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        新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置研究

        2022-05-09 09:28:46陳鵬舉
        船舶物資與市場(chǎng) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:洗滌液外管開式

        陳鵬舉

        (嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 嘉興 314031)

        0 引言

        國(guó)際海洋組織“限硫令”強(qiáng)調(diào):在2020年1月1日后全球范圍內(nèi),船舶的SOX排放等效燃油含硫量降低到0.5%;在排放控制區(qū)域內(nèi),必須低于0.1%。對(duì)此,船舶及相關(guān)產(chǎn)業(yè)為達(dá)成這一要求,提出了低硫燃油投入使用、LNG氣體燃料投入使用以及船體加設(shè)廢氣處理裝置3種解決措施。

        綜合上述3種解決方案,每種方案都具有自身的獨(dú)到之處,但也存在一定使用限制。反觀加裝環(huán)保限硫裝置,其投入成本僅限于一次投入,而使用運(yùn)營(yíng)成本也相對(duì)較為可觀,限硫性能也能夠滿足“限硫令”要求,因此加裝環(huán)保限硫裝置成為船舶產(chǎn)業(yè)的主流限硫措施?;诖耍疚囊约友b尾氣后處理設(shè)備為基點(diǎn),探討新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的基本原理及要點(diǎn)內(nèi)容,以期通過(guò)本文研究為船舶產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供多維度助力[1]。

        1 新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的技術(shù)指標(biāo)

        1.1 限排尾氣比值對(duì)應(yīng)燃油硫含量

        以碳?xì)淙剂蠟槔?,廢氣中所含有的SO2/CO2與燃油硫含量存在客觀比值,具體如表1所示。

        表1 船舶限硫裝置的尾氣排放數(shù)值

        SO2/CO2 燃油硫含量限值/% 規(guī)范43.3 1.0 MARPOL附則VI第14.1.2 21.7 0.5 MARPOL附則VI第14.1.3 4.3 0.1 MARPOL附則VI第14.1.3

        1.2 洗滌水的排放標(biāo)準(zhǔn)

        根據(jù)最新下達(dá)的“限硫令”要求,船舶洗滌水排放比值應(yīng)遵循以下條件:1)以舷外4 m為比值測(cè)試界限,排放水酸堿值(pH)數(shù)值達(dá)到6.5時(shí),可滿足限令要求;2)洗滌水連續(xù)最大多環(huán)芳經(jīng)(PAH)濃度限制在船舶進(jìn)口處水質(zhì)的多環(huán)芳烴濃度的50×10-6g/L以內(nèi);3)洗滌水處理系統(tǒng)的硝酸鹽排放量小于廢氣中12%氮氧化物(NOX)所對(duì)應(yīng)的硝酸鹽量或60×10-3g/L。

        2 新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的基本原理

        2.1 開式脫硫系統(tǒng)

        海水的組成結(jié)構(gòu)中包含了弱酸、弱堿鹽類成分,因此海水是中和酸性氣體的天然資源。依托海水,進(jìn)行氣體脫硫便是促使海水中所包含弱酸、弱堿鹽類物質(zhì)與煙氣中的SO2產(chǎn)生化學(xué)中和反應(yīng),從而保證煙氣排放能夠滿足“限硫令”的硬性標(biāo)準(zhǔn)。

        分析開式脫硫系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)可以總結(jié)為:1)開式脫硫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成較為簡(jiǎn)易,因此在成本方面可以做到較大縮減;2)開式脫硫系統(tǒng)的洗滌液選擇源于海水,節(jié)省了其他類型洗滌液存儲(chǔ)空間單獨(dú)構(gòu)造程序。在劣勢(shì)方面,由于海水水質(zhì)存在差異性,無(wú)法保證各地區(qū)海水鹽堿度相統(tǒng)一,因此開式脫硫系統(tǒng)在部分海域與港口范圍內(nèi)無(wú)法保證正常工作。此外,部分國(guó)家由于海洋政策存在要求,對(duì)于開式脫硫系統(tǒng)存在禁行令,因此開式脫硫系統(tǒng)的使用局限性同樣較為明顯。

