廢氣清洗系統(tǒng)及實船應(yīng)用

李坤盧晨

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

近年來大氣污染問題（如硫化物污染形成的酸雨等）越來越受關(guān)注，國際海事組織關(guān)于大氣污染預(yù)防及處理的相關(guān)規(guī)范的范圍和復(fù)雜程度也在不斷地加碼，船舶排放的限制越來越嚴格，尤其是2020年之后全球航行燃油硫含量要求從3.5%降低到0.5%。由此將導(dǎo)致低硫燃油短時期內(nèi)供應(yīng)緊張，船舶營運的燃料成本壓力大幅增加，如何找出最優(yōu)的解決方案將成為船東和設(shè)計者不得不考慮的問題。通常來說，船舶廢氣中的SOx是燃油中的硫燃燒后形成的污染物，通過燃油燃燒設(shè)備（如柴油機、鍋爐等）自身技術(shù)改造無法達到控制SOx排放目的，只能通過以下三種方式來滿足硫排放的要求，即：

1）燃料前處理方式。采用專門的工藝對燃油進行脫硫處理，使脫硫后的燃油即低硫燃油在燃燒前就能符合相關(guān)硫含量規(guī)定。其缺點主要是低硫燃油價格昂貴。

2）替代燃料，可使用天然氣等清潔燃料。由于天然氣燃料含硫量很低，燃燒后的SOx排放可以滿足硫含量要求，但缺點是初始投資較高且天然氣的儲存將占用大量的空間。

3）廢氣后處理方式。通常安裝廢氣處理裝置，把廢氣中的SOx清除，達到與使用低硫燃油等效的減排效果。

隨著低硫燃油的價格和天然氣的成本越來越高，廢氣后處理方式即安裝廢氣清洗系統(tǒng)將成為船東和設(shè)計者主要考慮的解決方案。

1 法規(guī)簡介

1.1 硫排放法規(guī)簡介

國際海事組織海上環(huán)境保護委員會第70屆會議（MEPC 70）于2016年10月24日至28日在倫敦召開，會議審議了燃油可獲得性指導(dǎo)委員會提交的研究報告及相關(guān)國家和組織提交的研究成果，并綜合考慮了會上相關(guān)代表團及組織的意見，決定將2020年1月1日作為船舶全球0.5%燃油硫含量標準的實施時間，并以IMO決議形式予以發(fā)布，國際公約及區(qū)域法規(guī)現(xiàn)行和即將生效的對船舶燃油硫含量要求如表1所示［1］。

表1 全球燃油硫含量要求一覽表

中國交通運輸部于2015年12月4日發(fā)布了“珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實施方案”。該方案已于2016年1月1日生效，其要求具體如表 2所示［1］。

表2 中國燃油硫含量要求一覽表

1.2 廢氣清洗系統(tǒng)相關(guān)法規(guī)

廢氣清洗系統(tǒng)是船舶運輸領(lǐng)域應(yīng)用較多的后處理技術(shù)，IMO為此制定了 《廢氣清洗系統(tǒng)導(dǎo)則（2009）》MEPC.184（59）決議，并于 2015 年批準通過了該導(dǎo)則修訂案MEPC.259（68）。該導(dǎo)則規(guī)定了廢氣清洗系統(tǒng)排放符合性（包括廢氣排放和洗滌水排放）驗證方法和檢驗程序，是廢氣清洗系統(tǒng)法定檢驗的主要依據(jù)。同時也應(yīng)注意部分掛旗國及港口對此系統(tǒng)的特殊要求，如歐盟的部分港口禁止排放洗滌水，美國加州空氣資源委員會（ARB）只有通過豁免申請才允許使用廢氣清洗系統(tǒng)等。另外一些船級社也對此系統(tǒng)有相應(yīng)的章節(jié)描述，在設(shè)計中也需注意。

