戴慧慧, 鮑超超, 林傳頌
(1.上海船舶工藝研究所 舟山船舶工程研究中心,浙江 舟山 316021;2.舟山群島新區(qū)海納服務(wù)有限公司,浙江 舟山 316021)
全球船舶每年排放硫氧化物(SOx)約為1 500萬t、氮氧化物(NOx)約為2 500萬t、顆粒物(Particulate Matter,PM)約為130萬t,船舶廢氣排放成為全球港口和海域的主要大氣污染源。自2015年1月1日起,在排放控制區(qū)域(Emission Control Area,ECA)內(nèi)實行0.1%燃油硫質(zhì)量分數(shù)限值;自2020年1月1日起,在全球海域內(nèi)實行0.5%燃油硫質(zhì)量分數(shù)限值。目前,全球有4個ECA:波羅的海、北海、北美、加勒比海,未來會有更多海域(地中海、日本沿海等)被列為新的ECA。
目前,船舶脫硫系統(tǒng)主要采用在濕式中的3種技術(shù)形式:(1)開式系統(tǒng),其原理是將海水直接抽入脫硫洗滌塔,通過海水的堿性物質(zhì)中和廢氣的SOx,生成的鹽類物質(zhì)通過洗滌水直接排至舷外,如圖1所示;(2)閉式系統(tǒng),在船上裝載的淡水洗滌液中添加堿性物質(zhì),將洗滌液抽入脫硫洗滌塔,與廢氣的硫化物發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生鹽類物質(zhì),將鹽類物質(zhì)儲存在船上,到港后將副產(chǎn)物交專門機構(gòu)處理;(3)混合式系統(tǒng),將開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)進行整合,根據(jù)不同情況,切換開式或閉式模式[1]。
圖1 開式系統(tǒng)原理
3種技術(shù)的優(yōu)缺點如表1所示。開式系統(tǒng)目前較受船舶所有人歡迎。根據(jù)挪威船級社(DNV)統(tǒng)計數(shù)據(jù),在加裝脫硫系統(tǒng)的船舶中,80%的船舶選擇開式系統(tǒng)[2]。開式系統(tǒng)的加裝設(shè)計步驟為方案論證(結(jié)合實船)→可行性分析報告確認→系統(tǒng)設(shè)計及施工設(shè)計。
表1 濕式脫硫系統(tǒng)優(yōu)缺點
脫硫洗滌塔分為U型塔和I型塔。U型塔又稱旁通型塔,通常設(shè)置旁通管路,目的是在不需要脫硫系統(tǒng)工作時,廢氣通過旁通管路直接排出。U型塔不干燒,材料不需要耐受廢氣高溫,選材余地較大。U型塔占地面積大,因此主要適用于油船、散貨船等安裝空間較為寬裕的船舶。I型塔通常主機不設(shè)置旁通管路。I型塔可干燒,在非廢氣洗滌工況下,廢氣直接通過洗滌塔本體,材料須能夠耐受高溫腐蝕環(huán)境,材料等級應(yīng)高于U型塔。I型塔占地面積小,更適用于集裝箱船等安裝空間較為緊張的船舶。選擇塔型主要考慮3個方面:(1)結(jié)合脫硫洗滌塔尺寸與原有煙囪區(qū)域安裝空間進行考慮;(2)若安裝空間允許,建議優(yōu)先選擇U型塔,可獲得更高的安全性與可靠性;(3)在安裝空間有限時,可先考慮U型塔,若箱損確實過大(以集裝箱船為例),則I型塔為更優(yōu)方案。處于營運中的某大型油船安裝空間較為寬裕,選擇U型塔。
(1)根據(jù)船舶所有人改裝技術(shù)規(guī)格書要求,該油船加裝的1套脫硫裝置僅服務(wù)于1臺主機及3臺發(fā)電機,并且設(shè)計要求為脫硫裝置最大廢氣處理能力按1臺主機85%最大持續(xù)功率(Maximum Continuous Rating,MCR)工況及2臺柴油發(fā)電機組80%MCR工況的總負荷計算。原船主機及發(fā)電機主要參數(shù)如表2和表3所示。
