小型集裝箱船脫硫系統(tǒng)應(yīng)用

高晶，楊軍，郝子卓

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前 言

脫硫系統(tǒng)形式多樣，按脫硫劑的形式可分為濕式和干式。 干式系統(tǒng)采用Ca（OH）2顆粒吸收硫氧化物（SOx），其體積巨大，吸收材料需要定期更換，不適用于船舶。 船舶一般采用濕式系統(tǒng)，分為開(kāi)式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)。

開(kāi)式系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，利用泵抽取舷外海水噴入洗滌塔與煙氣混合，利用海水中的堿性物質(zhì)中和煙氣中的SOx， 洗滌后的廢水直接排出舷外。 但當(dāng)航行海域的海水堿度過(guò)低或者在內(nèi)河航行時(shí)，開(kāi)式系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行，需將燃油切換為低硫燃油。

閉式系統(tǒng)利用堿性溶液作為脫硫劑，洗滌水不能直接排出舷外。 其管路設(shè)計(jì)復(fù)雜，運(yùn)行成本較高，但堿性溶液脫硫的效率更高，管路尺寸更小，且不受海水堿度限制。

混合式系統(tǒng)的船舶可在兩種模式間切換。 在公海航行時(shí)使用開(kāi)式模式，以海水作為脫硫劑，降低使用成本。 在海水堿度不夠或者限制開(kāi)式系統(tǒng)運(yùn)行的水域和港口時(shí)，切換為閉式模式。 混合式脫硫系統(tǒng)原理如圖1 所示。 大型集裝箱班輪海上航行時(shí)有充分的海水資源可以利用，可采用初投資較低的開(kāi)式脫硫系統(tǒng)，在靠港時(shí)切換為使用低硫油以滿(mǎn)足排放要求。 小型集裝箱船服務(wù)于支線(xiàn)航程，經(jīng)常出入內(nèi)河或停泊港口時(shí)開(kāi)式系統(tǒng)無(wú)法使用，因此小型集裝箱船更適合采用混合式系統(tǒng)，其原理見(jiàn)圖1。

圖1 混合式脫硫系統(tǒng)原理圖

1 脫硫系統(tǒng)應(yīng)用案例

600 箱冷藏集裝箱船是一型全球航行的單機(jī)單槳、低速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型集裝箱船。 該船主要參數(shù)如下：

入級(jí)DNV 船級(jí)社， 船級(jí)符號(hào)：+1A，Container ship，SAFELASH，BIS，E0，LCS，NAUT（NAV），BWM（T），Clean，Recyclable，TMON，DG（P）

采用一套混合式脫硫系統(tǒng)對(duì)主機(jī)、副機(jī)和鍋爐的排氣進(jìn)行洗滌處理。

1.1 煙囪布置

船用脫硫系統(tǒng)的技術(shù)來(lái)源于陸用脫硫技術(shù)，雖可以有效地減少排氣中的硫化物，但設(shè)備尺寸巨大給煙囪的布置帶來(lái)了極大的困難。 柴油機(jī)的排氣經(jīng)過(guò)洗滌塔后溫度過(guò)低，無(wú)法再被廢氣鍋爐利用產(chǎn)生蒸汽。 排氣應(yīng)先接入廢氣鍋爐再進(jìn)入洗滌塔，洗滌塔只能布置在機(jī)艙煙囪內(nèi)。 裝箱數(shù)是集裝箱船的重要技術(shù)指標(biāo)，小型集裝箱船的煙囪前后一般是裝箱區(qū)域，煙囪占用過(guò)多的空間會(huì)影響裝箱，市場(chǎng)主流產(chǎn)品的主體尺寸見(jiàn)表1， 需依據(jù)選定的洗滌塔尺寸仔細(xì)考慮。

表1 洗滌塔主體尺寸 單位：mm

以實(shí)船選定的B 廠(chǎng)家為例，考慮到檢修空間和旁通排氣管的布置空間，需要的煙囪水平面空間約為12 m×8 m。 旁通排氣管和洗滌塔可采用橫向布置， 即旁通排氣管在洗滌塔的船寬方向并排布置，也可采用縱向布置，即旁通排氣管在洗滌塔沿船長(zhǎng)方向上并排布置，如圖2 所示。 縱向布置使得煙囪擠占了集裝箱箱位，導(dǎo)致裝箱數(shù)的減少，在小型集裝箱船上橫向布置的方案更優(yōu)。

圖2 煙囪布置方案

1.2 排氣管布置和背壓估算

1.2.1 排氣管的布置

1 臺(tái)主機(jī)、4 臺(tái)發(fā)電機(jī)的排氣管和組合鍋爐燃油側(cè)的排氣煙管需接入洗滌塔進(jìn)行廢氣清洗，排氣管和旁通管的直徑見(jiàn)表2。 由于U 型洗滌塔不允許“干燒”，每根排氣管均需設(shè)置旁通。 在排氣管進(jìn)入洗滌塔前，通過(guò)旁通支管上設(shè)置的氣動(dòng)風(fēng)閘以控制廢氣的流向。 當(dāng)脫硫系統(tǒng)不使用時(shí)，廢氣可從旁通管排入大氣。