2 類型和基本原理

廢氣清洗系統(tǒng)從使用介質(zhì)上可分為干式廢氣清洗系統(tǒng)和濕式廢氣清洗系統(tǒng)。干式廢氣清洗系統(tǒng)系指脫硫劑以顆粒粉末狀態(tài)與燃油燃燒裝置的廢氣直接接觸，脫除廢氣中SOx的系統(tǒng)；濕式廢氣清洗系統(tǒng)系指脫硫劑以水溶液或漿液狀態(tài)與燃油燃燒裝置的廢氣直接接觸，脫除廢氣中SOx的系統(tǒng)。由于干式系統(tǒng)需要消耗額外的反應(yīng)藥劑，所以實船上通常采用將海水作為脫硫劑的濕式廢氣清洗系統(tǒng)。

濕式廢氣清洗系統(tǒng)從功能上可以分為開式、閉式和混合式。

1）開式廢氣清洗系統(tǒng)系指直接采用海水對廢氣進行清洗脫硫，完成脫硫后的洗滌水，經(jīng)專門的水處理裝置進行處理，各項指標達到排放標準后直接排出舷外的系統(tǒng)。該系統(tǒng)十分簡單，通常在外海中使用，因為海水的堿度足夠高，洗滌效果好，是安裝和運營成本最低的解決方案。但是開式系統(tǒng)缺乏靈活性，當?shù)胤ㄒ?guī)可能因為低堿度或限制排放標準而禁止或限制其使用，如五大湖區(qū)域和歐盟部分港口等。

2）閉式廢氣清洗系統(tǒng)系指采用添加了脫硫劑的水溶液對廢氣進行清洗脫硫，完成脫硫后的洗滌水經(jīng)脫硫劑補充、補水、冷卻等處理過程后，可循環(huán)進行廢氣清洗的系統(tǒng)。通常采用堿性溶液作為中和介質(zhì)，對于船舶具有高度的靈活性，且使用不受當?shù)胤ㄒ?guī)的限制，適用于淡水區(qū)域和低堿度區(qū)域。但是與開式系統(tǒng)相比，其初始成本和運行成本較高。

3）混合式廢氣清洗系統(tǒng)系指將開式和閉式組合起來的系統(tǒng)。在不同海域/水域航行時可根據(jù)需要選擇運行開式或閉式系統(tǒng)，比如在公海航行時可選擇開式系統(tǒng)運行，而在洗滌水排放限制區(qū)域或淡水區(qū)域航行/停泊時，可選擇閉式系統(tǒng)。混合式系統(tǒng)初投資成本較高，系統(tǒng)設(shè)計比較復(fù)雜，但目前最受船東歡迎。

廢氣清洗過程主要在洗滌塔中進行。洗滌塔從外形上可分為直線型和U型。直線型的洗滌塔廢氣底進頂出，通常1臺柴油機或鍋爐等燃油燃燒裝置配置1個洗滌塔，其特點為直徑較小而高度較高，通常適用于集裝箱船、汽車滾裝船等；U型的洗滌塔廢氣側(cè)進頂出，可多臺柴油機或鍋爐等燃油燃燒裝置共用1個洗滌塔。其特點為直徑較大而高度較低，通常適用于散貨船、油船等。

在濕式洗滌塔中，廢氣在排往煙囪的路徑中被水凈化，水噴入廢氣流中，從洗滌塔底部排出。含硫燃油的燃燒過程產(chǎn)生的硫氧化物通過簡單的化學(xué)反應(yīng)被洗滌水溶解出去（以淡水為例），其化學(xué)反應(yīng)式［2］如下：

