20萬t級散貨船脫硫系統(tǒng)布置設(shè)計

王彥，劉丹丹，劉戀，房向前，肖超

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.上海江南長興造船有限責(zé)任公司，上海 201913)

全球限硫令已正式生效，目前業(yè)內(nèi)應(yīng)對措施主要有使用低硫燃料油、采用清潔能源液化天然氣(LNG)燃料代替燃油以及加裝船舶廢氣清洗裝置(脫硫系統(tǒng))3種[1]。綜合考慮初期投資、燃料來源、運營成本等因素，加裝脫硫系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，受到多數(shù)船東青睞。脫硫系統(tǒng)加裝對機艙和機艙棚的設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。廠家眾多，設(shè)備型式多樣化，使得設(shè)計難度陡增。20萬t級散貨船作為市場上的主力船型，數(shù)量大，船東多，脫硫設(shè)備選擇范圍廣。為此，梳理和總結(jié)脫硫系統(tǒng)設(shè)計的主要特點。

1 脫硫系統(tǒng)型式及選用

1.1 系統(tǒng)型式及特點

船用脫硫系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)以及混合式系統(tǒng)3種型式，優(yōu)缺點對比見表1。

表1 不同型式脫硫系統(tǒng)特點

1.2 系統(tǒng)選型

在近幾年的脫硫系統(tǒng)加裝案例中，開式系統(tǒng)以其成本優(yōu)勢成為船東首選。在近期新承接訂單中，對于目的地僅為硫氧化物排放控制區(qū)域(SECA)港口的船舶，部分船東開始嘗試混合式系統(tǒng)。

混合式系統(tǒng)涉及的設(shè)備數(shù)量多、體積大，管路大而復(fù)雜，艙室多，空間需求大。解決空間布置問題是脫硫系統(tǒng)設(shè)計中最大的難點。

混合式系統(tǒng)涵蓋了開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)所有特點及布置需求，在3種型式中設(shè)計難度最大。以其為研究對象，所得方案通用性更強。

2 混合式系統(tǒng)布置設(shè)計

混合式系統(tǒng)設(shè)備布置可分為2大部分：①脫硫塔、海水泵、密封風(fēng)機等共有設(shè)備的布置，這些設(shè)備的布置大同小異；②閉式系統(tǒng)特有設(shè)備的布置，該類設(shè)備的布置靈活性較大，因船型而異。

2.1 共有設(shè)備的布置

2.1.1 海水泵

海水泵一般布置在機艙底層，海水箱或海水總管附近，關(guān)鍵取決于取水方式。海水泵進口必需低于輕載水線，確保在惡劣海況下，橫搖達到最大角度時，泵進口始終處于水線以下[2]。

2.1.2 脫硫塔

脫硫塔型式主要為U型和I型。目前脫硫設(shè)備生產(chǎn)商接近20家，主流供應(yīng)商約為5家，適用于20萬t級船舶的主流廠家脫硫塔主體尺寸對比見表2。

表2 主流廠家脫硫塔主體尺寸 單位：mm

U型脫硫塔布置時，橫向空間需求較大，縱向空間需求較小，整體布置難度偏大。

I型脫硫塔布置時，橫向空間需求較小，縱向空間需求較大，整體布置難度略小。但需重點關(guān)注煙囪加高后對雷達桅及其上方的各類信號燈布置的影響。

受氮氧化物(NOx)排放限制影響，船舶選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)已成為主流配置，催化反應(yīng)器單元是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。發(fā)電機SCR系統(tǒng)的催化反應(yīng)器單元通常安裝在主甲板。有的船東還要求配置發(fā)電機廢氣經(jīng)濟器，一般布置在機艙棚B甲板。綜合考慮脫硫塔型式、主體尺寸、機艙棚及煙囪空間、發(fā)電機SCR系統(tǒng)和發(fā)電機廢氣經(jīng)濟器組合配置情況等因素，脫硫塔可布置在機艙棚B甲板、C甲板或D甲板，見表3。

2.1.3 機艙棚及煙囪的通用設(shè)計

脫硫塔主體尺寸和布置位置，對機艙棚和煙囪的設(shè)計有著決定性影響。20萬t級散貨船涉及多個船型，機艙棚和煙囪型式及主體尺寸各不相同，且不同廠家脫硫塔對機艙棚和煙囪空間需求也不同。從通用布置角度考慮，梳理不同廠家設(shè)備、不同船型機艙棚及煙囪的異同點，設(shè)計出滿足各方需求的通用性方案，以實現(xiàn)機艙棚、煙囪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。

以發(fā)電機SCR系統(tǒng)、廢氣經(jīng)濟器全配，布置最為困難這一特定條件作為通用方案設(shè)計的前提條件。

這類船型的發(fā)電機通常布置在機艙三甲板，發(fā)電機排氣管通常會沿機艙后壁布置，便于支架

表3 各型脫硫塔安裝位置與影響因素 mm

設(shè)置。催化反應(yīng)器單元布置在主甲板，其噴射管、混合管和Y型管布置在主甲板以下且尺寸較長，受二甲板鍋爐影響，催化反應(yīng)器單元整體需盡可能靠近后壁布置，且廢氣進口與排氣管處于同一軸線，見圖1。