表2 原船主機參數(shù)
表3 原船發(fā)電機參數(shù)
(2)根據(jù)工況匹配脫硫裝置及海水泵等輔助設(shè)備。脫硫主要配套設(shè)備如表4所示。
表4 脫硫主要配套設(shè)備 套
(3)查閱原船相關(guān)圖紙(總布置圖、機艙布置圖、海底門布置圖等)。
(4)利用實船3D激光掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建實船模型作為設(shè)計背景,如圖2所示。
圖2 實船環(huán)境示例
脫硫裝置系統(tǒng)由較多設(shè)備組成,且目前脫硫洗滌塔設(shè)計尺寸都相對較大,因此整個加裝工程對原船的機艙底層設(shè)備布置、機艙區(qū)域管路布置及煙囪區(qū)域管路布置等都會產(chǎn)生較大影響。
(1)脫硫洗滌塔布置空間評估。選用的U型脫硫洗滌塔外形尺寸是4 800 mm×11 800 mm。與原船總圖及煙囪外形圖校核后發(fā)現(xiàn):現(xiàn)有機艙棚及煙囪沒有足夠空間布置脫硫洗滌塔。經(jīng)綜合分析,應(yīng)在煙囪后壁設(shè)置單獨的新煙囪用于布置脫硫設(shè)備,如圖3和圖4所示。這種方案的優(yōu)點是原船煙囪不必進行大量改造,并且脫硫裝置可作為一個單元進行預(yù)裝、集中吊裝以減少工期。
圖3 新煙囪布置
圖4 煙囪內(nèi)脫硫設(shè)備布置
(2)脫硫洗滌塔房布置。新煙囪布置在艉部系泊設(shè)備區(qū)域,在設(shè)計時應(yīng)注意:必須避開纜繩及系泊設(shè)備操作空間;在保證新煙囪結(jié)構(gòu)強度的同時,必須對原船結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)加強;脫硫洗滌塔重量大、高度高,需要足夠強度的底座及頂部支撐,以防止在船舶運行時因振動而引起設(shè)備損壞。
加裝設(shè)計往往涉及原船錯綜復(fù)雜的設(shè)備布置與管路布置,尤其是機艙底層,因此在設(shè)計時必須結(jié)合原船機艙布置圖、海底門布置圖及3D掃描背景,對技術(shù)要求與原船改動量進行綜合評判。
(1)確定海底門位置。通過對原船海底門布置圖校核及計算,原船海底門格柵流通面積無法滿足洗滌海水泵取水的工況,并且也沒有足夠空間擴大原海底門,因此必須新增海底門布置取水管。選擇在38號~40號肋骨雙層底上圍出新增海底門。
(2)確定海底門吸入格柵規(guī)格。根據(jù)海底門外板位置,設(shè)置2個吸入格柵,每個格柵尺寸為900 mm×650 mm,則格柵流通面積即海水通過格柵開口的最小面積S1=0.804 4 m2。脫硫設(shè)備廠家圖紙設(shè)計取水管內(nèi)徑為635 mm,則取水管流通面積為S3=π×0.317 52m2=0.316 7 m2。格柵與取水管的流通面積比值為2.54,大于規(guī)范要求的流通面積比值2.5,選定的格柵符合規(guī)范要求。
(3)海水泵布置。根據(jù)洗滌水量及技術(shù)規(guī)格書要求,需要在機艙底層布置3臺洗滌海水泵,并保證有足夠操作空間。取水管由海底門側(cè)邊壁板引出,高度必須在輕載水線以下且盡可能低,避免發(fā)生氣蝕。結(jié)合實船數(shù)據(jù)及機艙布置圖,海水泵及接管管路布置如圖5所示。
