船舶廢氣脫硫處理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

摘要：由于國(guó)際防止船舶造成污染公約的嚴(yán)格限硫令到期生效，很多遠(yuǎn)洋船舶需在豁免期限內(nèi)對(duì)船舶做措施以降低廢氣排放的硫化物、氮化物，除了使用低硫燃油，很多船東選擇對(duì)廢氣加裝脫硫裝置來(lái)處理。本文展開(kāi)一艘8萬(wàn)多載重噸的散貨船加裝開(kāi)環(huán)式、背包式脫硫塔的設(shè)計(jì)，通過(guò)全面專業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明脫硫系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容，分析圍繞脫硫系統(tǒng)服務(wù)的配套專業(yè)設(shè)計(jì)原因，供行業(yè)人員加深理解和提高設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì);脫硫系統(tǒng);脫硫塔;新煙囪

一、船舶廢氣脫硫處理的背景

由于2016年的國(guó)際海事組織IMO MEPC 70決議規(guī)定，全球船舶廢氣排放的硫含量從3.5% 降為0.5%，限硫令在2020 年1 月1 日正式生效;2018年11月中國(guó)交通運(yùn)輸部頒布《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，將限硫區(qū)域擴(kuò)大到整個(gè)沿海區(qū)域。船舶為了避免廢氣排放的硫含量超標(biāo)，可以采取使用低硫油、加裝脫硫塔或其他清潔能源，但是由于之前油價(jià)較高，并且現(xiàn)階段全球低硫油供應(yīng)量低，即使擴(kuò)張產(chǎn)能，全球煉油廠的產(chǎn)量在未來(lái)幾年還不滿足全部船舶所需，而采用LNG、乙醇等其他燃料的改裝成本比較高，并且港口供應(yīng)受限制，而現(xiàn)在很多運(yùn)營(yíng)的船舶還是使用重油做燃料，考慮總體運(yùn)營(yíng)成本，相對(duì)來(lái)說(shuō)船舶加裝脫硫塔的改裝費(fèi)用會(huì)比較低、難度小、性價(jià)比比較高，因此使得許多船東選擇對(duì)運(yùn)營(yíng)船舶進(jìn)行加裝脫硫塔，對(duì)船舶廢氣排放進(jìn)行脫硫處理。

二、脫硫塔布局設(shè)計(jì)

本船的新脫硫塔煙囪采用背包式，設(shè)計(jì)在舊煙囪的左舷及后側(cè)，底層甲板和B甲板相連，這樣能方便人員從底層B甲板走到生活區(qū)，在新煙囪里面布置新加的脫硫塔、設(shè)備、管路、電纜等。設(shè)計(jì)布局利用了舊煙囪的部分側(cè)面，從而減少一部分船舶側(cè)風(fēng)受力面積，對(duì)船舶穩(wěn)性影響增加不大，在煙囪后的背包式設(shè)計(jì)在船舶總體上是最好利用的位置。

本船的脫硫塔呈U型，直徑3米、高9米，加上脫硫塔周邊附件和排煙管等，這是占用新煙囪空間最大的設(shè)備，另外還布置一些操縱設(shè)備、風(fēng)機(jī)、電箱、儀器和檢測(cè)探頭等設(shè)備。在船上有限的位置要騰出空間來(lái)布置這么多的設(shè)備是非常不容易，同時(shí)脫硫塔是處理廢氣排放，溫度比較高，只能在煙囪周邊才是最合適的，因此在利用舊煙囪的尾部上方空間，在尾部主甲板上方布置新煙囪房間，通過(guò)支撐柱子來(lái)懸空于船尾甲板纜機(jī)的上方，從而不影響纜機(jī)使用，也不影響人員從尾部的救生艇逃生。

新煙囪里按格柵平臺(tái)分5層，在第1層布置監(jiān)控設(shè)備柜、多個(gè)電箱等電氣設(shè)備，第2～4層都是格柵平臺(tái)沒(méi)設(shè)備，在頂部第5層布置2臺(tái)煙氣風(fēng)機(jī)、煙氣檢測(cè)儀。

