海船鈉堿法濕式廢氣清洗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

聞濤 李春茂

摘 要：隨著2020年國際海事組織限硫令的到來，越來越多的港口和國家加入排放控制區(qū)，要求進入排放控制區(qū)船舶使用含硫量低于0.1%的低硫燃料或使用廢氣清洗系統(tǒng)，本文主要介紹了鈉堿法濕式廢氣清洗系統(tǒng)實船設(shè)計要點及注意事項，以期更多的業(yè)內(nèi)人士交流學(xué)習(xí)，更好地服務(wù)于造船業(yè)。

關(guān)鍵詞：廢氣清洗;脫硫塔;脫硫劑;不銹鋼;洗滌水

隨著人類環(huán)保意識的逐步增強，經(jīng)濟環(huán)保型船舶越來越受到世界各國的青睞，特別是隨著國際海事組織海洋環(huán)境保護委員會（MEPC）2020年全球限硫令的到來，世界各國競相尋求各種簡單有效的方法解決船舶的SOX排放問題。目前較為有效的方法一是直接使用低硫燃油，二是采用廢氣清洗系統(tǒng)，三是采用清潔燃料如天然氣。相對于現(xiàn)階段高硫油與低硫油的高差價和低硫油市場的短期供不應(yīng)求，以及天然氣船舶造價及技術(shù)含量過高，采用廢氣清洗系統(tǒng)顯得更加經(jīng)濟有效。目前市場上采用的廢氣清洗系統(tǒng)一般為鈉堿法（NaOH）和鎂基法（MgO），本文主要介紹海船鈉堿法濕式廢氣清洗系統(tǒng)的設(shè)計安裝要點，以期更多的業(yè)內(nèi)人士能夠共同研究探討進而改善我國船舶廢氣清洗行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。

1國內(nèi)外船舶廢氣清洗技術(shù)發(fā)展趨勢

雖然廢氣清洗的概念很早就已經(jīng)提出并推廣，技術(shù)也日趨成熟，但是該技術(shù)前期主要運用于熱電廠、鋼廠等陸用設(shè)施，海船的使用目前尚處于探索試驗階段，仍需較長的時間來驗證完善。相對而言，國外船舶廢氣清洗技術(shù)起步較早，瓦錫蘭、阿法拉伐、挪威Clean Marine等很早就開始了該技術(shù)的研究，近年來我國的中船711所、上海藍魂、威海普益、佩森環(huán)科等企業(yè)也相繼參與其中，爭奪市場份額，使我國的船舶廢氣清洗技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

2鈉堿法濕式廢氣清洗系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

相對于陸用脫硫設(shè)施，海船脫硫可以充分利用海水的弱堿性，將海水作為主脫硫劑，堿液作為輔助脫硫劑，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計，減少堿液消耗，鈉堿法濕式廢氣清洗系統(tǒng)設(shè)計時常選用50%高濃度NaOH堿液作為輔助脫硫劑。當主、輔機海水冷卻系統(tǒng)具有足夠壓力適合引入廢氣清洗系統(tǒng)時，可直接引入從而降低系統(tǒng)自身海水及NaOH用量。

下圖為挪威Clean Marine公司設(shè)計的混合式濕法廢氣清洗系統(tǒng)的典型示意圖。

該系統(tǒng)脫硫塔分內(nèi)外腔，排氣自外腔頂部進入沿外腔壁下行逐步脫硫，脫硫完成后進入內(nèi)腔底部上行排至大氣。在洗滌水允許排放區(qū)域使用開式系統(tǒng)，洗滌水直接排舷，在禁排區(qū)域采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，洗滌水儲存在船上的儲存艙中，當船舶脫離禁排區(qū)后低速率排放。

下面以該混合式濕法廢氣清洗系統(tǒng)作為基礎(chǔ)簡要介紹此類系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)選擇，以及設(shè)計和施工過程中需要運用的關(guān)鍵技術(shù)和注意事項。

