付金奇+林永祥

摘 要：針對(duì)脫硫裝置在船舶上的新應(yīng)用，目前在國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏的現(xiàn)狀，介紹了船舶脫硫裝置的原理、系統(tǒng)組成、安裝試驗(yàn)技術(shù)及船級(jí)社檢驗(yàn)技術(shù)，為未來(lái)的從業(yè)人員提供知識(shí)儲(chǔ)備，避免走彎路，使我國(guó)船舶尾氣治理技術(shù)有一個(gè)較快發(fā)展，適應(yīng)未來(lái)市場(chǎng)需求。

關(guān)鍵詞：船舶尾氣；脫硫裝置；驗(yàn)證；技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD40 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）33-0048-03

1 背景介紹

船舶的主要?jiǎng)恿?lái)源是船舶發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放中含有大量的硫氧化物、氮氧化物以及顆粒物等污染物，根據(jù)IMO2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，船舶尾氣年排放SO2、NO2分別約占全球排放總量的13%和15%，已經(jīng)受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。

歐盟法令Dinective2005/33/ECArticle（2015年7月6日頒布）的4b條款，對(duì)歐盟內(nèi)陸水域和停靠歐盟港口的船舶使用燃料的最高含硫量作出了更嚴(yán)格的限制，規(guī)定自2010年1月1日起在歐盟港口停泊（包括錨泊、系浮筒、碼頭靠泊）超過(guò)2小時(shí)的船舶，不得使用硫含量超過(guò)0.1%m/m的燃油；2015年起，在波羅的海、北海和英吉利海峽等敏感海域航行的船舶，其燃料的最高含硫量將降至0.1%。而在歐洲其他海域，船舶燃料的硫含量標(biāo)準(zhǔn)從2020年起將從3.5%降至0.5%，同時(shí)從2015年開始，將燃油0.1%的含硫量適用標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大到所有成員國(guó)12海里的領(lǐng)海范圍內(nèi)；中國(guó)也已于2015年12月2日頒布了長(zhǎng)三角、珠三角和環(huán)渤海灣三個(gè)地區(qū)的硫排放法規(guī)，按照0.5%的標(biāo)準(zhǔn)逐步實(shí)施。

近日，國(guó)際海事組織IMO下屬的海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第70次會(huì)議已通過(guò)決議，確定2020年在全球海域?qū)嵭写叭加?.5%含硫上限的規(guī)定，之前劃設(shè)的四大排放控制區(qū)仍然實(shí)行0.1%的限制。

2 船舶脫硫工藝原理

船舶尾氣脫硫技術(shù)來(lái)自于工業(yè)尾氣脫硫技術(shù)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上大約有200多種尾氣脫硫技術(shù)。按脫硫劑和脫硫產(chǎn)物的形態(tài)不同可以分為干法、半干法和濕法三類，從使用效果來(lái)看，濕法脫硫在脫硫效果、經(jīng)濟(jì)性和操作性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；按脫硫裝置工作模式不同可以分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)；按脫硫劑種類不同，又可以分為海水法、堿液法等。但考慮到船舶是移動(dòng)源，其安裝空間和電功率有限等限制因素，可借鑒的脫硫技術(shù)并不多，目前主要有海水法洗滌脫硫和堿液法洗滌脫硫，海水法主要應(yīng)用于開式脫硫系統(tǒng)中，堿液法主要應(yīng)用于閉式脫硫系統(tǒng)中。

2.1 海水法煙氣脫硫技術(shù)原理

天然海水pH值通常在7.8～8.5，堿度約為2.2～2.7mmol/L，由于含有一定量的可溶性碳酸鹽，使得海水具有天然的堿度和酸堿緩沖能力，航行于大海中的船舶利用天然海水的堿度對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌脫硫，其基本反應(yīng)原理如下：

SO2（g）→SO2（I），SO2+H2O→H++HSO

HSO+OH-→H2O+SO，SO+O2→SO

其基本工藝流程如下圖1所示，含有硫氧化物的煙氣從脫硫塔底部向上經(jīng)過(guò)與自上而下的多層噴淋海水逆流充分接觸混合，煙氣中硫氧化物被噴淋海水吸除，煙氣繼續(xù)向上通過(guò)除霧器實(shí)現(xiàn)脫硫排放，脫硫塔上部加設(shè)除霧器的作用是去除煙氣中白色水霧中所含的殘余硫氧化物，洗滌后的噴淋海水經(jīng)過(guò)水處理模塊凈化后排入大海，該工藝也稱開式循環(huán)工藝。