        2.2 閉式脫硫系統(tǒng)

        閉式脫硫系統(tǒng)大多采用投放NaOH從而實(shí)現(xiàn)與船舶廢氣產(chǎn)生中和反應(yīng)。該反應(yīng)所帶來(lái)的洗滌廢液可經(jīng)處理進(jìn)行二次保存。

        閉式脫硫系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在閉式系統(tǒng)能夠在全海域通行,不受鹽堿度影響。其劣勢(shì)主要體現(xiàn)在船舶需要額外加設(shè)洗滌液存儲(chǔ)系統(tǒng),洗滌液的使用成本與存儲(chǔ)成本為船舶產(chǎn)業(yè)造成了額外經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

        2.3 混合脫硫系統(tǒng)

        混合脫硫系統(tǒng)融合了上述2種脫硫模式,并會(huì)根據(jù)船舶形式的實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)切換。

        混合式系統(tǒng)囊括了開式、閉式2種系統(tǒng)的集成功能,方便船舶在不同海域的正常行使,但由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)而言較為復(fù)雜,因此初期建造成本高昂,無(wú)法適用于多種船型。

        3 新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        3.1 脫硫塔型式選擇

        新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保限硫裝置由多種部件組成,其中脫硫塔是其核心要件之一。脫硫塔主要是提供SOX與NaOH的化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所。其作用原理在于,接收主輔機(jī)和鍋爐燃燒產(chǎn)生的廢氣,并通過(guò)注入洗滌液從而形成廢氣與洗滌液的逆向接觸反應(yīng),在反應(yīng)完成后,廢氣由凈化裝置排除。反應(yīng)后的洗滌液在二次處理的基礎(chǔ)上,滿足排放標(biāo)準(zhǔn)即可排放。脫硫塔可分為U型、I型2種類型。

        U型塔可以對(duì)廢氣溫度實(shí)施精準(zhǔn)降溫,從而提高工作總效。

        I型塔可以與主機(jī)排煙管進(jìn)行直接對(duì)接,并選擇適合管路位置進(jìn)行加裝。I型塔能夠在滿足廢氣脫硫工作的基礎(chǔ)上,取代原有的消音功能。廢氣導(dǎo)入I型塔,可以采取干燒的方式,實(shí)現(xiàn)脫硫并排放。但同比較U型塔而言,I型塔的溢流風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高,且效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于U型塔的脫硫效率。

        3.2 洗滌水處理單元設(shè)計(jì)

        新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置廢水處理系統(tǒng)作為核心裝置,在混合脫硫系統(tǒng)中必須定期地將洗滌廢水中的碳煙粒子進(jìn)行去除排查。就現(xiàn)階段而言,脫硫廢水處理技術(shù)基本上包括離心分離和除膜法。離心分離主要是通過(guò)加入絮凝劑,并采用較高功率的離心分離機(jī)對(duì)廢水中的粒子加以處置,系統(tǒng)采用模板式設(shè)計(jì),裝置組成和運(yùn)行維護(hù)方式簡(jiǎn)單明了,對(duì)污水中的懸浮物以及濁度的減少具有很好的處置效果。但由于離心機(jī)的分解效果基本上取決于入水的含量,對(duì)水體的油品組成物除去效果并不明確,因此必須設(shè)有獨(dú)立對(duì)應(yīng)于去除PAH的處理工藝。除膜法一般通過(guò)由陶瓷或平板薄膜構(gòu)成的超濾凈化裝置模塊對(duì)洗滌廢水實(shí)行膜過(guò)濾處置,凈化效率較高,處理過(guò)程后的廢水中各指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IMO規(guī)范要求,能保證滿足未來(lái)更為嚴(yán)格的排污規(guī)范要求。但除膜法處理工藝的重要弊端是裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,浪費(fèi)空間較大,以及濾過(guò)膜的維護(hù)費(fèi)用高。在洗滌廢水處理單元的設(shè)計(jì)流程中,需要按照船只在ECA地區(qū)的行駛時(shí)間以及對(duì)船的預(yù)留空間進(jìn)行選擇設(shè)計(jì),以保證經(jīng)過(guò)處理后的廢水可以達(dá)標(biāo)排放。