2.1設(shè)計參數(shù)選擇

廢氣清洗系統(tǒng)的大小、前期投入成本及后期運行維護成本的多少與主、輔機煙氣排放量的大小呈正比，與主、輔機負荷狀態(tài)直接相關(guān)。通常柴油機在設(shè)計選型時為保證使用壽命及燃油經(jīng)濟性，預(yù)留有一定的功率儲備，其最大連續(xù)運轉(zhuǎn)工況負荷一般在85%左右，同時主、輔柴油機也可能存在不同時工作的情況。因此廢氣清洗系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選取時應(yīng)按船舶實際正常運營的最大負荷工況設(shè)計，同其他系統(tǒng)一樣廢氣清洗系統(tǒng)設(shè)計時一般也預(yù)留有超負荷運轉(zhuǎn)裕量，完全可以滿足柴油機短時超預(yù)定負荷運轉(zhuǎn)的處理需要。

以一艘漁業(yè)運輸船為例，設(shè)3480kW主機1臺（帶1臺1500kW軸帶發(fā)電機），1100kW柴油發(fā)電機組1臺，740kW柴油發(fā)電機組1臺，其正常航行、低負荷運轉(zhuǎn)、停泊或備車、海上裝卸貨物等4種不同運營作業(yè)工況理論排氣量如下：

由上表1可知，正常航行工況主機85%負荷帶軸帶發(fā)電機為該船實際運營的最大負荷工況，應(yīng)以該工況的理論排氣量來確定脫硫塔、系統(tǒng)艙柜的大小及泵、風(fēng)機等設(shè)備的參數(shù)。

2.2系統(tǒng)防腐蝕技術(shù)

由于海水本身具有一定的腐蝕性，在吸收排氣中的硫化物、煙塵及顆粒物，加入NaOH強堿后化學(xué)性質(zhì)不斷變化，腐蝕性進一步增強。目前已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)早期安裝廢氣清洗系統(tǒng)的船舶出現(xiàn)明顯的局部腐蝕現(xiàn)象，為此各大船級社已開始重視整個廢氣清洗系統(tǒng)的選材及防腐處理工作。設(shè)計時一般可以從以下2個方面進行考慮：

2.2.1特殊選材

不銹鋼材質(zhì)——脫硫塔、系統(tǒng)輔助艙柜、設(shè)備及系統(tǒng)管路優(yōu)選雙相不銹鋼，它的主要特點是屈服強度可達普通不銹鋼的2倍，從而節(jié)約用材。在抗腐蝕方面，特別是介質(zhì)環(huán)境比較惡劣，如海水氯離子含量較高的條件下，雙相不銹鋼的抗點蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞性能具有顯著優(yōu)勢。而對于NaOH溶液輸送儲存系統(tǒng)，化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，當溫度不超過200°F時可選用316L不銹鋼。

玻璃鋼材質(zhì)——玻璃鋼主要運用在系統(tǒng)管路上，玻璃鋼管具有良好的耐腐蝕性、抗老化性、耐熱抗凍性等，同時重量輕、強度高、內(nèi)壁光滑、輸送能力強，不結(jié)垢、不生銹、水阻小維護成本低，不需要進行防銹、防污、絕緣、保溫等措施和檢修，耐磨性好，非常適合廢氣清洗系統(tǒng)的運用。缺點是建造成本高，同時現(xiàn)場修改需要專業(yè)培訓(xùn)人員，修改質(zhì)量不易保證，對船廠的三維放樣率和準確率要求較高。

塑料/橡膠材質(zhì)——對于部分設(shè)備、閥件內(nèi)部與腐蝕性液體接觸的部件及一些按規(guī)范要求可以免除耐火性、安全性的非重要管路，聚乙烯、聚丙烯、PVC、CPVC等塑料材質(zhì)也是一種不錯的選擇，如對于小排量的排放或輸送泵可以選用塑料材質(zhì)的氣動隔膜泵，取樣水管路選用塑料管等。

除上述材質(zhì)外，一些特殊部件或部位也可以考慮采用陶瓷、二氧化硅等特殊材料，當NaOH儲存艙柜加熱盤管或加熱器自身溫度超過200°F時，選用蒙奈爾、英科奈爾、哈氏等鎳基合金。