圖1 發(fā)電機排氣管路和催化反應(yīng)器常規(guī)布置

圖2 催化反應(yīng)器和廢氣經(jīng)濟器相對位置

為使發(fā)電機廢氣經(jīng)濟器的布置高度降到最低，經(jīng)濟器廢氣進口須與催化反應(yīng)器單元廢氣出口處于同一軸線，采用最小長度直管連接。綜合2類設(shè)備維修空間需求，機艙棚后壁X方向需要相對于機艙后壁再往尾部移2個肋位長度，見圖2。Y方向，滿足3臺催化反應(yīng)器單元布置需約8 m(約10個縱骨)寬度。同時兼顧結(jié)構(gòu)風(fēng)道和機艙棚其他設(shè)備布置，機艙棚Y方向以不小于16個縱骨寬度為宜。

為滿足發(fā)電機廢氣經(jīng)濟器布置在B甲板，實現(xiàn)機艙棚和煙囪高度空間利用最大化，A甲板高度需至少增加1～1.5 m，具體以發(fā)電機SCR系統(tǒng)選型為準(zhǔn)，滿足2設(shè)備間最小接管及附件布置需求即可。其余甲板順勢抬高，但相對層高維持不變。

綜合考慮上述2類設(shè)備同時出現(xiàn)的情況，機艙棚X方向尺寸應(yīng)不小于10個肋位長度，Y方向尺寸不小于16個縱骨寬度，A甲板層高不小于4.5 m為宜。

以橫向尺寸較大的U型脫硫塔為例，由表3可知:當(dāng)L≤6 300 mm且D≤3 800 mm時，其最高布置位置不超過C甲板，見圖3。

圖3 脫硫塔在C甲板的一般布置

煙囪X方向尺寸不小于10個肋位長度，Y方向尺寸不小于10個縱骨寬度即可布置，故煙囪維持常規(guī)型式設(shè)計，見圖4型式A。I型脫硫塔布置類同。

圖4 脫硫塔位置及煙囪型式

當(dāng)L>6 300 mm或D>3 800 mm時，脫硫塔必須布置在D甲板，此時煙囪Y方向10個縱骨寬度已無法滿足布置需求，需加寬。為了方便結(jié)構(gòu)處理，建議Y方向尺寸與機艙棚相同，見圖4型式B。

機艙棚和煙囪在X、Y方向主體尺寸固化，便于對其進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。各船型間主甲板反頂與機艙棚相關(guān)的強框架結(jié)構(gòu)能按同一種方案進行設(shè)計，同時可根據(jù)脫硫塔型式和尺寸實現(xiàn)設(shè)計方案的快速選擇。

2.2 特有設(shè)備的布置及配套艙室需求

2.2.1 特有設(shè)備的布置

閉式系統(tǒng)特有的水處理、水循環(huán)相關(guān)設(shè)備，需要大量空間進行布置。通常情況下，首選機艙棚兩側(cè)的艙室進行調(diào)整，或是在其周圍新增結(jié)構(gòu)艙室。

2.2.2 配套艙室設(shè)計

閉(混合)式系統(tǒng)需配置專用艙室：堿液艙、循環(huán)水艙、零排放艙和廢渣艙[3]。

1)堿液艙。目前多數(shù)船廠的閉式系統(tǒng)選用鈉堿法，即以NaOH溶液作為脫硫劑[5]。堿液艙理論容積一般不大，但船東會兼顧使用習(xí)慣、運營成本等因素，要求加大容積，降低堿液加注頻率。堿液艙的設(shè)計，船級社都有明確的要求，設(shè)備廠家也會有較為詳細(xì)的推薦。設(shè)計方需結(jié)合艙室所在區(qū)域結(jié)構(gòu)特點、周圍設(shè)備、舾裝件布置情況，綜合考慮此類艙室的容積。

2)循環(huán)水艙。循環(huán)水艙在閉(混合)式系統(tǒng)中用作緩沖艙，其容積決定著洗滌系統(tǒng)在閉路模式下無排放操作的時間。典型的艙容推薦見表4(數(shù)據(jù)來自MAN B&W 二沖程船用主機排放項目指南——符合MARPOL公約附則VI 的規(guī)定)。

表4 主機廠家關(guān)于循環(huán)水艙容積的推薦

3)廢渣艙。閉式系統(tǒng)中和反應(yīng)產(chǎn)生的廢水，在排放或進艙之前需經(jīng)過水處理單元進行分離處理。處理后的產(chǎn)物因水處理單元型式的不同而不同[4]。

離心式水處理單元：排出的廢渣是從洗滌水中分離出的燃燒顆粒、含硫物質(zhì)和其他物質(zhì)組成的水溶液，pH值通常介于6～9之間。廢渣在單獨的油渣艙或船上的一般艙室中存儲。

