新型海船产业环保式限硫装置研究

陈鹏举

（嘉兴南洋职业技术学院，浙江 嘉兴 314031）

0 引言

国际海洋组织“限硫令”强调：在2020年1月1日后全球范围内，船舶的SOX排放等效燃油含硫量降低到0.5%；在排放控制区域内，必须低于0.1%。对此，船舶及相关产业为达成这一要求，提出了低硫燃油投入使用、LNG气体燃料投入使用以及船体加设废气处理装置3种解决措施。

综合上述3种解决方案，每种方案都具有自身的独到之处，但也存在一定使用限制。反观加装环保限硫装置，其投入成本仅限于一次投入，而使用运营成本也相对较为可观，限硫性能也能够满足“限硫令”要求，因此加装环保限硫装置成为船舶产业的主流限硫措施。基于此，本文以加装尾气后处理设备为基点，探讨新型海船产业环保式限硫装置的基本原理及要点内容，以期通过本文研究为船舶产业的持续发展提供多维度助力[1]。

1 新型海船产业环保式限硫装置的技术指标

1.1 限排尾气比值对应燃油硫含量

以碳氢燃料为例，废气中所含有的SO2/CO2与燃油硫含量存在客观比值，具体如表1所示。

表1 船舶限硫装置的尾气排放数值

SO2/CO2 燃油硫含量限值/% 规范43.3 1.0 MARPOL附则VI第14.1.2 21.7 0.5 MARPOL附则VI第14.1.3 4.3 0.1 MARPOL附则VI第14.1.3

1.2 洗涤水的排放标准

根据最新下达的“限硫令”要求，船舶洗涤水排放比值应遵循以下条件：1）以舷外4 m为比值测试界限，排放水酸碱值（pH）数值达到6.5时，可满足限令要求；2）洗涤水连续最大多环芳经（PAH）浓度限制在船舶进口处水质的多环芳烃浓度的50×10-6g/L以内；3）洗涤水处理系统的硝酸盐排放量小于废气中12%氮氧化物（NOX）所对应的硝酸盐量或60×10-3g/L。

2 新型海船产业环保式限硫装置的基本原理

2.1 开式脱硫系统

海水的组成结构中包含了弱酸、弱碱盐类成分，因此海水是中和酸性气体的天然资源。依托海水，进行气体脱硫便是促使海水中所包含弱酸、弱碱盐类物质与烟气中的SO2产生化学中和反应，从而保证烟气排放能够满足“限硫令”的硬性标准。

分析开式脱硫系统的优劣势可以总结为：1）开式脱硫系统的结构组成较为简易，因此在成本方面可以做到较大缩减；2）开式脱硫系统的洗涤液选择源于海水，节省了其他类型洗涤液存储空间单独构造程序。在劣势方面，由于海水水质存在差异性，无法保证各地区海水盐碱度相统一，因此开式脱硫系统在部分海域与港口范围内无法保证正常工作。此外，部分国家由于海洋政策存在要求，对于开式脱硫系统存在禁行令，因此开式脱硫系统的使用局限性同样较为明显。

2.2 闭式脱硫系统

闭式脱硫系统大多采用投放NaOH从而实现与船舶废气产生中和反应。该反应所带来的洗涤废液可经处理进行二次保存。

闭式脱硫系统的优势主要体现在闭式系统能够在全海域通行，不受盐碱度影响。其劣势主要体现在船舶需要额外加设洗涤液存储系统，洗涤液的使用成本与存储成本为船舶产业造成了额外经济负担。

