硫磺船的預(yù)研

楊建華

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

1 硫磺市場(chǎng)特點(diǎn)

硫磺是一種常見的無味無嗅的物體，純的硫在常溫下是黃色的晶體。在自然界中，硫磺主要以硫化物和硫酸鹽的形式出現(xiàn)，在熱泉和火山地區(qū)也有純的硫磺存在，在我國(guó)幾乎沒有天然硫磺礦。硫磺在工業(yè)中使用廣泛，如制造火藥、工業(yè)用硫酸、橡膠業(yè)的硫化劑、醫(yī)藥用硫、肥料、殺蟲劑等等。

因此，硫磺回收技術(shù)已經(jīng)由單純的環(huán)保技術(shù)發(fā)展成為兼具環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益的重要工藝技術(shù)。

世界硫磺供需量正在逐年增加。我國(guó)硫磺年產(chǎn)量由最初的100多萬噸逐步增長(zhǎng)至400多萬噸，而年消費(fèi)量卻超過1200萬噸，呈現(xiàn)出嚴(yán)重的供不應(yīng)求局面。2008年，硫磺價(jià)格曾一度飆升至7000元/噸，2009年初受經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，跌至最低點(diǎn)500元/噸，但因其市場(chǎng)需求趨勢(shì)，很快在四季度末回升至較高的市場(chǎng)價(jià)格1150元/噸，2010年繼續(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。

因此，硫磺運(yùn)輸市場(chǎng)是一個(gè)非常值得重視的市場(chǎng)。

2 硫磺運(yùn)輸特點(diǎn)

液態(tài)硫作為煤、石油等的煉制附屬品，廠家必須在130℃～140℃的保溫罐中儲(chǔ)存，儲(chǔ)存成本較高，如不及時(shí)運(yùn)輸，將成為企業(yè)正常生產(chǎn)的障礙。硫的熔點(diǎn)約115℃，一旦運(yùn)達(dá)目的地，存放在開敞的硫磺池中，液態(tài)硫隨著溫度的下降，很快就結(jié)晶為淺黃色粉末狀，這就是工業(yè)使用中最常見的硫磺。硫磺是熱的不良導(dǎo)體，要將大量常溫狀態(tài)下的硫磺粉末再加熱到高溫下的液態(tài)硫磺則非常困難，所以一旦液態(tài)硫結(jié)晶后，后續(xù)的運(yùn)輸方式通常就是將粉末狀的硫磺打包運(yùn)輸了。而打包運(yùn)輸又將花費(fèi)額外的人力、物力，并且粉末飛揚(yáng)不利于環(huán)境保護(hù)。

因此直接將生產(chǎn)廠家的液態(tài)硫，快速駁運(yùn)至適合硫磺運(yùn)輸?shù)拇?，再?jīng)保溫儲(chǔ)存運(yùn)輸至相應(yīng)的需求點(diǎn)，是最經(jīng)濟(jì)、有效的運(yùn)輸方式。

目前，國(guó)內(nèi)需要大量進(jìn)口硫磺才能滿足日益增長(zhǎng)的需求。針對(duì)此需求，國(guó)內(nèi)船東急需一批適合硫磺液態(tài)運(yùn)輸?shù)拇唬宰プ∈袌?chǎng)機(jī)遇，贏得商機(jī)。

3 硫磺船設(shè)計(jì)特點(diǎn)

硫磺船設(shè)計(jì)對(duì)我們來說是一個(gè)新的船型開發(fā)項(xiàng)目，基于瀝青運(yùn)輸船的成功開發(fā)設(shè)計(jì)和實(shí)船營(yíng)運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，船型上有一些基本類似的特點(diǎn)可以借鑒運(yùn)用，但硫磺船的設(shè)計(jì)又有其本身的特點(diǎn)，需要有針對(duì)性的開發(fā)設(shè)計(jì)。

根據(jù)化學(xué)品船規(guī)則要求，液態(tài)硫磺（molten sulphur)屬于Ⅲ類化學(xué)品船舶，污染類別Z，具有安全危害性，適用于獨(dú)立液貨艙運(yùn)輸，閃點(diǎn)大于60℃，需要安裝易燃和有毒氣體探測(cè)。電氣設(shè)備溫度等級(jí)要求T3，在電器設(shè)備防爆要求方面應(yīng)采用經(jīng)驗(yàn)證確保用于氣體安全區(qū)域的設(shè)備。

