大洋勘探船柴油機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)探索

魯 建 霍海鰲 陶富平

（上海外高橋造船有限公司 上海200137）

引 言

隨著海洋資源勘探開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展，對(duì)海洋環(huán)境帶來(lái)的污染也日趨嚴(yán)重。有效控制海洋環(huán)境污染，加強(qiáng)海洋環(huán)境保護(hù)，是海洋資源勘探開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。海洋資源勘探離不開(kāi)最為關(guān)鍵的核心工具——大洋勘探船，大洋勘探船是目前全世界深海高技術(shù)的集成，目前中國(guó)海洋事業(yè)還很落后，但是對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)海洋大國(guó)，設(shè)計(jì)建造屬于自己的大洋勘探船迫在眉睫。一方面需要向海洋索取資源，另一方面又要保護(hù)海洋環(huán)境，所以我們需要設(shè)計(jì)環(huán)保型大洋勘探船，依靠現(xiàn)有技術(shù)盡量把對(duì)海洋的污染降到最低。本文主要探索和研究大洋勘探船柴油機(jī)排放控制技術(shù)方案及選型，將針對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生的氮氧化物及硫化物等排放控制方案進(jìn)行研究，以滿(mǎn)足TIER III 及排放控制區(qū)的要求。

IMO 海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）在2014年4 月4 日舉行的第66 次大會(huì)以MEPC.251（66）決議通過(guò)對(duì)Tier III 技術(shù)發(fā)展情況的評(píng)審和反復(fù)的討論，最終確定維持Tier III NOX排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時(shí)間為2016 年1 月1 日生效。新規(guī)則要求在排放控制區(qū)內(nèi)NOX排放達(dá)到Tier III 標(biāo)準(zhǔn)，而Tier III 相對(duì)于Tier II 可以說(shuō)是質(zhì)的飛躍，排放量相對(duì)于Tier II 降低約76%，隨著不斷有新的區(qū)域被指定為排放控制區(qū)（ECA），意味著越來(lái)越多的船舶將安裝滿(mǎn)足Tier III 要求的柴油機(jī)。

根據(jù)國(guó)際防止船舶造成污染公約（MAPROL 73/78）附則VI 及IMO 海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）的 MEPC.280（70）決議，全球性的船舶硫含量標(biāo)準(zhǔn)0.5%m/m 將于2020 年1 月1 日生效實(shí)施［2］。另外我國(guó)排放控制區(qū)自2019 年1 月1 日起在沿?？刂茀^(qū)內(nèi)航行及靠岸停泊，均應(yīng)使用硫含量≤0.5%m/m 的燃油；自2020 年1 月1 日起，船舶在沿海控制區(qū)內(nèi)航行，應(yīng)使用硫含量≤0.5%m/m 的燃油，靠岸停泊應(yīng)使用硫含量≤0.1%m/m 的燃油。

針對(duì)NOX和SOX排放控制，對(duì)于柴油機(jī)為主要?jiǎng)恿Φ拇岸耘艢庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜，為了滿(mǎn)足相關(guān)環(huán)保法規(guī)，需要增加很多相關(guān)的設(shè)備，船舶柴油機(jī)排氣管路本身就很大，所配備的減排設(shè)備更加龐大，所以本文將從設(shè)備選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備布置等方面來(lái)探索大洋勘探船排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)介紹

1.1 NOX排放控制技術(shù)

目前可用于IMO NOXTier III 限制的技術(shù)目前主要有3 種：

（1）選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)

此屬于尾氣后處理技術(shù)，應(yīng)用最廣，已廣泛用于發(fā)電廠和汽車(chē)。原理是在含有氮氧化合物NOX的尾氣中噴入氨氣、尿素或者其他含氮化合物，使之與尾氣中的NOX進(jìn)行催化還原反應(yīng)，生成無(wú)毒無(wú)污染的氮?dú)夂退?，從而達(dá)到凈化發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣體中的NOX。在較理想的運(yùn)營(yíng)條件下可實(shí)現(xiàn)氮氧化合物減排90%［3］以上。其主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下［4］：

（2）廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)

該技術(shù)基于將一部分廢氣返回到燃燒室，從而降低燃燒溫度的原理。從燃燒理論上講，NOX排放是良好燃燒的副產(chǎn)品，因此要降低NOX排放就不可避免要降低柴油機(jī)的熱效率，使柴油機(jī)運(yùn)營(yíng)成本增加［5］， 而EGR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氮氧化合物減排80%以上。

（3）替代能源LNG

該技術(shù)能完全解決SOX和NOX排放要求，但由于LNG 密度低，故需儲(chǔ)存更多的燃料以保持相同的航行范圍。

關(guān)于上述三種NOX排放控制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 NOX排放控制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