2.2.2特種涂裝

由于特殊選材普遍存在造價高，現(xiàn)場修改困難等缺點，當脫硫塔本體及系統(tǒng)艙柜體積較大時，選用普通碳鋼材質(zhì)，內(nèi)部進行特種涂裝將大大節(jié)省建造成本，同時降低施工難度。為此可以采取在內(nèi)部噴涂酚醛環(huán)氧漆、玻璃鱗片漆等特種油漆，或內(nèi)部涂塑處理，包括閥門、管路等與腐蝕性液體接觸的部位也可以采用上述方法。

對于排舷外處可能存在的短管及排舷口附近區(qū)域外板應(yīng)予以特別注意，由于不同材質(zhì)相互焊接的工藝性能較差同時存在嚴重的電化學(xué)腐蝕隱患，此處管路及板材的選材一般與整個船體保持一致采用碳鋼。根據(jù)目前部分船舶反饋的信息，此處存在較嚴重的腐蝕情況，同時不易觀察，不易維護保養(yǎng)，為此可選用玻璃鱗片漆進行重防腐厚涂層涂裝以保證特涂效果，該油漆適合浸泡環(huán)境下的內(nèi)襯涂層，具有優(yōu)異的耐化學(xué)品性能，適合嚴酷大氣和浸泡環(huán)境。

2.3脫硫劑混合技術(shù)

硫化物屬于中等溶解度的氣體，隨溫度升高溶解度降低，為提高吸收速度需要同時增大氣相和液相主體的流速、湍度，減薄氣液膜層厚度，增大氣體與液體的分散度，提高吸收過程的推動力，為此可以采用以下幾種方法：

（1）降溫處理——廢氣溫度降低有利于硫化物的吸收，為此可以在廢氣進入脫硫塔后先進行降溫處理，即提前注入部分海水將廢氣溫度降低。

（2）結(jié)構(gòu)化設(shè)計——脫硫塔內(nèi)部適當增加部分網(wǎng)狀或環(huán)狀實體填料，增加脫硫劑與尾氣接觸面積及液體停留時間。同時可以將脫硫塔本體進行特殊的螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓脫硫塔腔內(nèi)海水及脫硫劑在廢氣增壓風(fēng)機的引導(dǎo)下產(chǎn)生高速渦流，提高氣液流速及湍度。

（3）提高氣液流速——選用高揚程的脫硫劑注入泵，提高霧化后的噴射流速，引入廢氣增壓風(fēng)機提高氣液混合的速度。

（4）增大液體分散度——采用高效霧化噴嘴將脫硫劑分散成微小液滴，增加吸收面積及分散度，常用的有螺旋噴嘴、實心錐噴嘴、空心錐噴嘴、扇形噴嘴等。也可以引入增壓風(fēng)機將上述噴嘴改進為壓力-氣流型噴嘴，進一步提高分散度、流速及湍度。噴嘴的數(shù)量及布置根據(jù)脫硫塔的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計確定，保證盡可能大的覆蓋面積且各噴嘴覆蓋區(qū)域互不干涉。

2.4排氣背壓控制技術(shù)

為盡可能節(jié)約空間，簡化工藝流程，主、輔機一般采用集中式廢氣處理，即主、輔機共用一個脫硫塔。由于主、輔機負荷一直處于連續(xù)的變化狀態(tài)，排氣背壓過高造成柴油機性能惡化，排氣背壓過低排氣門提前開啟造成功率損失，此時需要采取排氣背壓控制技術(shù)，設(shè)計上可以采用以下方法：

2.4.1加大脫硫塔通流面積

該法適用于底部進氣脫硫塔，且要求實船有足夠的空間，柴油機的排氣通常會經(jīng)過鍋爐或消音器后排放，該法的采用相對較為困難。

2.4.2引入廢氣增壓風(fēng)機（變頻控制）

在空間有限的情況引入廢氣增壓風(fēng)機讓脫硫塔的設(shè)計更加靈活，此時可以在脫硫前使用高溫風(fēng)機或在脫硫過程中使用低溫風(fēng)機。利用廢氣混合點引入的壓力傳感器隨時對排氣壓力進行實時監(jiān)測，從而對廢氣增壓風(fēng)機的風(fēng)量進行變頻控制。