硫磺的密度約為1.80 t/m3，是常規(guī)液貨的近2倍；硫磺的運(yùn)輸溫度約為130℃～140℃，運(yùn)輸過程中需持續(xù)保溫；液態(tài)硫在高溫狀態(tài)下所產(chǎn)生的蒸汽中含有硫化氫氣體，其濃度應(yīng)控制在爆炸下限的一半以下，即在整個(gè)蒸汽空間內(nèi)的硫化氫濃度低于1.85%（按容積計(jì)）。這些特征使獨(dú)立液貨罐的設(shè)計(jì)、制造成為該船的重點(diǎn)和難點(diǎn)，貨物自重、溫度影響、防止危險(xiǎn)氣體積聚、液貨晃蕩動(dòng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響等等，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)這些特點(diǎn)逐一考慮，計(jì)算并選用合適的設(shè)計(jì)方案。

液態(tài)硫的駁運(yùn)不同于其他液貨，它必須配備專用硫磺運(yùn)輸泵。泵的型式多樣，可以采用離心泵或螺桿泵；可以是立式深井泵，也可以是臥式的泵；但采用臥式泵需設(shè)獨(dú)立的貨泵艙。推薦最常用的是配置一艙一泵（或二泵）的立式深井式離心泵。駁運(yùn)狀態(tài)下的硫磺粘度并不高，與常溫下的輕柴油粘度類似，但密度是輕柴油的2倍以上，并且遇水容易產(chǎn)生酸性腐蝕，遇低溫容易產(chǎn)生結(jié)晶堵塞管道。因此深井泵的設(shè)計(jì)和布置都需要充分考慮這些情況。

4 硫磺船總體布置和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于液態(tài)硫磺密度高，積載因數(shù)相對(duì)較小，液貨艙應(yīng)該選擇合適的容積，以免產(chǎn)生容積富余的情況而引起過大的液貨晃蕩載荷。主尺度的選擇和貨艙、壓載水艙的布置除了需要保證足夠的排水量和足夠的貨艙、壓載水艙容積外，還需要注意滿足干舷計(jì)算、重量重心分布和破艙穩(wěn)性等要求。

獨(dú)立罐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是硫磺船的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因液態(tài)硫磺在高溫狀態(tài)下的氣體揮發(fā)，容易發(fā)生氣體積聚引起的爆炸，需要設(shè)計(jì)足夠的氣穴和通風(fēng)系統(tǒng)。這使液態(tài)硫磺的裝載不能達(dá)到98%以上的滿艙狀態(tài)，在獨(dú)立罐體內(nèi)必然出現(xiàn)自由液面。自由液面的存在，在各種工作環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)狀況，往往是影響其系統(tǒng)安全性的一個(gè)重要因素。自由液面會(huì)減小船舶的初穩(wěn)性高，如果自由液面的面積很大，可能會(huì)使船舶失去初穩(wěn)性，因此罐體頂部盡量設(shè)計(jì)為梯形的氣穴型式，以減小自由液面。液貨的晃蕩運(yùn)動(dòng)還會(huì)對(duì)獨(dú)立液貨艙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生晃蕩載荷。液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范要求相應(yīng)的需要考慮適當(dāng)?shù)拇胧缭黾优摫谝詼p小自由液面及液貨晃蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

特別需要指出的是，硫磺船采用獨(dú)立液貨艙結(jié)構(gòu)，也就是說液貨艙自由支撐在許多支撐墊塊上，允許貨艙隨貨油溫度變化而熱脹冷縮，在計(jì)算獨(dú)立貨艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，除了需要考慮貨物的靜載荷外，還需要考慮高溫貨物所造成的熱應(yīng)力影響，以及船舶運(yùn)動(dòng)引起液貨晃動(dòng)所形成的動(dòng)載荷。而對(duì)貨艙結(jié)構(gòu)計(jì)算模型邊界為自由支持條件下，考慮貨艙內(nèi)液貨晃動(dòng)載荷的作用可能會(huì)帶來一定的困難。按照液貨晃蕩運(yùn)動(dòng)的激烈程度可以分為三種水平。運(yùn)動(dòng)最小的是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)水平，這時(shí)動(dòng)態(tài)沖擊載荷可以忽略。第二種水平是晃蕩運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)不放大過程，其特點(diǎn)是晃蕩運(yùn)動(dòng)引起的載荷包括靜載荷和動(dòng)載荷，但動(dòng)載荷還遠(yuǎn)未達(dá)到?jīng)_擊載荷的形式。目前對(duì)這種水平的晃蕩載荷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，各大船級(jí)社均有一套完整的計(jì)算方法，因此硫磺船的獨(dú)立液貨艙的設(shè)計(jì)必須把液貨的晃蕩運(yùn)動(dòng)限制在這種水平范圍。而第三種晃蕩運(yùn)動(dòng)水平是晃蕩運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)放大過程，晃蕩運(yùn)動(dòng)引起的載荷包括靜載荷、動(dòng)載荷，但動(dòng)載荷是主要的載荷，其載荷達(dá)到?jīng)_擊載荷的作用形式。對(duì)水平三的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，國(guó)內(nèi)外均尚處于研究階段，研究的手段只能通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，因此硫磺船液貨艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免使液貨晃蕩運(yùn)動(dòng)達(dá)到這種嚴(yán)重程度。