2.2 堿液法煙氣脫硫技術(shù)原理

在航行于低堿度海水區(qū)域或淡水區(qū)域的船舶，僅僅利用海水（或淡水）的堿度不能達(dá)到脫硫的效果，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要額外增加堿液供給，以確保洗滌液保持一定的堿度，保證脫硫效果。適合于船舶脫硫使用的堿液主要有：氫氧化鈉溶液、碳酸鈉等溶液，也有部分廠家使用氫氧化鎂作為脫硫劑，其基本原理如下所示：

SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O，Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3，NaHSO3+NaOH=Na2SO3+H2O

2Na2SO3+O2=2Na2SO4

其基本工藝流程如下圖2所示，同海水法脫硫一樣，含有硫氧化物的煙氣從脫硫塔底部向上經(jīng)過(guò)與自上而下的多層噴淋海水逆流充分接觸混合，煙氣中硫氧化物被噴淋海水吸除，煙氣繼續(xù)向上通過(guò)除霧器實(shí)現(xiàn)脫硫排放，噴淋后的海水一小部分被釋放到水處理單元進(jìn)行處理，大部分通過(guò)循環(huán)泵重新返回脫硫塔頂部反復(fù)進(jìn)行噴淋，但由于循環(huán)液每循環(huán)一次都會(huì)溶解、吸收煙氣中的硫氧化物而發(fā)生理化反應(yīng)，生成大量的HSO3-和SO3-，pH值降至2.7～3.5，為了確保系統(tǒng)的脫硫效率，流程中配置循環(huán)箱，采用補(bǔ)充新鮮海水并在管路上補(bǔ)充堿液的方法，提高重新進(jìn)入噴淋塔頂部循環(huán)液的pH值。 經(jīng)過(guò)水處理單元凈化后的廢水直接排入大海。該工藝也稱混合式循環(huán)。

3 船舶脫硫裝置系統(tǒng)組成

船舶脫硫裝置是一種個(gè)性化產(chǎn)品，對(duì)于同一原理的船舶脫硫裝置，盡管主體配置大同小異，但針對(duì)不同的船型、不同載貨量船舶、甚至不同航線的船舶其配置也各有差異，本文論述的脫硫裝置所安裝的目標(biāo)船舶信息如下表1所示：

本次實(shí)船驗(yàn)證試驗(yàn)僅為船舶主機(jī)配置了脫硫裝置，處理能力為60000Nm3/h。脫硫裝置主要設(shè)備包括：脫硫塔、循環(huán)泵組、海水泵、堿液存儲(chǔ)箱、堿液供給泵組、熱交換器、水處理單元、循環(huán)柜、暫存柜、儀器儀表、測(cè)量單元、控制系統(tǒng)等，主要設(shè)備功能描述如下：

（1）脫硫塔

脫硫塔是脫硫裝置的核心部件，是煙氣與循環(huán)液接觸反應(yīng)的重要場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部包括填料層、噴淋層、除霧器層等內(nèi)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接影響到脫硫的效率。

（2）堿液存儲(chǔ)箱

堿液存儲(chǔ)箱用于存儲(chǔ)船舶航行過(guò)程中所需的堿液，為了防止堿液在低溫情況下結(jié)晶，堿箱需具備加熱和保溫功能，目前可以采用的加熱方法有：水加熱、蒸汽加熱和電加熱，需根據(jù)具體船舶特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，本試驗(yàn)裝置采用水加熱的方法；堿箱的設(shè)計(jì)容積需根據(jù)具體船舶航線及所經(jīng)各港口加堿的便利性進(jìn)行綜合考量，在保證正常使用的情況下，堿箱設(shè)計(jì)盡量小。endprint

（3）堿液供給泵組

堿液供給泵用于輸送堿液到系統(tǒng)各個(gè)加堿點(diǎn)，需根據(jù)系統(tǒng)的不同工況，調(diào)節(jié)加堿量；供堿泵需配置在靠近堿箱較近的位置，防止系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)管道內(nèi)殘存大量堿液導(dǎo)致管道結(jié)晶。

（4）測(cè)量單元

脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的效果是通過(guò)測(cè)量單元的實(shí)時(shí)測(cè)量來(lái)反饋的，主要測(cè)量?jī)煞矫娴闹笜?biāo)：洗滌塔出口煙氣的組分和經(jīng)過(guò)水處理單元處理后的洗滌排放廢水的組分。