2.3 混合脱硫系统

混合脱硫系统融合了上述2种脱硫模式，并会根据船舶形式的实际情况进行对应切换。

混合式系统囊括了开式、闭式2种系统的集成功能，方便船舶在不同海域的正常行使，但由于其结构相对而言较为复杂，因此初期建造成本高昂，无法适用于多种船型。

3 新型海船产业环保式限硫装置的设计要点

3.1 脱硫塔型式选择

新型海船产业环保限硫装置由多种部件组成，其中脱硫塔是其核心要件之一。脱硫塔主要是提供SOX与NaOH的化学反应场所。其作用原理在于，接收主辅机和锅炉燃烧产生的废气，并通过注入洗涤液从而形成废气与洗涤液的逆向接触反应，在反应完成后，废气由净化装置排除。反应后的洗涤液在二次处理的基础上，满足排放标准即可排放。脱硫塔可分为U型、I型2种类型。

U型塔可以对废气温度实施精准降温，从而提高工作总效。

I型塔可以与主机排烟管进行直接对接，并选择适合管路位置进行加装。I型塔能够在满足废气脱硫工作的基础上，取代原有的消音功能。废气导入I型塔，可以采取干烧的方式，实现脱硫并排放。但同比较U型塔而言，I型塔的溢流风险相对较高，且效率远远低于U型塔的脱硫效率。

3.2 洗涤水处理单元设计

新型海船产业环保式限硫装置废水处理系统作为核心装置，在混合脱硫系统中必须定期地将洗涤废水中的碳烟粒子进行去除排查。就现阶段而言，脱硫废水处理技术基本上包括离心分离和除膜法。离心分离主要是通过加入絮凝剂，并采用较高功率的离心分离机对废水中的粒子加以处置，系统采用模板式设计，装置组成和运行维护方式简单明了，对污水中的悬浮物以及浊度的减少具有很好的处置效果。但由于离心机的分解效果基本上取决于入水的含量，对水体的油品组成物除去效果并不明确，因此必须设有独立对应于去除PAH的处理工艺。除膜法一般通过由陶瓷或平板薄膜构成的超滤净化装置模块对洗涤废水实行膜过滤处置，净化效率较高，处理过程后的废水中各指标均远远小于IMO规范要求，能保证满足未来更为严格的排污规范要求。但除膜法处理工艺的重要弊端是装置结构较复杂，浪费空间较大，以及滤过膜的维护费用高。在洗涤废水处理单元的设计流程中，需要按照船只在ECA地区的行驶时间以及对船的预留空间进行选择设计，以保证经过处理后的废水可以达标排放。

图1 I型脱硫塔

3.3 脱硫系统实船安装布置

脱硫控制系统设计在完成实船的安装布置之前，必须首先运用3D扫描技术快速精确的测定舱内尺寸，以精确了解装置与管系的布局状况，并合理掌握舱内信息，为接下来开展的控制系统详细方案设计与生产设计工作奠定基础。同样根据对改造的方案设计，还需要着重考虑以下问题：脱硫控制系统各单体必须实行模块化布局，解决船上可使用空间不足问题，而脱硫控制系统的安装会给船上设备产生额外电力负荷损耗，因此必须测算出脱硫控制系统的整体输出功率，与船用发动机的总输出功率加以配合，确保了正常的电力供应。脱硫控制系统安装后，会对船舶主机的排放以及背压产生重大影响，因此必须对烟气脱硫控制系统实行流场仿真，以确保控制系统压降达到标准，低于1500 Pa。

4 加装脱硫塔系统设计需要考虑的若干问题

4.1 排气管背压问题

就目前船舶脱硫塔的背压制定标准而言，普遍脱硫塔背压值保持在60～100 mmWC，但如果将脱硫塔加装在排气管上则需要额外加装烟气阀，而烟气阀自身也存在背压，因此，选择加装脱硫塔的背压取值会上升，在原机上加装脱硫塔后，其相关背压标准为450 mmWC。不难得出，在船舶加装脱硫塔过程中，必须充分考虑背压符合增加问题，确保背压在可控制范围内。

风机的冗余性设计是有效解决排放背压过大的途径之一，在确保风机冗余性设计的基础上，同时需要兼顾风机工作故障是否会对燃烧装置产生影响等因素，因此，排放风机需要结合旁通管道同时假设。