SO2+H2O=H2SO3（亞硫酸）

SO3+H2O=H2SO4（硫酸）

如添加氫氧化鈉，它能按以下反應(yīng)過程生成硫酸鹽：

H2SO3+2NaOH+1/2O2=Na2SO4+H2O

H2SO4+2NaOH=Na2SO4+H2O

目前，絕大多數(shù)廠商采用50%的氫氧化鈉溶液（簡稱堿液）作為閉式系統(tǒng)或混合式系統(tǒng)的中和介質(zhì)。

3 實船應(yīng)用案例

3.1 項目概況

2 500 TEU冰級集裝箱船由上海船舶研究設(shè)計院開發(fā)設(shè)計，金海重工股份有限公司承建，入級DNV GL，掛英國旗，船東為法國達飛海運集團（CMA-CGM）。其主輔機及鍋爐主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 2 500 TEU主輔機及鍋爐技術(shù)參數(shù)

該船由于主輔機功率較大，輔機數(shù)量較多，經(jīng)多方案對比分析并結(jié)合上建的具體布置后，最終采用了瓦錫蘭混合式廢氣清洗系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)置了2臺U型洗滌塔布置于機艙棚及煙囪區(qū)域，主機廢氣接入主洗滌塔，4臺輔機和鍋爐燃油側(cè)廢氣接入輔洗滌塔，尾尖空艙作為零排放區(qū)域洗滌水存放艙。該系統(tǒng)其他的結(jié)構(gòu)艙柜均位于機艙內(nèi)，ISO工況下運行模式（包括零排放運行模式）如表4所示。

表4 2 500 TEU廢氣清洗系統(tǒng)營運模式（ISO工況）

3.2 系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)無論開式循環(huán)還是閉式循環(huán)，均使用海水作為洗滌水，在閉式循環(huán)下須添加堿液至洗滌水中，洗滌水可多次循環(huán)使用，因此該模式下海水耗量大大減少。如果將處理過的廢水排向1個專用的洗滌水儲存艙，那么就沒有任何通往舷外的排放了。這種情況下的運行模式也可稱為零排放模式。洗滌塔為U型結(jié)構(gòu)，洗滌過程共分3個階段。第1階段發(fā)生在一段先收縮而后逐漸擴大的管路中，此管路稱為文丘里管，主要改善氣流，減少背壓和捕捉固體顆粒物以及硫化物等。第2和第3階段均在洗滌塔內(nèi)部進行，頂部的除霧器能有效地防止廢氣帶走水霧。每個洗滌塔均設(shè)置了旁通的廢氣管，從而能夠在洗滌塔故障時或在排放控制區(qū)域外時旁通洗滌塔。其主要分為4大子系統(tǒng)，分別為：供水及冷卻系統(tǒng)、開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。圖1為系統(tǒng)設(shè)備簡要布置圖，圖2為系統(tǒng)原理圖。

圖1 廢氣清洗系統(tǒng)設(shè)備簡要布置圖

3.2.1 供水及冷卻系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括2臺主洗滌塔供水泵（450 m3/h×0.7 MPa）、2 臺輔洗滌塔供水泵（200 m3/h×0.85 MPa）、主洗滌塔冷卻水泵（500 m3/h×0.18 MPa）、輔洗滌塔冷卻水泵 （300 m3/h×0.18 MPa）、 補水泵 （50 m3/h×0.25 MPa）、2個熱交換器以及進口水監(jiān)測單元等。主輔洗滌塔各有1套供水及冷卻系統(tǒng)，開式循環(huán)運行時僅開啟供水泵即可，閉式循環(huán)運行時開啟冷卻水泵，補水泵和供水泵用于閉式系統(tǒng)運行時補水。

圖2 廢氣清洗系統(tǒng)原理圖

3.2.2 開式系統(tǒng)

開式系統(tǒng)主要包括滯留艙（23 m3）及其風(fēng)機、2套沖洗水處理單元 （400 m3/h×0.35 MPa）、油渣泵（0.5 m3/h×0.1 MPa）、出口水監(jiān)測單元和 2 個開式渣艙（1 m3）等，洗滌水經(jīng)過處理單元處理后，可直接排舷外。

3.2.3 閉式系統(tǒng)

