唐傳安 楊述闖 王家支 李 斌 萬東偉

（大連船舶重工集團設計研究院有限公司 大連116021）

引 言

隨著航運業(yè)的發(fā)展，船舶尾氣造成的環(huán)境污染引起了國際社會的廣泛關注。2008年，IMO 第58 界海洋環(huán)境委員會（MEPC）批準了MARPOL 73/78 ANNEX VI 的修正案，該修正案規(guī)定2020年1月1 日后，全球船舶燃油含硫量應低于0.5%，但是在排放控制區(qū)，2015年1月1 日后，含硫量應低于0.1%，或采取等效替代措施。［1］

為現(xiàn)有船舶加裝廢氣清洗系統(tǒng)（Exhaust gas cleaning system， 以下簡稱EGCS）以減少船舶尾氣硫化物的排放，被證明是一種滿足限硫規(guī)定的有效的替代方法，具有成本低、操作性強等優(yōu)勢，而日益被船東所接受［2］。本文以某VLCC 船為例，開展了廢氣清洗系統(tǒng)的加裝應用研究。目標船入CCS船級社，掛香港旗，主要設備包括1 臺推進用二沖程低速柴油機、3 臺柴油發(fā)電機組以及2 臺燃油輔鍋爐等。

1 EGCS 選型分析

EGCS 主要有開式、閉式和混合式三種型式，其主要原理為利用洗滌水的堿性來中和煙氣中的硫化物溶于水后形成的酸性物質(zhì)，來達到減少硫化物排放的目的［3］。天然海水的PH 值為7.5～8.5，呈堿性，而VLCC 具有航行時間長、沿海航線和靠港時間短的特點，可充分利用廣闊的海水資源進行硫化物的去除，故VLCC 加裝開式EGCS 是一種較經(jīng)濟的選擇。

根據(jù)部分區(qū)域的法規(guī)要求以及海岸線附近的海水堿度不足，選擇開式EGCS 意味著該VLCC 只能使用低硫油來進行裝卸貨作業(yè)。因此，主要在裝卸貨期間使用、用于驅(qū)動貨油泵透平的輔鍋爐煙氣沒有必要進入廢氣清洗裝置，這樣也可以節(jié)省部分鍋爐改造費用。故在選型和管路系統(tǒng)設計時，EGCS 僅用于主機和發(fā)電機的煙氣處理。

表1 給出了加裝EGCS 前后的電力負荷分析。改造前，本VLCC 配置3 臺1050 kW 發(fā)電機，根據(jù)電力負荷計算，正常航海時運行1 臺發(fā)電機，負荷約為83%；加裝功率需求為329 kW 的EGCS 后，航海時需要運行2 臺發(fā)電機，每臺負荷為57.5%。這將導致日常航行時，該船發(fā)電機將長時間在低負荷下運行，不利于發(fā)電機的使用壽命和維護保養(yǎng)。所以本船增加了1 臺450 kW 小發(fā)電機專門給EGCS 供電。正常航海時運行1 臺主發(fā)電機和1 臺EGCS 專用發(fā)電機或運行2 臺主發(fā)電機組，確保電力系統(tǒng)的可靠性；而在卸貨或靠港情況下，由于海水堿度通常無法滿足開式EGCS 系統(tǒng)的煙氣處理要求，故不考慮開式EGCS 系統(tǒng)的使用，所有燃油燃燒設備需使用低硫油，EGCS 專用發(fā)電機不運行。

表1 加裝EGCS前后電力負荷分析

加裝EGCS 專用發(fā)電機后進行綜合分析，可知運行1 臺主機和2 臺主發(fā)電機為該船煙氣量最大的狀態(tài)，結(jié)合電力負荷分析結(jié)果并考慮一定的設計余量，該VLCC 的EGCS 選型為滿足一臺主機（85%負荷）和兩臺主發(fā)電機（85%負荷）同時工作的煙氣處理量。而管路連接上，主機、3 臺發(fā)電機和1 臺EGCS 專用發(fā)電機的排煙管均可進入EGCS.

