船舶脫硫系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

船舶脫硫系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計摘要：簡述近來船舶逐漸開始使用的廢氣脫硫系統(tǒng)，重點介紹鈉堿法脫硫裝置在6700PCTC上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：船用柴油機排放；SOx；脫硫；EGC0引言航運業(yè)運輸約占全球貿(mào)易的90%的貨物，提供了原材料、消費品的主要運輸方式，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輸，因此航運業(yè)是全球貿(mào)易和經(jīng)濟增長的主要推動者。海洋運輸?shù)倪\量大，海運費用低，海運四通八達(dá)，是其優(yōu)勢所在。船舶作為其載體也隨著世界經(jīng)濟貿(mào)易持續(xù)發(fā)展，運力在不斷攀升。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，這個比例也在持續(xù)上升。如果不及時采取有效措施，將會對環(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)境保護委員會第70屆會議決定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)的實施時間。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（靠港后的一小時和離港前的一小時除外），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，但是對于價格比較敏感的航運業(yè)來說，過多的燃油成本支出會帶來經(jīng)濟效益的降低，因此不少航運企業(yè)也在考慮廢氣脫硫這個后處理措施。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，占用機艙棚空間大，后期維護較麻煩，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。特點是航行區(qū)域不受限制，但設(shè)備較多系統(tǒng)復(fù)雜，會有大量的淡水、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)計本節(jié)重點介紹6700PCTC項目上采用的鈉堿法脫硫系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計，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:主機廢氣脫硫介質(zhì):50%NaOH塔體尺寸:03mx11.5m設(shè)計工況：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)計之初需和船東協(xié)商確定部分設(shè)計參數(shù)，參數(shù)的選擇直接與系統(tǒng)的成本對應(yīng)，因此這也是與船東博弈的階段。本項目與船東確認(rèn)的主要設(shè)計參數(shù)如下：主機廢氣進(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100%MCR，閉式：主機85%MCR。4.1船體艙室的設(shè)計堿艙（35m3）：50%NaOH（pH15）溶液，需要獨立結(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，四周帶擋水盤，擋水盤帶檢測泄漏的高位報警。附近應(yīng)有洗眼裝置和淋浴裝置（具體見廠家和船級社要求）。渣艙（15m3）:用于收集脫硫裝置水處理單元的泄放殘渣，介質(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，殘渣通過加油站排岸。此船此艙可滿足設(shè)備閉式連續(xù)運轉(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)運轉(zhuǎn)3.5天。4.2輪機設(shè)計需要考慮的方面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)計算每個工況下（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）。淡水總量計算：QA=QEGC+QD（m3）QA：閉式循環(huán)一個周期實際消耗淡水總量QEGC：脫硫系統(tǒng)閉式循環(huán)一個周期消耗的實際淡水量QD：閉式循環(huán)一個周期船上日常生活和設(shè)備用水量船上實際淡水儲備量：VT=VC+VG（m3）VT：所有淡水總量VC：船上實際淡水儲備量VG：閉式循環(huán)一個周期造水機的造水量3、主機排氣背壓及主機胎架試驗不同的洗滌塔對柴油機排氣背壓及柴油機胎架試驗影響不同。增加脫硫裝置后會使排氣管總背壓超過350mmWC，主機的油耗增加1g/kWh。對于直列式（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則需通知主機廠家，同時與主機廠家討論如何做胎架試驗，如何申請EIAPP證書。對于文丘里式（U-Type）脫硫塔，分兩種計算形式：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胎架試驗按廢氣不經(jīng)過脫硫塔方式做，但最好需提前通報船東。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)計時應(yīng)重點考慮這些設(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等較高位置，需考慮泵的進(jìn)水口及進(jìn)水管的最高點都應(yīng)在船舶正常運營的最小水線下方。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在船上儲存及操作要求說明。4.3電氣專業(yè)的設(shè)計影響脫硫系統(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)荷計算需重點關(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項目增加了2個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6700PCTC脫硫裝置的試驗，由廠家提供相關(guān)試驗程序，船廠修改完善。廠家提供相關(guān)的試驗工具及用品，如藥劑，驗證氣體，儀器校正證書。此船總服務(wù)時間為48天人次，每天工作10小時（含中午時間）。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)省時間。碼頭動車主機可用柴油，系統(tǒng)水最好用淡水，江水臟易堵塞噴頭。海試證書試驗廠家主導(dǎo)，船廠配合，船級社及掛旗國檢驗人員的邀請由設(shè)備廠家發(fā)出，海試前關(guān)于脫硫裝置的四方會議要召開。MARPOL證書試驗程序由設(shè)備廠家送審船級社。脫硫裝置海試試驗應(yīng)注意以下問題：試驗用燃油硫含量問題：船級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)。試驗至少準(zhǔn)備7個1L塑料瓶用于廢水和燃油的取樣。提供所加燃油的油品報告（最好英文版或中英文）。設(shè)備廠家提供船級社蓋章的MARPOL證書試驗程序。試驗前關(guān)于開式和閉式主機負(fù)荷要與船級社及船東確認(rèn)。6700PCTC開式為主機90%MCR，閉式為85%MCR。試驗報告由設(shè)備廠家整理，下船前四方簽字完。試驗中的廢水和油需取樣，試航后由廠家負(fù)責(zé)帶走化驗。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船級社頒發(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，本項目已順利交付給船東運營，國內(nèi)大部分船廠還未