膜式水處理單元：能實現(xiàn)渣和水的徹底分離，水進艙，渣為純固體顆粒，壓縮后直接裝袋存儲。

故廢渣艙不是閉式系統(tǒng)的標(biāo)配，視設(shè)備選型而定。廢渣艙位置視水處理單元位置而定，遵循就近原則。

4)零排放艙。經(jīng)水處理單元處理后的洗滌水，在公海海域可以直接排放。當(dāng)船舶進入限制排放區(qū)域后，處理后的洗滌水須進艙存儲，實現(xiàn)零排放。零排放艙容積需根據(jù)船舶在限制排放區(qū)域停留時間、廢氣產(chǎn)生設(shè)備工況、水處理單元工況綜合計算得出。理論上該艙容積滿足單次停留存儲需求即可。

該艙盡可能布置在低于水處理單元的區(qū)域，滿足設(shè)備重力排放需求。同時該艙推薦布置在重載水線以上，降低排放泵性能要求。船東要求的零排放艙容積非常大，考慮到當(dāng)前船型機艙、舵機艙布置十分擁擠，已無空間布置此類艙室，故推薦NO.8、NO.9貨艙兩側(cè)的頂邊空艙改做零排放艙使用。

2.3 系統(tǒng)主要管路設(shè)計

海水冷卻管路、洗滌水排放管路、排氣管路是整個脫硫系統(tǒng)管路中最為關(guān)鍵的三類管路，具有線路長、走向復(fù)雜、管徑大、布置難度大等特點。

2.3.1 海水冷卻管路

海水泵取水的方式主要有3種：共用海水箱取水、專用海水箱取水，以及從海水總管取水[6]。3種取水方式的差異點見表5。

表5 3種取水方式對比

綜上所述，第一種方案可操作性強，為多數(shù)船廠的首選。

海水總管和脫硫海水管在海水箱上的相對位置主要有3種，見圖5。

3種形式，除滿足加強翅板施工空間和閥附件安裝、操作空間常規(guī)需求外，海水管進口之間應(yīng)盡量遠離。形式三“搶水”風(fēng)險最大，圖5c)中所示的布置限制區(qū)域(陰影區(qū)域)，在管路布置時應(yīng)最大限度避開。

2.3.2 洗滌水排放管路

脫硫塔洗滌水為重力泄放[7]。根據(jù)塔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，U型塔一般只有底部一個泄放口。I型塔一般為兩段式泄放，下部泄放口布置在塔底部，上部泄放口布置在塔中部側(cè)面，兩路泄放管合并為一路。

洗滌水排放管路的布置，大多數(shù)廠家對塔出口直管段長度、管路斜度、排舷外口數(shù)量、排舷外口位置等均有明確要求，見表6。

圖5 海水總管和脫硫海水管3種布置形式

表6 管路主要技術(shù)要求的廠家推薦

排舷外口的布置除了滿足廠家推薦外，需重點關(guān)注出口與外加電流陰極保護(ICCP)和犧牲陽極的相對位置，避免排放的洗滌水中的酸性物質(zhì)對特殊涂層產(chǎn)生破壞。特殊情況確實無法避開時，需向設(shè)備廠家確認(rèn)該涂層的耐酸性。

2.3.3 排氣管路

常規(guī)設(shè)計，主機和三臺發(fā)電機的廢氣進脫硫塔。U型脫硫塔不具備干燒功能，主機、發(fā)電機排氣管均設(shè)置旁通管，匯總后從頂部經(jīng)文丘里管進入脫硫塔。旁通管布置時，支管與主管路需呈傾斜角度，同時注意風(fēng)閘的流向與氣流方向保持一致。

I型脫硫塔具備干燒功能，主機排氣管無需設(shè)置旁通管。脫硫塔底部設(shè)置集氣總管，主機排氣管直接接入集氣總管，發(fā)電機排氣管通過旁通管接入集氣總管。按廠家推薦，發(fā)電機旁通管需按一定角度傾斜布置，但多數(shù)情況無法滿足廠家推薦的角度要求，此時需通過排氣背壓計算驗證實際布置可行性。

脫硫塔出口管路需布置氣體取樣點，在煙囪高度設(shè)計時，需注意該需求，預(yù)留充足的安裝、檢修空間。

3 結(jié)論

1)脫硫系統(tǒng)空間需求非常大，新船項目設(shè)備多考慮布置在機艙(棚)及煙囪內(nèi)部，故圍繞該系統(tǒng)主要設(shè)備及其管路布置的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計是重點和難點之一。

2)3類系統(tǒng)中，共有設(shè)備的布置位置可變性小，結(jié)構(gòu)形式相對固定。閉式系統(tǒng)特有設(shè)備及艙室布置較為靈活，結(jié)構(gòu)設(shè)計可變性也較大。基于混合式系統(tǒng)的布置設(shè)計，具有良好的向下兼容性。

3)同一噸位級別各船型的脫硫系統(tǒng)布置相似性較大，具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的基礎(chǔ)。實現(xiàn)多船型間不同廠家設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化布置設(shè)計，可從共有設(shè)備布置和其對應(yīng)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計入手。