三、煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在尾部增加新的脫硫塔煙囪結(jié)構(gòu)。這里不在較強(qiáng)的受力區(qū)域，不參與船舶總縱強(qiáng)度計(jì)算，因此設(shè)計(jì)所用的板厚、加強(qiáng)筋的規(guī)格基本上是參照原船舊煙囪結(jié)構(gòu)。新煙囪最大外形尺寸是長(zhǎng)×寬×高≈10m×6.4m×15m，為了盡量減少重量，只在在底部和頂層是設(shè)計(jì)連續(xù)的甲板，在垂直方向的中間區(qū)域設(shè)計(jì)4個(gè)水平強(qiáng)框架--腹板是430mm的T型梁，防止新煙囪在垂向變形。頂層甲板厚度是10mm，圍壁板厚度是8mm，加強(qiáng)筋采用L150×90×10的角鋼。這兩層甲板和舊煙囪的甲板板連接，加上兩道圍壁和舊煙囪垂直連接，采用雙面連續(xù)焊來(lái)保證連接強(qiáng)度。整個(gè)新煙囪結(jié)構(gòu)，加上脫硫塔、鐵舾裝、各類設(shè)備的總重近150噸，由于這些都不會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，因此在下方的設(shè)計(jì)4根規(guī)格為□350mm的方管做柱子來(lái)支撐就滿足了支撐強(qiáng)度要求。支柱坐落在尾甲板的強(qiáng)框架上，在柱子上端、下端增加三角肘板來(lái)加強(qiáng)連接。

其次是對(duì)原船舊結(jié)構(gòu)的改動(dòng)設(shè)計(jì)。在和新煙囪連接的一面，原船舊煙囪上需開(kāi)4個(gè)管孔650mm×700mm，開(kāi)一個(gè)1400mm×2000mm孔供DN1400mm排煙管傾斜接入，在頂部開(kāi)一個(gè)600mm×1800mm門孔供新舊煙囪連通，開(kāi)孔之后的四周需增加角鋼來(lái)做加強(qiáng)筋。在上面4根柱子的尾甲板的下面，就是舵機(jī)艙的頂部，需要增加一些加強(qiáng)肘板，防止尾甲板局部受力不夠。

四、廢氣及管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輪機(jī)及管路設(shè)計(jì)是圍繞脫硫塔展開(kāi)形成整個(gè)脫硫系統(tǒng)，主要是將原船煙囪的廢氣排放系統(tǒng)增加支管導(dǎo)入到新的脫硫塔，增加供給脫硫塔的海水系統(tǒng)、廢水排水系統(tǒng)、密封空氣管系統(tǒng)、雨水排水管等相關(guān)管路系統(tǒng)及管路閥件和附件等，并對(duì)原船機(jī)艙的一些管路進(jìn)行了局部改裝，在新煙囪房間頂部增加2臺(tái)風(fēng)機(jī)等。

（一）廢氣排氣處理系統(tǒng)

本船的主機(jī)功率是10300kW;有3臺(tái)發(fā)電機(jī)，單臺(tái)的功率是600kW、720rpm;1臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)的功率是125kW，1800rpm。MARPOL防污染公約對(duì)應(yīng)急發(fā)電機(jī)的廢氣沒(méi)規(guī)定必須脫硫，而船舶主機(jī)和發(fā)電機(jī)都是燃燒重油之后會(huì)排出含硫比較多的廢氣，因此它們的廢氣都需要匯集到脫硫塔去處理，在煙囪里對(duì)它們的排煙管設(shè)計(jì)增加旁通煙氣閥來(lái)截流廢氣到新煙囪里的脫硫塔，同時(shí)增加煙氣探頭。

本船主機(jī)排煙管直徑達(dá)到1200mm，發(fā)電機(jī)的排煙管直徑是300mm，脫硫塔的U型接口使得接入的煙氣需先朝下走一段路，而U型接口直徑是1300mm，因此主機(jī)和發(fā)電機(jī)的廢氣匯集管需增大100mm達(dá)到1400mm才能方便煙氣順暢通過(guò)。這段匯集煙氣的過(guò)渡管的材質(zhì)和原來(lái)連接的排煙管的材質(zhì)一致，都是耐高溫、耐腐蝕的不銹鋼管，采用日標(biāo)JISG3454的SS400材質(zhì)。排出的廢氣所包含的硫化物、氮氧化物經(jīng)過(guò)脫硫塔時(shí)會(huì)和海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生硫酸、硝酸，這些酸有一小部分會(huì)霧化和伴隨廢氣揮發(fā)排出，因此在脫硫塔頂部的排煙管需要采用更高要求的雙相不銹鋼管，防止被酸性氣體腐蝕。

1.1供給冷卻海水系統(tǒng)