對(duì)煙氣組分的測(cè)量主要是連續(xù)監(jiān)測(cè)排氣中SO2（ppm）和CO2（%）的值，SO2應(yīng)采用非擴(kuò)散性紅外分析儀（NDIR）或非擴(kuò)散性紫外線分析儀（NDUV）及其他等效的方法進(jìn)行測(cè)量，CO2應(yīng)采用非擴(kuò)散性紅外分析儀（NDIR）及其他等效的方法進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄在專用的數(shù)據(jù)記錄與處理設(shè)備上，記錄頻率不低于0.0035Hz，數(shù)據(jù)保存時(shí)間不少于18個(gè)月。對(duì)于餾分油或渣油這類碳?xì)淙剂蟻?lái)說(shuō)，燃油硫含量與煙氣排放中SO2（ppm）/CO2（%V/V）的比值存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)下表2所示。

對(duì)洗滌排放廢水監(jiān)測(cè)和記錄的參數(shù)包括pH值、PAH值（多環(huán)芳烴）、混濁度和溫度。PH值測(cè)量位置為船舶在靜止?fàn)顟B(tài)下，距離舷外排放點(diǎn)4m處范圍內(nèi)，排放洗滌水的pH值應(yīng)不小于6.5，但當(dāng)船舶在機(jī)動(dòng)操作時(shí)，進(jìn)口和排放水之間的酸堿度允許相差最大不超過(guò)2pH單位（分別在船舶進(jìn)水口和舷外排放中測(cè)量）；PAH（多環(huán)芳烴）濃度應(yīng)在排放前測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)安排在水處理設(shè)備的下游，但應(yīng)在任何洗滌水稀釋或其他藥劑添加裝置（如有）的上游，其最大濃度值與進(jìn)口水PAH濃度的差值應(yīng)不超過(guò)一定限值。

洗滌水最大混濁度應(yīng)不超過(guò)進(jìn)口水混濁度的25FNU或25NTU或其他等效單位，并應(yīng)在排放前測(cè)量，測(cè)量位置應(yīng)在水處理設(shè)備下游、但應(yīng)在洗滌水稀釋裝置或其他藥劑添加裝置的上游?？紤]到船舶脫硫裝置可能存在非正常起動(dòng)的情況，船級(jí)社允許每12H運(yùn)行周期內(nèi)有一個(gè)15min的時(shí)間段排放指標(biāo)超標(biāo)。

4 脫硫裝置實(shí)船安裝技術(shù)

船舶脫硫裝置在船舶上的安裝是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，尤其對(duì)于營(yíng)運(yùn)船舶加裝尾氣脫硫裝置，由于空間和時(shí)間有限，船期緊張，使得施工難度大大增加。而對(duì)于新造船舶，脫硫裝置的安裝難度相對(duì)于船舶其他系統(tǒng)的安裝就顯得容易很多。脫硫裝置在船舶上的安裝施工工作主要涉及到以下幾個(gè)方面：脫硫塔就位固定、箱柜等結(jié)構(gòu)體件就位固定、泵閥就位固定、泵閥就位固定、儀表就位固定、控制柜就位固定、管系現(xiàn)場(chǎng)放樣及制造、穿艙件制造及施工、電纜鋪設(shè)及接線查線、管系連接施工、水系統(tǒng)接入、電系統(tǒng)接入、壓縮空氣系統(tǒng)接入等。因此，脫硫裝置的安裝是一項(xiàng)高度復(fù)雜、技術(shù)水平要求較高的工作，需要組建專門的項(xiàng)目組，制定詳細(xì)的安裝工藝流程，加強(qiáng)安裝過(guò)程管理，確保施工安全和施工質(zhì)量，提高施工效率，減少由于安裝工作對(duì)船舶船期的影響，降低船東的損失。

5 脫硫裝置實(shí)船試驗(yàn)技術(shù)

脫硫裝置實(shí)船試驗(yàn)主要分以下幾個(gè)階段：部件電氣連接檢查、部件上電試運(yùn)轉(zhuǎn)、功能試驗(yàn)、性能試驗(yàn)、船級(jí)社現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)等幾個(gè)步驟。其中性能試驗(yàn)是實(shí)船試驗(yàn)中最關(guān)鍵的步驟，性能試驗(yàn)主要目的是測(cè)試所裝脫硫裝置在燃燒裝置各工況下都能滿足煙氣排放要求，試驗(yàn)過(guò)程中要根據(jù)各船舶的個(gè)性特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行調(diào)整，需要時(shí)間最長(zhǎng)，直接影響試驗(yàn)的最終成敗。安裝在船舶上的脫硫裝置都應(yīng)保證各燃燒設(shè)備在規(guī)定的負(fù)荷范圍內(nèi)其排放指標(biāo)都能滿足法規(guī)要求的限值（主柴油