        圖1 I型脫硫塔

        3.3 脫硫系統(tǒng)實(shí)船安裝布置

        脫硫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在完成實(shí)船的安裝布置之前,必須首先運(yùn)用3D掃描技術(shù)快速精確的測(cè)定艙內(nèi)尺寸,以精確了解裝置與管系的布局狀況,并合理掌握艙內(nèi)信息,為接下來(lái)開展的控制系統(tǒng)詳細(xì)方案設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。同樣根據(jù)對(duì)改造的方案設(shè)計(jì),還需要著重考慮以下問(wèn)題:脫硫控制系統(tǒng)各單體必須實(shí)行模塊化布局,解決船上可使用空間不足問(wèn)題,而脫硫控制系統(tǒng)的安裝會(huì)給船上設(shè)備產(chǎn)生額外電力負(fù)荷損耗,因此必須測(cè)算出脫硫控制系統(tǒng)的整體輸出功率,與船用發(fā)動(dòng)機(jī)的總輸出功率加以配合,確保了正常的電力供應(yīng)。脫硫控制系統(tǒng)安裝后,會(huì)對(duì)船舶主機(jī)的排放以及背壓產(chǎn)生重大影響,因此必須對(duì)煙氣脫硫控制系統(tǒng)實(shí)行流場(chǎng)仿真,以確??刂葡到y(tǒng)壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),低于1500 Pa。

        4 加裝脫硫塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的若干問(wèn)題

        4.1 排氣管背壓?jiǎn)栴}

        就目前船舶脫硫塔的背壓制定標(biāo)準(zhǔn)而言,普遍脫硫塔背壓值保持在60~100 mmWC,但如果將脫硫塔加裝在排氣管上則需要額外加裝煙氣閥,而煙氣閥自身也存在背壓,因此,選擇加裝脫硫塔的背壓取值會(huì)上升,在原機(jī)上加裝脫硫塔后,其相關(guān)背壓標(biāo)準(zhǔn)為450 mmWC。不難得出,在船舶加裝脫硫塔過(guò)程中,必須充分考慮背壓符合增加問(wèn)題,確保背壓在可控制范圍內(nèi)。

        風(fēng)機(jī)的冗余性設(shè)計(jì)是有效解決排放背壓過(guò)大的途徑之一,在確保風(fēng)機(jī)冗余性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,同時(shí)需要兼顧風(fēng)機(jī)工作故障是否會(huì)對(duì)燃燒裝置產(chǎn)生影響等因素,因此,排放風(fēng)機(jī)需要結(jié)合旁通管道同時(shí)假設(shè)。

        4.2 舷外管形式設(shè)計(jì)

        船舶的廢氣脫硫塔系統(tǒng)與洗滌水排放系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置專項(xiàng)處置模塊,確保洗滌水排放具備獨(dú)立的排舷外口徑。排舷外應(yīng)迎合洗滌水排放要求,加裝止回閥、遙控閥門,確保洗滌水排放能夠滿足pH值規(guī)定,同時(shí)排舷外口間距應(yīng)設(shè)4 m以上,并以最小設(shè)計(jì)載重線為參照標(biāo)準(zhǔn)。