在機(jī)艙底部設(shè)計(jì)增加2臺(tái)海水泵，將海水供應(yīng)到新脫硫塔里噴淋廢氣。由于原船機(jī)艙底層布置滿各類設(shè)備，空間有限，還要考慮增加壓載水處理設(shè)備和維修空間，經(jīng)過(guò)勘驗(yàn)原船實(shí)際環(huán)境，需要對(duì)機(jī)艙的一些管路、花紋板進(jìn)行修改來(lái)騰出一些空間，可以在機(jī)艙前壁靠左的角落布置2臺(tái)海水泵，將海水濾器藏于機(jī)艙花紋板底下。新的海水供給系統(tǒng)的管子不是碳鋼管，設(shè)計(jì)采用玻璃鋼管（GRE），這是為了防止碳鋼管路會(huì)有銹蝕的海水對(duì)脫硫塔噴淋堿液產(chǎn)生硫化鐵等不良雜質(zhì)，降低了脫硫功效。海水沿著玻璃鋼管從機(jī)艙底部提升到新脫硫塔頂部，垂直高度約30多米，壓力非常大，對(duì)海水泵的提升能力要求比較高，因此海水泵的馬達(dá)設(shè)計(jì)采用變頻的、大功率的才能滿足。

（二）排水系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)噴淋脫硫塔的海水需要排出船外。呈弱堿性的海水從脫硫塔的中上部噴淋和廢氣中的SOx、NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之后生產(chǎn)一些硫酸、硝酸等酸性化合物，然后從脫硫塔的底部排出，經(jīng)過(guò)一小段耐腐蝕的雙相不銹鋼管，連接到玻璃鋼管流到機(jī)艙舷外。排水的玻璃鋼管一般從機(jī)艙靠尾部的舷側(cè)排出，排口需離螺旋槳比較長(zhǎng)的一段距離，防止酸性廢水腐蝕螺旋槳葉。排舷口的外板表面需要涂一層耐酸堿的特種防腐油漆，以排水口為中心周邊面積需涂超過(guò)60平方米，直徑約是4.5米的圓形區(qū)域。

（三）氣封管系統(tǒng)

新加一套氣封管系統(tǒng)，從原船壓縮空氣系統(tǒng)接引壓縮氣體，輸送到上述管路系統(tǒng)需要用到壓縮空氣控制的閥門，控制空氣、密封空氣、海水管路閥等等。脫硫塔周邊多個(gè)海水噴淋管的閥門通過(guò)壓縮空氣來(lái)控制開(kāi)和關(guān);排煙管的煙氣閥通過(guò)電動(dòng)控制壓縮空氣進(jìn)出來(lái)控制開(kāi)和關(guān)。

五、舾裝平臺(tái)、防火及救生設(shè)計(jì)

舾裝的設(shè)計(jì)主要是在新煙囪里布置直梯和格柵平臺(tái)，讓船員方便走動(dòng)到各處和考慮維護(hù)方便等內(nèi)容。本船在新煙囪里增加4層鋼格柵平臺(tái)，每一層高度是2.8米，圍繞脫硫塔周邊錯(cuò)開(kāi)管子來(lái)布置，貼近脫硫塔，方便人站在平臺(tái)上能觀察到閥門、探頭、電器設(shè)備等位置，即使以后要儀器壞了需要更換，也可以方便人手施工操作。有些排煙管的煙氣閥的儀器稍高，則需要在其下方增加一個(gè)踏步平臺(tái)，人員站上去就足夠高度進(jìn)行觀察。由于脫硫塔周邊的玻璃鋼管走向、位置不同，因此鋼格柵平臺(tái)需預(yù)先按管子穿越的坐標(biāo)留開(kāi)孔，孔的大小要大于閥門的最大外圍直徑，才能讓管子連帶閥件在安裝時(shí)穿過(guò)。

防火及應(yīng)急逃生的相關(guān)設(shè)計(jì)包括直梯、蓋子、百葉窗通風(fēng)、滅火瓶等。直梯的布置需要十分的講究，既要考慮上下方便，又要考慮從上到下的應(yīng)急逃生便捷、順暢，因此在格柵平臺(tái)的開(kāi)孔需要設(shè)計(jì)為800x800毫米大。在新煙囪頂層布置一個(gè)風(fēng)雨密小倉(cāng)蓋，蓋章是可以從下面往上推開(kāi)的樣式，作為防止煙囪里面著火、冒煙時(shí)往上走的逃生方向。新煙囪及脫硫塔沒(méi)易燃的物品，為了防止電氣設(shè)備及電纜等著火，在有電氣設(shè)備多的底層和頂層各放置一個(gè)5KG的二氧化碳干粉滅火器瓶，在中層放置4個(gè)隔煙面罩。

另外，還有很多的鐵舾裝件，新增加的設(shè)備基座包括有：風(fēng)機(jī)基座、電箱架子、脫硫儀器監(jiān)測(cè)底座、海水泵基座、百葉窗、機(jī)艙底層花鋼板等。