2 關鍵系統(tǒng)設計

對開式EGCS 來說，洗滌海水系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)是兩個最重要的系統(tǒng)。通常EGCS 的海水需求量比較大，對原船海水系統(tǒng)將產(chǎn)生較大影響。為此，在原主海水管路上，設置3 臺同樣規(guī)格的EGCS 海水泵（根據(jù)船級社要求［4］，其中1 臺設為備用），按實際管路布置，利用流體計算軟件建立模型，如下頁圖1 所示。據(jù)此得出機艙內(nèi)各海水泵流量如表2所示。

表2 加裝EGCS后各機艙泵流量分配m3/h

圖1 海水系統(tǒng)計算模型

從表2 可知，經(jīng)計算確認，各機艙泵（包括EGCS 海水泵）的實際流量均滿足設計要求；且經(jīng)過計算得知，海水總管在開單側(cè)海底門的情況下流速為2.51 m/s，滿足船級社規(guī)范規(guī)定。故該VLCC的海水系統(tǒng)僅需在海水總管上增加EGCS 海水泵的支路即可，海底閥箱和海水總管口徑無需更改。

對排煙系統(tǒng)，由于增加洗滌塔和排煙支路，導致原主機和發(fā)電機的實際背壓均超過設備允許值，為此采取以下舉措：

（1）調(diào)整主機增壓器內(nèi)部噴嘴環(huán)，使其最大允許背壓由2.94 kPa 變?yōu)?.88 kPa；

（2）原主發(fā)電機排煙管口徑由DN400 變?yōu)镈N450，使最終排煙背壓不超過廠家允許值5.39 kPa；

（3）EGCS 發(fā)電機排煙管按排煙背壓計算結(jié)果，實際選取口徑為DN400。

對新增的EGCS 用發(fā)電機，其燃油、滑油、起動空氣、冷卻水系統(tǒng)均進行校核并根據(jù)核算結(jié)果進行相應的改造。

在系統(tǒng)材料選用方面，洗滌塔的供給管路按照原船海水管路，選用內(nèi)涂聚乙烯的碳鋼管；洗塔海水泄放管路，由于含有腐蝕性物質(zhì)，采用玻璃鋼管，且泄放水排舷口附近進行特殊的涂裝防護，防止外板及舷側(cè)管的腐蝕；洗滌塔的排煙出口管路，由于含有較多的水汽，故采用雙相不銹鋼管以避免腐蝕。

3 總體布置研究

圖2 EGCS洗滌塔布置

根據(jù)管路布置原理和設備外形，為最大程度減少現(xiàn)場修改量，采取在原煙囪尾部區(qū)域增加一個洗滌塔間的方法來安裝EGCS 洗滌塔，如圖2 所示。原煙囪內(nèi)的排煙管直接增加旁通管路，匯入洗滌塔總管，最終進入洗滌塔。同時，新增的洗滌塔間尺寸需要特別關注，需防止舾裝數(shù)的增加和盲區(qū)的加大。

根據(jù)新增部分的船體和舾裝件重量進行計算后發(fā)現(xiàn)，在滿載工況下，機艙區(qū)船體結(jié)構(gòu)的最大剪力彎矩和最大應力超過了限定值?？紤]到該VLCC的各種使用工況和綜合評估各方案的修改量，采取減少淡水艙容積的方案使船體結(jié)構(gòu)滿足許用要求。同時，目標船載重量、載重線標記以及裝載手冊等對應進行了更新。

為減少船體結(jié)構(gòu)和洗滌塔的相互影響，避免產(chǎn)生振動或強度問題，洗滌塔采用彈性連接安裝，支腿底座和側(cè)向支撐采用彈性墊，所有管路接口采用彈性膨脹節(jié)。

安全方面，原船采用高泡系統(tǒng)保護機艙區(qū)域，由于新增的洗滌塔屬于低失火風險設備，因此該房間無需增加額外的泡沫發(fā)生器，但需增加手提滅火器和消防栓。同時洗滌塔間與原煙囪區(qū)域間需設置通道，用于洗滌塔間的逃生。

4 試驗方法

為驗證廢氣清洗系統(tǒng)的性能，按照船級社規(guī)范和MEPC 259（68）的要求［5］方案B 進行驗證。在試航期間，使用高硫含量重燃油，按廢氣清洗裝置煙氣處理量的25%、50%、75%和100%各運行1 h 的方法進行試驗，利用煙氣分析儀連續(xù)監(jiān)測煙氣硫化物含量，并對排放洗滌水進行取樣測試和模擬計算。完成試驗后，配合船級社完成《SOx排放符合證書》和《國際防止空氣污染證書》的簽發(fā)和更新工作。

5 結(jié) 語

試航結(jié)果表明，在海水堿度為2200 μmol/L時，利用廢氣清洗系統(tǒng)對燃用硫含量為3.5% m/m的燃油所產(chǎn)生廢氣進行處理，可實現(xiàn)等效硫含量為0.5% m/m 燃油的排放目標，且洗滌泄放水指標也滿足船級社要求。