        由于洗滌水排舷外管需要與船舶的外板鏈接,所以即便是外管材料選擇超級(jí)雙向不銹鋼材質(zhì),也會(huì)應(yīng)材料連接、海水浸漬、洗滌水沖擊等原因從而造成外管的腐蝕現(xiàn)象加劇。因此,對(duì)于外管材質(zhì)的選擇通常不會(huì)認(rèn)可超級(jí)雙向不銹鋼材質(zhì)。就目前國(guó)際上的外管選擇趨勢(shì)來(lái)看,大部分國(guó)家船舶產(chǎn)業(yè)普遍接受碳鋼管+內(nèi)表面特殊處理的外管。但由于現(xiàn)場(chǎng)焊接及其可能對(duì)外管鍍層造成損壞,因此焊接工作的特殊處理及修復(fù)工作需要提前完備。此外,現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中也可能受到工作條件等方面影響,從而造成工作成效并不明顯,因此,采用SAACKE的推薦型式,在碳鋼管外管中加裝一個(gè)雙相不銹鋼管,同時(shí)保證雙相聯(lián)絡(luò)法蘭采用特殊二道異徑,以特氟龍墊塊或特氟龍?zhí)鬃鳛殂暯油夤芘c雙相不銹鋼管的銜接表面鍍層,能夠有效降低外管的腐蝕速率,避免碳鋼管弦外管與材質(zhì)的直接接觸。此類方式的有效設(shè)計(jì)能夠?qū)⑾礈焖良友b的雙相不銹鋼管內(nèi),這就極大地減少了洗滌水對(duì)涂鋅碳鋼表面的侵蝕,此外,為避免船舶外板銹蝕,距干舷外管出口4 m半徑區(qū)域內(nèi)的船舶外板均需涂上防腐蝕涂層,一般采用抗腐蝕良好的環(huán)氧玻璃表面鱗甲涂層[2]。

        4.3 設(shè)備布置問(wèn)題

        1)海水泵布置。所有船用濕式脫硫塔控制系統(tǒng),均必須通過(guò)海水泵向脫硫塔內(nèi)供給海水。為確保海水泵在所有海況下都能夠抽到海水,海水泵控制系統(tǒng)必須布置于機(jī)艙底部。而因?yàn)槊摿蛩枰暮K萘刻貏e大,為不直接影響原船現(xiàn)有的海水系統(tǒng),改裝船會(huì)為脫硫塔控制系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)成1個(gè)或2個(gè)的專門海水箱。

        2)洗滌水泵布置。脫硫塔的洗滌水在處理了廢氣后的主要成份為煙塵、粒子、化學(xué)藥劑粒子等易于沉降的混合物,所以洗滌水泵和相應(yīng)管道在布設(shè)時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)停機(jī)時(shí)管內(nèi)容易沉降淤積的問(wèn)題。而出于這個(gè)考慮,洗滌水流循環(huán)泵也應(yīng)該盡量和洗滌水流循環(huán)柜布設(shè)在同層,且縮短吸氣管的長(zhǎng)度。此外,洗滌水泵的布控也應(yīng)該盡量接近于脫硫塔。因?yàn)橄礈焖玫闹饕τ檬墙o脫硫塔供應(yīng)清潔水源,而洗滌水泵的定位越高就越節(jié)能,也可以降低系統(tǒng)功率。

        3)對(duì)混合式脫硫體系,化學(xué)藥劑也是至關(guān)重要的部分。因?yàn)闊o(wú)論是采用NaOH還是Mg(OH)2作堿液,化學(xué)制劑都對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境溫度相當(dāng)敏感。如果環(huán)境溫度過(guò)低,堿液就會(huì)形成晶體現(xiàn)象而危害應(yīng)用;溫度過(guò)高會(huì)危害物質(zhì)濃度并板結(jié)在艙壁上。所以,對(duì)于貯存艙的位置選擇必須謹(jǐn)慎考慮。在藥物選用上,堿液作為一類化工藥物,可能會(huì)對(duì)人和設(shè)備產(chǎn)生一些危險(xiǎn),甚至構(gòu)成危險(xiǎn)品,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作特殊考慮[3]。

        5 結(jié)語(yǔ)

        船用廢氣脫硫塔系統(tǒng)作為適應(yīng)國(guó)際海事組織對(duì)SOX污染監(jiān)測(cè)的一種高效技術(shù)手段,已經(jīng)成為新型造船的關(guān)鍵基本裝置之一。但是,新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置系統(tǒng)較復(fù)雜,目前仍處于探索和嘗試階段。本文研究了新型海船產(chǎn)業(yè)環(huán)保式限硫裝置的工作機(jī)理和重點(diǎn)內(nèi)容,給出加裝脫硫塔系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想,為今后新船型開發(fā)者提供借鑒。

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