六、電氣設(shè)備及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新增加的脫硫設(shè)備的電力都從原船電氣系統(tǒng)引出，需要修改原來(lái)的相關(guān)電氣系統(tǒng)圖，相對(duì)來(lái)說(shuō)脫硫系統(tǒng)所涉及的電氣改裝難度不大，主要的改裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)有：電力負(fù)荷分析計(jì)算書(shū)、主干電纜系統(tǒng)、駕駛室電氣系統(tǒng)圖、機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)圖、照明系統(tǒng)圖，還需增加電氣設(shè)備布置圖、照明燈布置圖。

增加的電氣設(shè)備有照明燈、脫硫塔監(jiān)控設(shè)備、煙氣探頭、廢水監(jiān)測(cè)儀器、海水泵的變頻器、各類設(shè)備的開(kāi)關(guān)遙控和電箱等，還有這些電氣設(shè)備的支架、電纜、電纜托架。本船的電制是110V，60Hz，新加的變頻海水泵馬達(dá)是需要達(dá)到440V。廢氣脫硫監(jiān)控設(shè)備布置一臺(tái)在新煙囪底部，由于新煙囪在尾部甲板，離生活區(qū)和集控室值班人員比較遠(yuǎn)，為了方便人員監(jiān)控，同時(shí)布置一臺(tái)監(jiān)控設(shè)備在機(jī)艙的集控室里。

電纜走向的生產(chǎn)設(shè)計(jì)分兩部分：新煙囪總段部分可預(yù)先設(shè)計(jì)，原船生活區(qū)及機(jī)艙區(qū)域不可預(yù)先設(shè)計(jì)。由于新煙囪可作為總段預(yù)制，也在電腦建好了各專業(yè)及設(shè)備的三維模型，所以新煙囪內(nèi)的電纜及電纜托架走向可先行設(shè)計(jì)，并在總段建造的時(shí)候做好電纜托架。原船生活區(qū)及機(jī)艙區(qū)域的電纜不能預(yù)先設(shè)計(jì)走向，因?yàn)樵瑺顩r比較復(fù)雜，電纜走向是穿插艙室頂部是有很多管路、電纜，燒焊電纜托架、支架等產(chǎn)生的火花容易損壞原船電纜及其他，頂部空間狹小施工難，一般電纜盡量利用原船的電纜托架走線，所以這些電纜線路只能等船舶進(jìn)廠后，經(jīng)過(guò)主管勘驗(yàn)再在現(xiàn)場(chǎng)確定走向。

七、結(jié)語(yǔ)

船舶加裝脫硫系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)式、閉環(huán)式、混合式三種方式，其中開(kāi)式是相對(duì)技術(shù)比較簡(jiǎn)單的方式，其他兩種方式主要是多了堿液艙處理和儲(chǔ)存廢水液艙及相關(guān)系統(tǒng)，無(wú)論哪種方式，要做好詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)，必須在改裝前弄清楚船舶狀況。通過(guò)本船加裝脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改裝，本人做了幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，要點(diǎn)如下：

（一）盡可能收集多的原船圖紙，盡早收集新加設(shè)備及脫硫設(shè)備廠商的圖紙和資料，以方便后期設(shè)計(jì)所碰到的連接節(jié)點(diǎn)及接口細(xì)節(jié)。

（二）盡可能到船舶現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)、測(cè)量，以獲取實(shí)船的真實(shí)情況和熟識(shí)細(xì)節(jié)。

（三）需要對(duì)原船機(jī)艙及改裝區(qū)域做3D掃描，獲得數(shù)據(jù)包需轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)設(shè)計(jì)軟件能導(dǎo)入的格式，成為管路和電纜做生產(chǎn)設(shè)計(jì)的調(diào)用背景。

（四）在脫硫設(shè)計(jì)開(kāi)始及初步方案出來(lái)之后，十分有必要與船東、船員進(jìn)行多次溝通，聽(tīng)取船員的使用意見(jiàn)，才能選擇適合該輪和航線的脫硫設(shè)備，在做設(shè)計(jì)時(shí)才能全面考慮設(shè)備布置的準(zhǔn)確和以后維修設(shè)備及系統(tǒng)的方便，減少改裝工程難度。

（五）在原船煙囪周邊加裝背包式脫硫塔的最大利好是可以預(yù)先制造新的脫硫塔，待船舶到船廠之后一周內(nèi)就可以吊裝上船安裝;同時(shí)開(kāi)環(huán)式脫硫系統(tǒng)不需要對(duì)原船結(jié)構(gòu)、管路、線路布置進(jìn)行大的改動(dòng)，減少了破壞，大大縮短了工程項(xiàng)目周期，是目前船東的優(yōu)先選擇方案。

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作者簡(jiǎn)介：

梁淼森（1982—），男，本科，工程師，主要從事船舶與海洋工程技術(shù)設(shè)計(jì)工作。