閉式系統(tǒng)主要包括循環(huán)艙（23 m3）及風(fēng)機、滲透處理單元緩沖艙（18 m3）、滲透處理裝置駁運泵（15 m3/h×0.05 MPa）、2 套滲透處理單元、 油渣艙（27 m3）、洗滌水存放艙（684 m3）、洗滌水駁運泵（100 m3/h×0.2 MPa）、堿液艙（79 m3）、堿液供給單元、堿液艙駁運泵（5 m3/h×0.3 MPa）和出口水監(jiān)測單元等。閉式系統(tǒng)中的廢水經(jīng)處理后，可選擇直接排舷外或儲存到洗滌水存放艙。

3.2.4 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)主要包括主洗滌塔帶2個文丘里管、輔洗滌塔帶4個文丘里管、主排放檢測裝置、輔排放檢測裝置、主三通閥、4個輔三通閥、主三通閥密氣風(fēng)機和輔三通閥密氣風(fēng)機等。排放檢測裝置可實時監(jiān)測SO2/CO2比值。

3.3 設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

3.3.1 方案論證及設(shè)備選型

在項目開展前期應(yīng)與船東充分溝通重要的技術(shù)問題，例如采用開式系統(tǒng)還是混合式系統(tǒng)、采用何種型式的洗滌塔、排放控制區(qū)及零排放區(qū)域航行的時間、接入洗滌塔的有哪些設(shè)備以及洗滌塔的容量、數(shù)量等。

3.3.2 總體布置

廢氣清洗系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，設(shè)備種類繁多，尤其是洗滌塔本體尺寸龐大，不同的設(shè)備廠商外形差別也較大，所以在設(shè)計前期應(yīng)充分考慮到各種情況，其布置應(yīng)注意與上層建筑艙室以及尾部系泊布置的協(xié)調(diào)。

1）機艙空間校核。重點核實底層供水泵的布置是否需要設(shè)置單獨的海水箱、廢氣清洗系統(tǒng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)艙柜布置以及洗滌塔本體在煙囪內(nèi)的布置等。由于從洗滌塔本體泄放的廢水基本為重力泄放，廠商對其管路的垂直距離和傾斜度都有一定的要求，大致的管路走向需提前預(yù)估。

2）堿液的儲存及駁運。堿液（50%氫氧化鈉溶液）的儲存對溫度有一定的要求，通常不低于20℃，在冬季尤其是航行于冰區(qū)的船舶需要提供加熱設(shè)施（常采用電加熱，不推薦蒸汽加熱），其駁運同樣需要加熱伴行，另外堿液的加注站也需布置于合適的位置，并根據(jù)廠商推薦提供洗眼機等安保設(shè)施，堿液艙的透氣管也需要特殊設(shè)計以防止堿蒸汽擴散，影響船員的健康和安全。

通常為了安全以及方便保溫，堿液艙推薦設(shè)置隔離空艙。

3）零排放區(qū)域儲存艙的設(shè)計。其艙容主要取決于零排放區(qū)域內(nèi)航行的時間，通常需要數(shù)百立方米。對于該艙的布置位置選取，不建議與壓載水艙兼用。盡管艙內(nèi)的水已經(jīng)經(jīng)過洗滌塔處理，在零排放區(qū)域外可以直接排舷外，但是艙內(nèi)的殘留水對壓載水處理裝置潛在的負面影響較為復(fù)雜，業(yè)內(nèi)研究較少，尚且難以評估，因此零排放儲存艙應(yīng)為單一功能的液艙或空艙。此外，如果該艙位于船的尾部，將導(dǎo)致船體靜水中拱彎矩有一定的增加，建議考慮該艙100%裝載時對設(shè)計彎矩的影響。

4）設(shè)備安裝及維修。洗滌塔本體外形巨大，且所處位置較高，通常結(jié)構(gòu)加強需要進行特殊考慮。除了底部支撐外，還需與廠商提前溝通是否需設(shè)置頂部拉撐。頂部拉撐的位置、數(shù)量需與洗滌塔本體的維修空間及通道統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計。

