船舶脱硫系统应用设计

宋任健，张华东

摘要：简述近来船舶逐渐开始使用的废气脱硫系统，重点介绍钠碱法脱硫装置在6700PCTC上的应用。

关键词：船用柴油机排放；SOx；脱硫；EGC

0引言

航运业运输约占全球贸易的90%的货物，提供了原材料、消费品的主要运输方式，并向全球人口提供基本食品和能源。其中绝大部分产品不能以其他方式运输，因此航运业是全球贸易和经济增长的主要推动者。海洋运输的运量大，海运费用低，海运四通八达，是其优势所在。船舶作为其载体也随着世界经济贸易持续发展，运力在不断攀升。因此导致的废气污染也在逐年上升，特别是远洋船舶多以劣质渣油为燃料，燃油的平均硫含量高，由船舶柴油机燃烧排放的废气污染物已占全世界污染物总排量的10%左右。随着全球贸易的增长，这个比例也在持续上升。如果不及时采取有效措施，将会对环境造成更大的破坏。

1国际防止船舶造成污染公约MARPOL73/78附则Ⅵ

根据MARPOL公约附则Ⅵ控制硫氧化物（SOx）的要求，自2012年起，在公海行使的远洋船舶的燃油硫含量必需低于3.5%m/m，国际海事组织海上环境保护委员会第70届会议决定2020年1月1日作为船舶全球0.5%m/m燃油硫含量标准的实施时间。在SOx排放控制海域（SECA），该区域船舶所使用的燃油硫含量自2015年1月1日起不得超过0.1%m/m。

2国内排放控制区的设立

交通运输部颁布《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，自2016年1月1日起，排放控制区内有条件的港口，可以实施高于现行排放控制要求的措施，包括船舶靠岸停泊期间使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油。自2017年1月1日起，船舶在排放控制区内的核心港口区域靠岸停泊期间（靠港后的一小时和离港前的一小时除外），应使用硫含量不高于0.5%m/m的燃油。2018年起，这一要求扩大至排放控制区内所有港口内靠岸停泊的船舶；2019年起扩大至进入排放控制区的所有船舶。船舶可采取连接岸电、使用清洁能源、尾气后处理等替代措施。

3控制船舶SOx排放的措施

控制SOx排放可以从前处理、后处理两个方面着手：第一使用低硫的燃油，第二使用废气脱硫后处理设备。对于低硫燃油，目前ISO8217-2017已明确要求燃油的硫含量应符合法规的要求，不再限定于标准中的含硫量。国内船用燃料油标准GB17411-2015给出了限值，但同时指出买方应该按照船舶行驶区域的有关法规限值确定最大硫含量。虽然油品供应商有低硫的燃油可以提供，但是对于价格比较敏感的航运业来说，过多的燃油成本支出会带来经济效益的降低，因此不少航运企业也在考虑废气脱硫这个后处理措施。

目前主流的船舶废气脱硫方法主要分为钠碱法（NaOH）和镁基法（MgO）两种。

钠碱法反应原理如下：

SOX溶于水：SO2+H2O→H2SO3

SO3+H2O→H2SO4

生成硫酸盐：H2SO3+2NaOH+1/2O2→Na2SO4+H2O

H2SO4+2NaOH→Na2SO4+H2O

镁基法反应原理如下：

熟化MgO+H2O→Mg(OH)2

吸收SO2+H2O→H2SO3

中和Mg(OH)2+H2SO3→MgSO3+2H2OMgSO3+H2SO3→Mg(HSO3)2

氧化MgSO3+1/2O2→MgSO4

根据脱硫塔的形式，又可将脱硫系统分为文丘里式和直列式。文丘里式（U-Type），脱硫塔与排气管并联旁通布置，占用机舱棚空间大，后期维护较麻烦，但是前期投入成本较低。直列式（IN-LINE），脱硫塔与排气管串联连接，体积小，占用机舱棚空间小，排气背压高，前期投入成本较高。