圖5 海水泵及接管管路布置
(4)舷外管布置
脫硫設(shè)備廠家比例積分微分(Proportion Integration Differentiation,PID)圖紙設(shè)置有3路公稱通徑為400 mm的排舷外管,排舷外口布置在輕載水線以下2 m左右,盡可能遠離海底門吸入口(通常推薦4 m以外),同時每個排出口的間距保證在4 m以上,防止處理水被重復(fù)吸入。
(5)監(jiān)測裝置布置
為能夠準確監(jiān)測相關(guān)參數(shù)值,取樣口須正對介質(zhì)流向,保證介質(zhì)能夠順利通過監(jiān)測裝置;須盡可能靠近取樣總管端口,確保監(jiān)測設(shè)備能夠精確并及時顯示介質(zhì)參數(shù);監(jiān)測裝置布置位置須方便船員操作及觀察。
(1)排水管材質(zhì)要求及布置。排水系統(tǒng)將煙氣處理水完全依靠重力排出至舷外,處理水存在腐蝕性強、容易結(jié)垢的特性。在排放管路選型及布置設(shè)計時應(yīng)注意:選擇耐腐蝕、內(nèi)壁較光滑的管材,通常為雙相不銹鋼(SS2205)或超級奧氏體不銹鋼(SMO254)、玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂管(玻璃鋼管);路徑布置應(yīng)方便介質(zhì)順利排至舷外,主管路通常為10°以上的傾斜度。
(2)排氣管材質(zhì)要求及布置。由于脫硫洗滌塔在洗滌后排出的廢氣帶有一定的水蒸氣,水蒸氣夾帶高腐蝕性的硫酸鹽物質(zhì),因此為防止管路腐蝕,[][]管路及部件材質(zhì)應(yīng)盡可能選用雙相不銹鋼或超級奧氏體不銹鋼[3]。對于排氣管路徑布置,不能采取大彎角(如90°彎等),支管匯集處盡可能采用斜支管形式,以保證整個系統(tǒng)背壓處于設(shè)計范圍內(nèi),保護原船柴油機安全可靠運行。
(3)排舷外管及外板處理。由于洗滌水的強酸性,為防止對舷外管及船體外板的腐蝕,將舷外管內(nèi)壁及排舷外口4 m半徑范圍內(nèi)的船體外板涂防腐涂層。對于洗滌水穿艙壁所采用的鋼管,表面處理為外表面熱鍍鋅、內(nèi)表面涂防腐涂層。根據(jù)流體力學(xué)計算,在舷外管口設(shè)置散流器(見圖6),可適當(dāng)稀釋洗滌水的pH值??紤]到舷外管端部因外板線型會為現(xiàn)場施工留有裕量,因此散流器應(yīng)在舷外管外板安裝到位后,將散流器螺栓座焊接至管口位置。在舷外管內(nèi)部涂裝后,將散流器安裝到位。
圖6 舷外管口散流器
隨著各種綠色技術(shù)和新能源的不斷成熟應(yīng)用,船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展將有多種技術(shù)線路選擇,而加裝脫硫裝置成為目前世界各航運企業(yè)的應(yīng)對措施之一。由于脫硫洗滌塔可降低廢氣的SOx量,以達到同等或更低水平的合規(guī)低硫油燃料產(chǎn)生廢氣的標(biāo)準,因此裝有脫硫洗滌塔的船舶可使用高硫燃料。近年來,全球船舶加裝脫硫裝置不斷增多,快速、可靠、優(yōu)秀的加裝設(shè)計不僅受船舶所有人青睞,而且影響航運企業(yè)的經(jīng)濟效益。根據(jù)DNV數(shù)據(jù),截至2020年3月,全球有4 014艘船舶裝有或已訂購脫硫洗滌塔。脫硫裝置加裝設(shè)計成為船舶設(shè)計行業(yè)的一大市場。