5 硫磺船前期研發(fā)結(jié)果

在前期調(diào)研中，為硫磺船確定合適的噸位和主尺度是一個(gè)比較關(guān)鍵的問題。查閱了現(xiàn)有的硫磺船資料，載重噸普遍較小，由幾千噸到一萬多噸，各不相同。從貨主和運(yùn)輸市場(chǎng)的信息中，我們了解到液態(tài)硫生產(chǎn)企業(yè)儲(chǔ)存貨罐容積普遍較小，一次能運(yùn)輸?shù)妮d貨量受其限制，也不宜過大。經(jīng)分析，初步確定該船的載重噸4250 t，載貨量 3800 t，貨艙容積2300 m3。

根據(jù)載重量要求，航線貨運(yùn)需求和硫磺船的特點(diǎn)，我們經(jīng)計(jì)算、比對(duì)和分析確定4250 t硫磺船總布置圖如圖1。

圖1 硫磺船總布置圖

硫磺船主尺度及主要性能參數(shù)：

在貨艙區(qū)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中尤其注意的是，避免危險(xiǎn)氣體積聚，確保各區(qū)域硫化氫氣體濃度低于1.85%。主要考慮采用以下各項(xiàng)措施來達(dá)到設(shè)計(jì)要求。罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮頂部所有構(gòu)件外翻，避免形成死角，發(fā)生局部爆炸；頂部結(jié)構(gòu)做斜，形成氣室，便于通風(fēng)掃氣；透氣管路向上微斜，轉(zhuǎn)角采用45°彎，減少沿程阻力損失，避免局部粉末結(jié)晶堵塞管路；對(duì)貨罐內(nèi)強(qiáng)制送入加熱過的新風(fēng)，吹除蒸汽，降低硫化氫氣體濃度；對(duì)貨罐外的隔離空艙進(jìn)行強(qiáng)制抽風(fēng)，避免揮發(fā)的硫化氫氣體泄漏至空艙內(nèi)達(dá)到一定的濃度；設(shè)置固定氣體探測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)并及時(shí)報(bào)警；設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)失敗報(bào)警；設(shè)置貨物加熱溫度控制和報(bào)警等等。

該船設(shè)計(jì)的另一要點(diǎn)就是獨(dú)立液貨罐和駁運(yùn)泵的配置。從總體穩(wěn)性計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)配置經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，設(shè)三個(gè)獨(dú)立液貨罐，每個(gè)獨(dú)立液貨罐分左右兩艙，底部設(shè)隔離閥可左右聯(lián)通。相應(yīng)地配置立式深井泵6臺(tái)，達(dá)到每艙一泵要求，可以靈活地駁運(yùn)任何一艙液貨，當(dāng)任何一臺(tái)泵故障時(shí)可以開啟底部聯(lián)通閥，利用對(duì)應(yīng)的另一臺(tái)泵進(jìn)行駁運(yùn)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的配置駁運(yùn)系統(tǒng)。

6 結(jié)語

硫磺船雖然不像散貨船、集裝箱船或多用途船那樣有大量需求，但隨著硫磺市場(chǎng)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的需求，硫磺船的需求也在不斷地增長(zhǎng)，并擁有相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)輸市場(chǎng)。另外根據(jù)國(guó)外的船型發(fā)展趨勢(shì)，還可以在大型油船、天然液化氣船等特種船上夾帶設(shè)計(jì)若干獨(dú)立貨罐，以滿足同時(shí)運(yùn)輸其延伸產(chǎn)品的需求。

該船型的研究開發(fā)滿足目前生效的新規(guī)則、規(guī)范要求，滿足綠色環(huán)保設(shè)計(jì)、TYPE 3化學(xué)品船設(shè)計(jì)要求、獨(dú)立液貨罐開式透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。該船型的預(yù)研將為中國(guó)的硫磺進(jìn)口運(yùn)輸船隊(duì)建設(shè)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

［1］船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)［M］.中國(guó)船舶工業(yè)總公司編.國(guó)防工業(yè)出版社出版.

［2］國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則［M］.國(guó)際海事組織.