3.3.3 設(shè)計參數(shù)

1）發(fā)電機功率。廢氣清洗系統(tǒng)耗電量相對較大，其主要耗電設(shè)備為大流量高壓頭的水泵，所需功率為主輔機功率的1%～2%。前期發(fā)電機選型時要重點考慮此系統(tǒng)的耗電量。

2）背壓。柴油機的標準背壓通常為3000Pa。據(jù)了解各個廠商的洗滌塔的背壓一般為1 000～2 000 Pa（也有個別廠商的洗滌塔增加的背壓幾乎為零），因此加裝了廢氣清洗系統(tǒng)的主輔機的實際背壓通常會超過標準的上限值，對此通常有兩種解決方案：

（1）在排氣管路上裝設(shè)抽氣風(fēng)機以增加背壓。其優(yōu)點是可以把主輔機的實際背壓降低到3 000 Pa以內(nèi)，缺點是風(fēng)機需要額外的初投資成本、運行成本、維護成本以及布置空間等。

（2）提高主輔機背壓上限值。據(jù)了解二沖程柴油機可以提高到約9 000 Pa，四沖程柴油機可以提高到5 000～6 000 Pa。此方案對排氣管路無任何改動，缺點是油耗會略有增加。

對于接入廢氣清洗系統(tǒng)的鍋爐來說，背壓問題通常采取第一種方案。需要注意的是兩種方案各有優(yōu)缺點，建議在項目前期就與船東確定使用哪一種方案。

3）淡水耗量。每個廠商的淡水耗量差別相對較大，建議提前與廠商溝通確認，以合理確定造水機的容量和淡水艙的艙容。

4）壓縮空氣耗量。主要為洗滌塔的吹灰以及氣動閥的空氣耗量，如現(xiàn)有的壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計不能滿足使用要求，可考慮設(shè)置單獨的空壓機和空氣瓶。

3.3.4 管裝、涂裝及電裝

由于洗滌水的pH值不同于普通的海水，因此該系統(tǒng)的管材通常有特殊要求。以該項目為例，海水系統(tǒng)管材采用GRE管或鋼管內(nèi)涂PE，排氣系統(tǒng)管材為不銹鋼，堿液管也為不銹鋼，堿液儲存艙為結(jié)構(gòu)艙柜，艙壁特涂，一些含堿液的透氣測深、疏排水圍井等也需特涂處理。另該系統(tǒng)自動化程度極高，電氣相關(guān)箱柜以及電纜的布置等也需重點考慮。

4 結(jié)語

廢氣清洗系統(tǒng)在陸上的應(yīng)用已有較長時間的經(jīng)驗積累，但在國內(nèi)設(shè)計的船上的實際應(yīng)用經(jīng)驗相對缺乏。隨著2020年后船用燃油市場供求關(guān)系的變化，低硫燃油價格或?qū)⒒厣黠@，高硫燃油和低硫燃油的價格差距或?qū)⒅饾u增大，廢氣清洗系統(tǒng)的投資回報年限也將相應(yīng)越來越短，此系統(tǒng)或?qū)⒃?020年之后成為船東/營運方所青睞的一種重要的硫排放解決方案。

廢氣清洗系統(tǒng)設(shè)備繁多且空間需求較大，其對全船的設(shè)計和建造具有重大的影響，因此設(shè)計前期需根據(jù)各個設(shè)備商不同設(shè)備的特點進行多方案的對比，從而選擇最優(yōu)的解決方案。本文通過分析研究2500 TEU集裝箱船項目中廢氣清洗系統(tǒng)的實船應(yīng)用，較為全面介紹了該系統(tǒng)的主要原理以及在設(shè)計過程中的經(jīng)驗總結(jié)，希望對今后實船安裝廢氣清洗系統(tǒng)的船舶設(shè)計能夠具有一定的借鑒和參考價值。