1.2 SOX排放控制技術(shù)

目前可用于IMO SOX排放控制技術(shù)也主要有三種：

（1）使用低硫油燃料，如船用輕柴油（MGO）或某些與燃料油混合的燃料；

（2）使用替代能源LNG，目前是最引人注目的，正處在上升期；

（3） 使用一個(gè)洗滌器系統(tǒng)來(lái)清除船舶排放廢氣中的SOX顆粒，從而允許使用常規(guī)燃油。

關(guān)于上述三種SOX排放控制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比詳見(jiàn)表2。

表2 NOX排放控制技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

其中1.2 節(jié)中第三條SOX洗滌技術(shù)目前主要有開(kāi)式模式，閉式模式和混合模式三種：

（1）開(kāi)式模式

直接用海水脫硫。天然海水中含有大量的可溶性鹽類(lèi)，主要成份是氯化物和硫酸鹽，PH 值一般在7.5～8.5，具有天然的酸堿緩沖及吸收酸性氣體的能力，故可利用海水吸收船舶動(dòng)力裝置廢氣中的SOX。海水煙氣脫硫總的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：（2）閉式模式

閉式洗滌利用自身攜帶的堿性物質(zhì)作為洗滌劑，吸收廢氣中的SOX，將脫硫塔中的洗滌水排入船上收集柜，等待岸上或者第三方接收。

（3）混合模式

結(jié)合了開(kāi)式和閉式洗滌系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，避免了各自的不足，根據(jù)航行的水域靈活切換，但因兼具開(kāi)式閉式功能使系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。

三種洗滌方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表3［7］。

表3 SOX洗滌技術(shù)對(duì)比

2 系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

2.1 NOX排放控制方案選擇

對(duì)于脫硝系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前基本上都是選擇比較成熟的選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)，對(duì)于技術(shù)不是很成熟的EGR 系統(tǒng)選擇不多，結(jié)合大洋勘探船的工作特性，長(zhǎng)時(shí)間在非排放限制海域工作，滿(mǎn)足Tier II 即可，所以從經(jīng)濟(jì)性方面考慮選擇成本最低的SCR 系統(tǒng)最合適，SCR 系統(tǒng)最大的成本是使用的尿素比較貴，但是由于大洋勘探船的工作特性，基本上可以省掉尿素的使用成本，只有在限制排放區(qū)域才需要消耗。

2.2 SOX排放控制方案選擇

選用LNG 對(duì)建造成本影響很大，且由于LNG相關(guān)配套設(shè)施不完善（如加注燃料等），尤其像大洋勘探船這種工作船，長(zhǎng)期在海上工作不靠港口，若選用含硫量低的燃油，使用成本會(huì)很高。目前低硫燃油和高硫燃油價(jià)差約200～250 美元/t，根據(jù)該項(xiàng)目配備的6（5+1）臺(tái)4 200 kW 發(fā)電機(jī)組，每天燃油消耗約100 t，每天的差價(jià)則為2 萬(wàn)至2.5萬(wàn)美元，一年便在800 萬(wàn)美元左右。而一套洗滌系統(tǒng)只需約450 萬(wàn)美元，半年多即可收回成本。所以從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選用脫硫洗滌設(shè)備很經(jīng)濟(jì)。

大洋勘探船屬于工作船，長(zhǎng)時(shí)間在海上作業(yè)，閉式洗滌或者混合洗滌塔由于長(zhǎng)時(shí)間不靠港口碼頭，很難處理洗滌水，在船上存儲(chǔ)大量洗滌塔用水并不可行；而對(duì)于開(kāi)式系統(tǒng)而言，就不存在處理洗滌水這方面的問(wèn)題。開(kāi)式的洗滌水可以直接排海，從經(jīng)濟(jì)和設(shè)計(jì)來(lái)看都是開(kāi)式系統(tǒng)占優(yōu)。據(jù)最新消息，目前開(kāi)式洗滌系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題是各大港口對(duì)于開(kāi)式將洗滌水直接排海有所顧慮，雖然目前禁用開(kāi)環(huán)式洗滌塔的地區(qū)決議都是僅從理論出發(fā)，缺乏科學(xué)依據(jù)，沒(méi)有任何證據(jù)能說(shuō)明廢氣清潔系統(tǒng)排放的廢水會(huì)造成環(huán)境問(wèn)題，但仍有很多國(guó)家和港口宣布禁止在其水域使用開(kāi)式洗滌塔。不過(guò)，這方面問(wèn)題對(duì)大洋勘探船這類(lèi)很少靠港的工作船來(lái)說(shuō)基本可以避免。所以綜合來(lái)看，對(duì)于大洋勘探船而言，選擇開(kāi)式洗滌系統(tǒng)是最合適的。但鑒于發(fā)電機(jī)組啟停需要用到輕油，以及考慮到潛在的部分港口不允許排放洗滌水，因此大洋勘探船還是配備了一定容積的MGO 艙。