4.2 舷外管形式设计

船舶的废气脱硫塔系统与洗涤水排放系统应设置专项处置模块，确保洗涤水排放具备独立的排舷外口径。排舷外应迎合洗涤水排放要求，加装止回阀、遥控阀门，确保洗涤水排放能够满足pH值规定，同时排舷外口间距应设4 m以上，并以最小设计载重线为参照标准。

由于洗涤水排舷外管需要与船舶的外板链接，所以即便是外管材料选择超级双向不锈钢材质，也会应材料连接、海水浸渍、洗涤水冲击等原因从而造成外管的腐蚀现象加剧。因此，对于外管材质的选择通常不会认可超级双向不锈钢材质。就目前国际上的外管选择趋势来看，大部分国家船舶产业普遍接受碳钢管+内表面特殊处理的外管。但由于现场焊接及其可能对外管镀层造成损坏，因此焊接工作的特殊处理及修复工作需要提前完备。此外，现场施工过程中也可能受到工作条件等方面影响，从而造成工作成效并不明显，因此，采用SAACKE的推荐型式，在碳钢管外管中加装一个双相不锈钢管，同时保证双相联络法兰采用特殊二道异径，以特氟龙垫块或特氟龙套作为衔接外管与双相不锈钢管的衔接表面镀层，能够有效降低外管的腐蚀速率，避免碳钢管弦外管与材质的直接接触。此类方式的有效设计能够将洗涤水引至加装的双相不锈钢管内，这就极大地减少了洗涤水对涂锌碳钢表面的侵蚀，此外，为避免船舶外板锈蚀，距干舷外管出口4 m半径区域内的船舶外板均需涂上防腐蚀涂层，一般采用抗腐蚀良好的环氧玻璃表面鳞甲涂层[2]。

4.3 设备布置问题

1）海水泵布置。所有船用湿式脱硫塔控制系统，均必须通过海水泵向脱硫塔内供给海水。为确保海水泵在所有海况下都能够抽到海水，海水泵控制系统必须布置于机舱底部。而因为脱硫塔所需要的海水容量特别大，为不直接影响原船现有的海水系统，改装船会为脱硫塔控制系统重新设计成1个或2个的专门海水箱。

2）洗涤水泵布置。脱硫塔的洗涤水在处理了废气后的主要成份为烟尘、粒子、化学药剂粒子等易于沉降的混合物，所以洗涤水泵和相应管道在布设时应充分考虑系统停机时管内容易沉降淤积的问题。而出于这个考虑，洗涤水流循环泵也应该尽量和洗涤水流循环柜布设在同层，且缩短吸气管的长度。此外，洗涤水泵的布控也应该尽量接近于脱硫塔。因为洗涤水泵的主要功用是给脱硫塔供应清洁水源，而洗涤水泵的定位越高就越节能，也可以降低系统功率。

3）对混合式脱硫体系，化学药剂也是至关重要的部分。因为无论是采用NaOH还是Mg(OH)2作碱液，化学制剂都对存储环境温度相当敏感。如果环境温度过低，碱液就会形成晶体现象而危害应用；温度过高会危害物质浓度并板结在舱壁上。所以，对于贮存舱的位置选择必须谨慎考虑。在药物选用上，碱液作为一类化工药物，可能会对人和设备产生一些危险，甚至构成危险品，在设计时应作特殊考虑[3]。

5 结语

船用废气脱硫塔系统作为适应国际海事组织对SOX污染监测的一种高效技术手段，已经成为新型造船的关键基本装置之一。但是，新型海船产业环保式限硫装置系统较复杂，目前仍处于探索和尝试阶段。本文研究了新型海船产业环保式限硫装置的工作机理和重点内容，给出加装脱硫塔系统的总体设计思想，为今后新船型开发者提供借鉴。