機(jī)負(fù)荷范圍25%～100%）。

為了驗(yàn)證脫硫裝置的性能，在進(jìn)行脫硫裝置實(shí)船驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在規(guī)定的負(fù)荷范圍內(nèi)至少選擇4個(gè)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行排放測(cè)量，全部達(dá)標(biāo)后才能獲得船級(jí)社頒發(fā)或認(rèn)可的排放符合性證明文件；其中一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)取脫硫裝置最大廢氣質(zhì)量流量的95%～100%，一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)選脫硫裝置最小廢氣質(zhì)量流量的±5%以內(nèi)，另外2個(gè)負(fù)荷點(diǎn)選在最大和最小廢氣質(zhì)量流量間等距離分布。試驗(yàn)過(guò)程中如果系統(tǒng)無(wú)法連續(xù)運(yùn)行，應(yīng)增加試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)，證明系統(tǒng)性能在規(guī)定的廢氣質(zhì)量流量范圍內(nèi)都能滿足要求。

6 脫硫裝置實(shí)船認(rèn)證技術(shù)

脫硫裝置本體的認(rèn)可、檢驗(yàn)和發(fā)證有Scheme-A和Scheme-B兩種方案供選擇，Scheme-A主要列舉了脫硫裝置上船前在臺(tái)架上進(jìn)行認(rèn)證的步驟和要求，Scheme-B主要列舉了安裝在船舶上的脫硫裝置的檢驗(yàn)和驗(yàn)證的要求；而脫硫裝置實(shí)船認(rèn)證除了裝置本體的設(shè)計(jì)認(rèn)證認(rèn)可外，還包括船舶改裝設(shè)計(jì)認(rèn)證（針對(duì)營(yíng)運(yùn)船舶）和實(shí)船安裝完成后的實(shí)船檢驗(yàn)和排放測(cè)量，而對(duì)于新造船則可省略改裝設(shè)計(jì)認(rèn)證步驟，但船舶設(shè)計(jì)送審資料中應(yīng)包括脫硫裝置相關(guān)信息。以下將結(jié)合實(shí)際本節(jié)將簡(jiǎn)要論述脫硫裝置實(shí)船認(rèn)證的步驟及要求。

項(xiàng)目確定后，首先確定配置方案，進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)，計(jì)算最大煙氣流量，并依此進(jìn)行脫硫裝置關(guān)鍵部件的容量設(shè)計(jì)和設(shè)備選型，并最終形成該船舶脫硫裝置的產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件；同時(shí)結(jié)合各設(shè)備外形尺寸、安裝位置、安裝要求、設(shè)備重量等參數(shù)進(jìn)行船舶改裝設(shè)計(jì)，形成改裝設(shè)計(jì)文件。然后將產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件和改裝設(shè)計(jì)文件送船級(jí)社審核，根據(jù)審核意見(jiàn)完善設(shè)計(jì)。產(chǎn)品在船舶上安裝完成后并進(jìn)行性能試驗(yàn)后，邀請(qǐng)船級(jí)社進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和實(shí)際排放測(cè)量檢驗(yàn)，全部合格后由船級(jí)社頒發(fā)IMO認(rèn)可的排放符合性證明文件，船舶才可以航行于排放控制區(qū)。

7 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)外船舶脫硫技術(shù)較成熟，已有成功的應(yīng)用案例，但在中國(guó)，船舶脫硫裝置是近幾年隨著船舶排放法規(guī)的日益嚴(yán)格才出現(xiàn)的一套新裝備，系統(tǒng)復(fù)雜，涉及專業(yè)知識(shí)廣，國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目案例又不多，掌握實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的人更是少之又少，阻礙了該裝置的進(jìn)一步推廣，不利于我國(guó)船舶尾氣排放的綜合治理；本文從船舶尾氣脫硫裝置的原理、組成、安裝試驗(yàn)及認(rèn)證技術(shù)等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，具有普及船舶脫硫裝置知識(shí)的作用，同時(shí)也為從業(yè)人員提供一些幫助和指導(dǎo)，提高我國(guó)船舶脫硫裝置的應(yīng)用水平，為祖國(guó)的碧海藍(lán)天貢獻(xiàn)力量。

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