2.3 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于大洋勘探船深海工作的特點(diǎn)，位置需保持在某一固定范圍內(nèi)，故采用DP-2 設(shè)計(jì)。根據(jù)DP-2 的要求，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮冗余，大洋勘探船六臺(tái)發(fā)電機(jī)組分為兩組，每組相關(guān)脫硫脫硝設(shè)備規(guī)格選型都一樣。另外根據(jù)前文NOX和SOX排放控制方案選擇，設(shè)繪了大洋勘探船排氣系統(tǒng)原理圖（見(jiàn)下頁(yè)圖1）。圖1 僅是其中一組，另外一組與其相似。

排氣管路簡(jiǎn)要流程如下：發(fā)電機(jī)組排氣各自經(jīng)過(guò)SCR 反應(yīng)器總成進(jìn)行脫硝處理，脫硝設(shè)備有2個(gè)進(jìn)口，一個(gè)是脫硝進(jìn)口，另一個(gè)是在非排放限制區(qū)域旁通進(jìn)口，處理后的廢氣經(jīng)過(guò)消音器后匯總至洗滌塔脫硫洗滌處理，脫硫洗滌系統(tǒng)通過(guò)3 臺(tái)海水泵從海底門(mén)吸入海水送進(jìn)洗滌塔內(nèi)洗滌廢氣，洗滌后的廢水經(jīng)過(guò)排水分析裝置后排放入海，另外進(jìn)洗滌塔之前排氣管還有旁通管路在非排放限制控制區(qū)域直接排放。

3 排氣系統(tǒng)設(shè)備布置

排氣系統(tǒng)中主要包含了脫硫設(shè)備和脫硝設(shè)備，根據(jù)配置的發(fā)電機(jī)組，選擇的脫硝系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)的設(shè)備尺寸見(jiàn)下頁(yè)表4（設(shè)備數(shù)量已考慮DP-2冗余設(shè)計(jì)）。

由表4 可見(jiàn)，這些設(shè)備布置的難點(diǎn)在于脫硫設(shè)備中的洗滌塔，排氣管本身尺寸已經(jīng)最大（DN700），而每臺(tái)洗滌塔是由3 臺(tái)發(fā)電機(jī)組排氣管匯總后進(jìn)入洗滌塔統(tǒng)一脫硫處理，所以洗滌塔尺寸非常大，整個(gè)排煙通道如果按照洗滌塔尺寸設(shè)計(jì)就會(huì)占用船舶大量空間，而大洋勘探船屬于中型機(jī)艙布局，機(jī)艙布置在船舶中部，前面是生活區(qū)后面是實(shí)驗(yàn)區(qū)，布局很緊湊，同時(shí)還要考慮機(jī)艙的通風(fēng)管路布置，所以為考慮在主船體內(nèi)盡量節(jié)省空間，需根據(jù)排氣管和排氣管路設(shè)備的具體布置情況來(lái)確定排氣通道，確保不浪費(fèi)寶貴的空間。根據(jù)圖1系統(tǒng)原理圖，洗滌塔在排氣管的末端，可在排氣管出主船體后的煙囪再擴(kuò)大，以確保洗滌塔的布置并保證足夠的維修空間。而在主船體內(nèi)部主要是發(fā)電機(jī)SCR 反應(yīng)器總成布置，排氣通道也需擴(kuò)大以滿(mǎn)足SCR 設(shè)備安裝和維修要求，具體布置見(jiàn)圖2 和下頁(yè)圖3。

圖1 排氣系統(tǒng)原理圖

表4 排氣系統(tǒng)主要設(shè)備

圖2 排氣管布置圖（側(cè)視圖）

圖3 排氣管布置圖（主視圖）

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于NOX排放控制技術(shù)，隨著EGR 技術(shù)的成熟可能會(huì)逐漸應(yīng)用，對(duì)船廠會(huì)方便很多，且省卻很多額外的設(shè)備和管路布置；而對(duì)于開(kāi)式脫硫系統(tǒng)，雖然根據(jù)目前公約要求可以滿(mǎn)足，但仍有很多不足，如將洗滌水直接排入大海，已受到很多港口抵制。IMO 目前正在研究對(duì)策，不久的將來(lái)對(duì)于脫硫設(shè)備應(yīng)該還會(huì)制訂相關(guān)規(guī)范公約。此外，很多更新的排放控制技術(shù)也正在研究之中，如脫硫脫硝一體化技術(shù)的研究［8］。