根据脱硫系统的工作模式，脱硫系统可分为开式，闭式和混合式。

开式:用海水直接清洗废气，利用海水的弱碱性直接进行酸碱中和反应，废水直接排舷。特点是系统简单，在排放要求高的水域不能使用，因此航行区域会受限制。

闭式:系统水通过加药、冷却后可进行内循环重复利用，废水处理后可不排舷。特点是航行区域不受限制，但设备较多系统复杂，会有大量的淡水、海水及电力消耗。

混合式:集合了开式和闭式的两种功能，可任意切换，应用不受限制。

下图为典型的混合式系统，集成了开式和闭式的两种功能：

4脱硫系统应用设计

本节重点介绍6700PCTC项目上采用的钠碱法脱硫系统应用设计，脱硫装置相关参数如下：

厂家:瓦锡兰（WARTSILA）

类型:直列式，混合系统

用途:主机废气脱硫

介质:50%NaOH

塔体尺寸:Ø3mx11.5m

设计工况：开式状态100%MCR，闭式状态85%MCR

处理后废气含硫量：<0.1%

脱硫装置在设计之初需和船东协商确定部分设计参数，参数的选择直接与系统的成本对应，因此这也是与船东博弈的阶段。本项目与船东确认的主要设计参数如下：

a.主机废气进脱硫塔，直列，混合式；

b.燃油最大含硫量3%，海水碱值2300μmol/l；

c.NaOH舱35m3，渣舱15m3，零排放舱150m3；

d.主要系统管路用GRE管，其它见厂家标准；

e.开闭：主机100%MCR，闭式：主机85%MCR。

4.1船体舱室的设计

1.碱舱（35m3）：50%NaOH（pH15）溶液，需要独立结构舱室，不与其它舱室共用舱壁，四周绝缘，带舱室加热装置，NaOH温度不能低于20℃，此船碱舱可用8.5天，碱舱的布置需按规范要求设计，四周带挡水盘，挡水盘带检测泄漏的高位报警。附近应有洗眼装置和淋浴装置（具体见厂家和船级社要求）。

2.渣舱（15m3）：用于收集脱硫装置水处理单元的泄放残渣，介质为烟灰颗粒。位置可在脱硫水处理单元的下方。此舱常规需配蒸汽加热和蒸汽清舱，残渣通过加油站排岸。此船此舱可满足设备闭式连续运转17天。

3.零排放收集舱（150m3）：此舱通常很大，位置布置需要重点考虑，此船把此舱放在货舱。此舱可满足设备闭式连续运转3.5天。

4.2轮机设计需要考虑的方面

1、海水总量

脱硫装置需要大量的海水用于开闭循环，此船需要的最大海水量为780m3/h，所以海水总管方面要关注如下问题：

a.海水总管通径及海底格栅通流面积是否足够；

b.防海生物电极重量是否需要增加；

c.海水滤器需满足脱硫装置要求，滤网孔一般要求Ø4mm；

d.脱硫系统的吸口与海水冷却系统最好布置在两舷，避免抢水问题。

海水总量的确定，要仔细计算每个工况下（海上、进出港、装卸货）需要的海水量，取最大值做为计算依据。

2、淡水总量

瓦锡兰（WARTSILA）脱硫装置可不用考虑淡水需要。阿法拉伐（AlfaLaval）脱硫装置则需要考虑淡水的用量，正常可按每消耗1吨燃油需要1.1吨的淡水预估（具体见厂家要求）。

淡水总量计算：QA=QEGC+QD（m3）

QA：闭式循环一个周期实际消耗淡水总量

QEGC：脱硫系统闭式循环一个周期消耗的实际淡水量

QD：闭式循环一个周期船上日常生活和设备用水量

船上实际淡水储备量：VT=VC+VG（m3）

VT：所有淡水总量

VC：船上实际淡水储备量

VG：闭式循环一个周期造水机的造水量

3、主机排气背压及主机胎架试验

不同的洗涤塔对柴油机排气背压及柴油机胎架试验影响不同。增加脱硫装置后会使排气管总背压超过350mmWC，主机的油耗增加1g/kWh。

对于直列式（IN-LINE）脱硫塔，排气总背压=管子阻力+废气锅炉背压+洗涤塔背压。

排气总背压最好控制在350mmWC内，当超过350mmWC则需通知主机厂家，同时与主机厂家讨论如何做胎架试验，如何申请EIAPP证书。

对于文丘里式（U-Type）脱硫塔，分两种计算形式:

a.废气不经过脱硫塔：排气总背压=管子阻力+废气锅炉背压

b.废气经过脱硫塔：排气总背压=管子阻力+废气锅炉背压+洗涤塔背压

这种形式柴油机胎架试验按废气不经过脱硫塔方式做，但最好需提前通报船东。

4、设备安装空间

脱硫系统除了脱硫塔外，其它的设备如循环柜、脱硫海水泵、板冷、脱硫冷却水泵以及水处理单元等都是很占空间的大体积设备，在初期设计时应重点考虑这些设备的安装空间。需格外关注以下问题:

a.脱硫塔的尺寸较大，直径可达3米，长10~15米。机舱棚的空间需考虑，尤其是文丘里式（U-Type）形式占用空间更大。

b.循环水柜或中转贮存柜占用空间大，此柜子正常为10~20m3，另有缓冲柜5~10m3。

c.脱硫海水泵及冷却水泵数量多，体积大，同样需要考虑布置空间及位置。如果泵布置在下平台等较高位置，需考虑泵的进水口及进水管的最高点都应在船舶正常运营的最小水线下方。