2.4.3廢氣再循環(huán)

上述廢氣增壓風(fēng)機也可以選用定頻風(fēng)機配合廢氣再循環(huán)技術(shù)，即將清洗凈化處理的干凈廢氣部分再循環(huán)引入風(fēng)機入口，作為負荷降低時廢氣的補充，以免排氣背壓過低造成功率損失，廢氣混合點的壓力作為廢氣再循環(huán)量的控制參數(shù)。

2.5遙控技術(shù)

廢氣清洗系統(tǒng)是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及很多的泵和閥門，而這些泵和閥門的布置往往比較分散，在開式和閉式模式又需要按順序啟閉，為減少船員工作量，通常采用遙控系統(tǒng)。泵的控制較為簡單，電控即可，閥門遙控通常有氣動式、液動式、電液式，相比液動式及電液式，氣動造價低，氣源來源簡單，可以直接利用實船現(xiàn)有氣源，維護更方便，因此氣動式性價比相對較高。

2.6變頻節(jié)能控制技術(shù)

由于船舶運營工況柴油機負荷在不斷變化，同時不同海域海水堿值不同，因此脫硫塔需要適應(yīng)不同負荷工況及不同海域的工作需要，為此可以引入變頻控制技術(shù)。變頻器除對電機實現(xiàn)軟啟動的同時提供過載保護功能外，更能根據(jù)負荷調(diào)整設(shè)備的工作參數(shù)，節(jié)能減排。在廢氣清洗系統(tǒng)中如下控制可以選用變頻技術(shù)：①海水變頻流量調(diào)節(jié);②NaOH變頻定量供給;③廢氣增壓風(fēng)機變頻控制排氣背壓。

2.7取樣檢測技術(shù)

洗滌水的PH值，PAH值，渾濁度、硝酸鹽含量以及排放廢氣的硫碳比（SO2/CO2 比值）需要按MARPOL公約及船級社規(guī)范進行檢測，檢測設(shè)備一般由專業(yè)的生產(chǎn)廠家提供，并帶有船檢認可的有效證書，目前已經(jīng)有眾多的大型專業(yè)生產(chǎn)廠家可供選擇，檢測設(shè)備和技術(shù)已經(jīng)很成熟。

取樣檢測設(shè)計時重點需要關(guān)注取樣點的設(shè)計，保證取樣能夠連續(xù)進行，其設(shè)計好壞將直接影響檢測結(jié)果的準確性。取樣檢測設(shè)計包括取樣管布置的先后順序及取樣點的選擇，取樣檢測后的排放水可能會添加一些檢測試劑影響下一環(huán)節(jié)的檢測結(jié)果，因此需要合理選擇取樣點和檢測后洗滌水的排放點位置。由于排舷外管路一般采用加大管徑重力排舷，無法保證管內(nèi)始終充滿液體，同時洗滌水中混合有大量的氣體，因此取樣點的選擇應(yīng)利于樣本的連續(xù)輸入和氣體的順利析出，為此取樣點應(yīng)選擇水平管路的最低點或設(shè)置樣本收集裝置和自動排氣裝置。

2.8液艙液位測量控制技術(shù)

在脫硫工況，尤其是閉式循環(huán)脫硫，眾多的系統(tǒng)艙柜將參與整個廢氣清洗過程，各系統(tǒng)艙柜的液位自動控制及報警需要根據(jù)不同廠家廢氣清洗系統(tǒng)設(shè)計要求進行確定，設(shè)計時需要注意傳感器的耐腐蝕性。

2.9超大型設(shè)備安裝技術(shù)

為增大氣液接觸面積和延長混合作用時間，脫硫塔往往尺寸較大，高度通常會達到10m以上，給運輸及實船的布置安裝帶來很大困難，為此可將脫硫塔設(shè)計成分體式，尤其出口設(shè)備時優(yōu)勢將更加明顯。實船組裝時為避免下部支撐安裝誤差導(dǎo)致頂部偏移過大，需要嚴格限制下部支撐安裝誤差，為此可以借助激光經(jīng)緯儀進行輔助安裝，如下圖所示：

