜度，一般不小于5‰。

3.1.3 排烟管布置

烟气出口需要克服的排气阻力主要来自排烟管、锅炉、消音器和洗硫塔：

P总=P1+P2+P3+P4                                                      （5）

式中：P总—主机或辅机烟气出口需要克服的全部排气阻力;

P1—排烟管的排气阻力;

P2—锅炉的排气阻力;

P3—消音器的排气阻力;

P4—脱硫塔的排气阻力;

主机厂允许的主机排烟口的最大排气阻力为600 mmH2O、锅炉为90 mmH2O、消音器的最大排气阻力为110 mmH2O、脱硫塔为150 mmH2O，即

P总=P1+P2+P3+P4= P1+350≤600 mmH2O        （6）

理论上排烟管的排气阻力P1应不大于250 mmH2O，考虑到实际误差，再预留50 mmH2O余量，故排烟管的排气阻力以不大于200 mmH2O为宜;由于排烟管的走向很难做到横平竖直，受空间限制不可避免会有多处立体弯位，因此要减小排气阻力，一方面需加大管子的通径，另一方面管子的走向需流畅。但管子的通径也受限制，所以一般都是根据流速、空间和设备接口规格选定一个适合值，并经阻力核算合格。

部分排烟管也经过反复的调整和优化，使管路走向更顺畅，其改进方案如图6所示。

3.1.4 碱液管布置

废气脱硫系统常用的碱液为NaOH溶液，其结晶温度在常用浓度时一般不超过10 ℃。当NaOH溶液结晶后会堵塞管路和设备，造成系统无法正常工作。因此，一方面做要做好管路和设备的保温，另外要做好管路的泄放和冲洗，在每次使用后将管路或设备内残留的NaOH溶液泄放并用淡水冲洗干净。为此，在管路的两端设置泄放阀和冲洗接口;NaOH溶液从甲板岸站注入至碱液舱，在废气脱硫系统闭式模式下，系统会根据洗涤水流量自动控制碱液泵将NaOH溶液按所需用量加注到过程舱;此外，管路布置还应保证一定斜度，以不小于5‰为宜，管路不应有高低起伏和沉水弯。本船优化后的NaOH溶液管路布置图，如图7所示。

3.2   设备布置问题

3.2.1设备模块

对于混合式废气脱硫系统，除开式处理模式外，还应有闭式处理模式，该模式需配置洗涤水处理装置。为达到处理效果，洗涤水需要经过一系列流程的物理或化学处理，因此洗涤水处理装置包括多个设备模块：1套输送泵模块、2套加药模块、1套过滤模块、1套浓缩罐模块、1套脱水模块、1套脱水收集罐模块等7个模块。根据厂家的系统原理圖，上述7个装置的工作流程如图8所示。

在布置洗滌水处理装置时，由于前期预留空间不足，导致后期收到厂家资料后无法按工作流程将7个洗涤水处理装置按序集中布置在一处，如图9所示。洗涤水装置模块布置的较为分散，需要布置更长的管子和电缆，增加了建造成本，维护管理不方便。

在同类产品的设计中，应预先要求脱硫设备厂家提供洗涤水处理装置的参考图纸或产品模型，并按其预留足够的布置空间，避免出现后期空间不足设备无法集中布置的问题。

3.2.2脱硫塔

脱硫塔的尺寸和重量较大，一般在高度方向跨越3～5层甲板。在布置脱硫塔时，应综合考虑设备与结构的干涉、设备的操作和检修空间、上建的重心和稳性、脱硫塔自身的固定方式、甲板的承重能力和脱硫塔设备接口的安装可行性等因素。

本船在布置脱硫塔时，由于轮机专业和船体专业缺乏足够的横向沟通，导致轮机专业设计的设备定位与船体专业设计的基座高度不一致。轮机专业设计的出发点是避免设备与结构干涉，保证设备的操作和检修，实现各个横向支撑的固定，而船体专业设计的出发点是以甲板面作为设备安装基座，以降低船体结构的复杂性，提高结构承重能力，同时设备重心相对较低，有利于改善稳性。后经过协调，在原设计基础上适当降低脱硫塔的高度，在保证设备安装、维护方便的前提下，尽量减少船体结构的复杂性，并满足甲板载荷、重心和稳性等要求。修改前后的脱硫塔布置图，如图10所示。

4     结论和建议

废气脱硫系统是一种新型的环保设备，随着新规则的生效，在低硫油价格高昂的情况下，越来越多的船舶选择安装该装置。根据该型船的施工经验，需注意以下问题：

（1）洗涤水管路和排放水管路应布置顺畅，尽量减少管路小角度弯头，并核算管路压力损失和管内流速;

（2）排烟管应布置顺畅，并核算其排气阻力，应满足设备要求的最大允许排气背压要求;

（3）碱液管应向下倾斜，避免高低起伏和沉水弯，并设置泄放阀和冲洗接口;

（4）应预先考虑洗涤水处理装置各设备有足够的布置空间，尽量根据工作流程按序布置，以减少管路和电缆长度;

（5）设备定位位置应由各专业讨论决定，充分考虑结构受力、设备的操作和检修空间、船舶重心和稳性要求、脱硫塔安装固定要求和脱硫塔设备接口的安装可行性等因素。

不同生产厂家的配置情况、工作原理和技术参数都不尽相同，需在设计过程中根据具体情况灵活处理。希望本文能抛砖引玉，供同行共同探讨，以提高设计质量。

参考文献

[1]船舶设计实用手册（轮机分册）[M]. 北京：国防工业出版社，2002.