5、碱舱（NaOH舱）的布置及系统要求

a.碱舱加注管、输出管、透气及测深管等都为SS316L，管子外缚电伴热和绝缘；

b.碱舱结构可为钢质壁带油漆特涂，也可以为全部SS316L，舱四周不应与水/油舱接触，舱四周包绝缘及舱本身带加热系统；

c.碱舱的加热可以为电加热或热水二次加热，带相关的温度控制器或温控阀等；

d.碱舱四周要有水盘，水盘带泄漏报警装置及泄放阀；

e.NaOH溶液的加注要有专用加注工艺，配专门的防护服，附近应有洗眼装置和淋浴装置；

f.NaOH舱应有专用的发光铭牌，厂家应提供材料安全参数表MSDS（MaterialSafetyDataSheet）给船厂，此材料安全表应包括NaOH在船上储存及操作要求说明。

4.3电气专业的设计影响

脱硫系统电气控制箱较多较大，需考虑布置空间。

电力负荷增加较多，此船脱硫装置总电力负荷为323kW，电力负荷计算需重点关注，配电、负荷加载及通风散热等都要相应考虑。

脱硫装置的很多泵为变频泵，需关注变频器的应用及谐波问题，还有光纤电缆等。

另外还需关注电气自动化接口及VDR。

4.4涂装专业的影响

脱硫系统介质为酸碱溶液，如pH3-9.5，所以结构舱室需要特涂油漆；出舷短管内部需特涂；废水排舷区域外板需要特涂，如在外板出舷口直径4米区域内做特涂油漆。

4.5其它方面的影响

a.空船重量及重心；

b.电气控制箱功率如大于20kW需要布置一只干粉灭火器，6700PCTC项目增加了2个干粉灭火器分别用于脱硫海水泵和冷却水泵控制箱；

c.NaOH系统专用的发光铭牌；

5脱硫系统试验

6700PCTC脱硫装置的试验，由厂家提供相关试验程序，船厂修改完善。厂家提供相关的试验工具及用品，如药剂，验证气体，仪器校正证书。

此船总服务时间为48天人次，每天工作10小时（含中午时间）。船厂自查阶段很重要，设备完善好才能为后面服务调试节省时间。

码头动车主机可用柴油，系统水最好用淡水，江水脏易堵塞喷头。

海试证书试验厂家主导，船厂配合，船级社及挂旗国检验人员的邀请由设备厂家发出，海试前关于脱硫装置的四方会议要召开。

MARPOL证书试验程序由设备厂家送审船级社。

脱硫装置海试试验应注意以下问题：

a.试验用燃油硫含量问题：船级社要求硫含量尽可能接近船舶允许使用的最大硫含量油，6700PCTC船燃油硫含量最大为3%。船厂燃油加注前关于燃油中硫含量需与供应商确认。

b.试验至少准备7个1L塑料瓶用于废水和燃油的取样。

c.提供所加燃油的油品报告（最好英文版或中英文）。

d.设备厂家提供船级社盖章的MARPOL证书试验程序。

e.试验前关于开式和闭式主机负荷要与船级社及船东确认。6700PCTC开式为主机90%MCR，闭式为85%MCR。

f.试验报告由设备厂家整理，下船前四方签字完。

g.试验中的废水和油需取样，试航后由厂家负责带走化验。

因6700PCTC挂旗国意大利属欧盟，所以脱硫系统海试后需取得的证书有两个:船级社颁发的MED（ModuleG）证书、含脱硫系统在内的全船IAPP证书。

结语

目前，本项目已顺利交付给船东运营，国内大部分船厂还未真正交付过带有脱硫系统的项目。通过本项目实际的操作介绍，希望能够为其它类似项目做设计参考，避免项目推进过程中走不必要的弯路和耗费不必要成本。

参考文献

[1]姚玲玉，张丽，董丽华.船舶尾气脱硫履约技术研究.科技信息.2012年第11期

[2]陈章跃.船用柴油机废气脱硫技术.中国水运.2013年第11期

[3]中国船级社.2020年IMO全球0.5%硫含量燃油标准实施影响与应对措施

[4]中国船级社规范与技术中心.船舶废气清洗系统设计与安装指南.

作者简介：宋任健（1982-），男，工程师，主要从事船舶轮机设计工作。