2.10其他注意事項

2.10.1腐蝕余量

未特殊選材時系統(tǒng)用材應(yīng)考慮腐蝕余量，如NaOH儲存艙柜采用普通鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮增加3mm以上的腐蝕余量。

2.10.2 NaOH艙柜及管路保溫

NaOH溶液溫度過低易結(jié)晶，溫度過高腐蝕性增強，儲存及輸送的最佳溫度為25～40℃，實船可采用蒸汽加熱、電加熱、熱水加熱、電伴熱等不同形式并做好保溫措施。

2.10.3管徑選擇及管路布置

由于洗滌水中含有脫硫劑與SOx 等有害物質(zhì)反應(yīng)后生成的副產(chǎn)物、未反應(yīng)的脫硫劑和雜質(zhì)，以及系統(tǒng)捕集的煙塵顆粒等混合物。洗滌水和取樣管路的布置應(yīng)適當加大管徑并保證有連續(xù)向下的斜度，利于脫硫渣的排放，以免脫硫渣聚集阻塞管路，NaOH輸送管路也應(yīng)加大管徑以免結(jié)晶堵塞。

排舷口的布置應(yīng)保證其始終處于水線以下，并采取有效措施防止舷外水倒流，排舷口的設(shè)計需要遠離吸入口及推進器區(qū)域。

NaOH管系易采用焊接或法蘭連接代替螺紋連接，降低泄漏風(fēng)險，同時還應(yīng)設(shè)置排空及沖洗設(shè)施。

2.10.4泄漏處理

NaOH系統(tǒng)應(yīng)配置獨立的艙底水系統(tǒng)及泄漏報警系統(tǒng)，以便收集泄漏的堿液。

2.10.5安全性

脫硫塔還應(yīng)具有有效的旁通與隔離裝置、緊急停機裝置，當脫硫塔故障時不應(yīng)影響柴油機的正常工作，脫硫塔故障或緊急停機后旁通裝置應(yīng)能自動恢復(fù)到柴油機可以獨立運行狀態(tài)。

2.10.6操作人員個人防護

由于NaOH屬于高危險的腐蝕性化學(xué)品，除進行正常的功能性設(shè)計外，還需要注意系統(tǒng)防護及個人防護。如按規(guī)范及公約要求配備好防護用具（防護服、防護面罩、防護手套等）、清洗用具（洗眼器、噴淋清洗器具等）、警示牌（提醒該區(qū)域儲存NaOH或該管路輸送NaOH，同時注明泄漏或操作失誤沾染后的簡單的處理方法），法蘭接頭易泄漏處設(shè)置防濺帶等。

3結(jié)語

本文簡單介紹了海船鈉堿法濕式廢氣清洗系統(tǒng)設(shè)計要點及注意事項，通過以上介紹可以看出，船舶廢氣清洗系統(tǒng)屬于一個復(fù)雜的新型系統(tǒng)，所采用的新技術(shù)、新工藝相對較多，需要設(shè)計及施工注意的事項較多。相對于船上其他系統(tǒng)，該系統(tǒng)仍處于一種逐步探索驗證的階段，給設(shè)計施工帶來了一定的困難，但是隨著時間的推移，經(jīng)驗的積累，該技術(shù)將日趨成熟完善。

參考文獻：

[1]中國船級社.船舶廢氣清洗系統(tǒng)設(shè)計與安裝指南[Z].北京：人民交通出版社，2015.

[2]中國船級社.船舶廢氣清洗系統(tǒng)試驗及檢驗指南[Z].北京：人民交通出版社，2016.

[3]董凡新.船舶脫硫塔分類及船上應(yīng)用分析[J].中國水運，2019（07）：77-78.

[4]劉周書.船舶柴油機廢氣排放及控制技術(shù)[J].南方農(nóng)機，2017，48（11）：142-143.

[5] 宋任健.船舶脫硫系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計[J].科技新時代，2018.