表2 接入洗滌塔排氣管和旁通管直徑 單位：mm

洗滌塔公共煙氣接口位于塔體側(cè)面，共有6 根排氣管需接入塔體。 如排氣管并排接入煙氣接口所需的布置空間較大，將排氣管在不同的高度以不同角度錯(cuò)開(kāi)接入塔體可有效的減少布置空間需求。600 箱冷藏集裝箱船的排氣管設(shè)計(jì)為從D、E 甲板高度分別接入。 主機(jī)和兩臺(tái)輔機(jī)排氣管在D 甲板高度接入， 主機(jī)排氣管自煙氣接口右側(cè)接入洗滌塔，兩臺(tái)輔機(jī)排氣管分別自塔體橫向中線(xiàn)兩側(cè)斜45°方向接入。 其余兩臺(tái)輔機(jī)和鍋爐排氣管從E 甲板高度位置接入塔體，見(jiàn)圖3。 通過(guò)分層接管，很好地解決了布置空間的問(wèn)題。

圖3 排氣管接入洗滌塔示意圖

1.2.2 排氣管段背壓估算

柴油機(jī)廠(chǎng)家要求的排氣管段上的背壓值標(biāo)準(zhǔn)上限為3 000 Pa，而排氣通過(guò)洗滌塔時(shí)壓降約為1 500～2 000 Pa。考慮到管路阻力損失和其他附件的壓降，排氣背壓難以控制在標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)，因此安裝脫硫系統(tǒng)時(shí)需要求柴油機(jī)廠(chǎng)家提高背壓上限值。同時(shí)，布置排氣管時(shí)應(yīng)采取措施減少管路上的壓力損失。 600 箱冷藏集裝箱船將柴油機(jī)盡量布置在煙囪區(qū)域正下，增壓器出口朝向煙囪區(qū)域，以縮短排氣管長(zhǎng)度。管段盡量采用直線(xiàn)布置，避免彎折。彎折處彎曲半徑不小于1.5 倍直徑， 以減小局部阻力損失。排氣管段背壓限值和阻力損失計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 柴油機(jī)排氣管段背壓限值和計(jì)算阻力損失 單位：Pa

由于組合鍋爐燃油側(cè)的排氣背壓限值無(wú)法提高，只能在排氣管段上增加排氣風(fēng)機(jī)，用于抵消廢氣脫硫系統(tǒng)的壓損。

1.3 脫硫系統(tǒng)的艙柜布置

混合式脫硫系統(tǒng)需配置堿液艙、 循環(huán)水艙、零排放艙和廢渣艙等專(zhuān)用艙柜。

1.3.1 堿液艙的設(shè)置

氫氧化鈉（NaOH）溶液具有強(qiáng)腐蝕性，一旦泄漏會(huì)對(duì)人員和船舶產(chǎn)生極大的危害。 NaOH 儲(chǔ)存艙以及循環(huán)水艙一般采用耐腐蝕的不銹鋼材料制成。如使用碳鋼，其內(nèi)壁應(yīng)采用環(huán)氧漆涂層保護(hù)，此時(shí)艙柜構(gòu)件應(yīng)布置在艙柜外側(cè)， 以方便涂料施工。NaOH 艙柜的出口需設(shè)置快關(guān)閥，以便泄漏時(shí)人員可從安全處所將其關(guān)閉。 艙柜出口處閥的正下方需設(shè)置承液盤(pán)，防止溶液外流。 艙柜的空氣管要引至開(kāi)敞甲板，并設(shè)置集液盤(pán)，周邊設(shè)置警告牌。NaOH 艙柜需設(shè)置液位遙測(cè)系統(tǒng)，并能在液位高/低時(shí)發(fā)出報(bào)警。

NaOH溶液對(duì)溫度敏感， 其理想儲(chǔ)存溫度應(yīng)在25～35 ℃，在12 ℃以下會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶，在49 ℃以上腐蝕性會(huì)大大增強(qiáng)，因此對(duì)NaOH 儲(chǔ)存艙要進(jìn)行溫度控制及監(jiān)測(cè)。 海水的溫度在0 ℃到32 ℃之間，可作為換熱介質(zhì)。 可在艙柜中設(shè)置換熱盤(pán)管，引入海水以維持艙內(nèi)的溫度。 艙柜需設(shè)置溫度傳感器，在溫度高和溫度低時(shí)發(fā)出報(bào)警。 NaOH 艙柜的位置需遠(yuǎn)離加熱艙柜或者排氣管、蒸汽管等高溫管路，同時(shí)艙柜四周應(yīng)有良好的機(jī)械通風(fēng)。

1.3.2 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(jìn)入限制排放區(qū)域后，處理后的洗滌水也不得排放， 需暫時(shí)儲(chǔ)存在零排放艙，其容積需綜合考慮船舶在排放限制區(qū)內(nèi)的時(shí)間、柴油的使用工況和脫硫系統(tǒng)處理煙氣時(shí)產(chǎn)生的洗滌水量計(jì)算得出。 600 箱冷藏集裝箱船在零排放控制區(qū)內(nèi)的營(yíng)運(yùn)狀況如表4。 零排放艙的最小艙容由洗滌水產(chǎn)生量和零排放區(qū)內(nèi)的營(yíng)運(yùn)時(shí)間相乘得到，洗滌水產(chǎn)生量按照0.2～0.3 m3/MWh 估算。 為減少對(duì)船舶在零排放區(qū)域內(nèi)操作時(shí)間的限制，該艙的艙容應(yīng)盡可能大，且布置在低于水處理單元的區(qū)域，以滿(mǎn)足設(shè)備重力排放需求。 同時(shí)該艙推薦布置在重載水線(xiàn)以上，以降低排放泵性能要求。

表4 零排放控制區(qū)內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)和負(fù)荷率

600箱冷藏集裝箱船每月產(chǎn)生的洗滌水量約為566 m3，設(shè)有3 個(gè)零排放艙，總艙容達(dá)570 m3，可收集1 個(gè)月產(chǎn)生的洗滌水。 由于洗滌水處理裝置布置在機(jī)艙上平臺(tái)，3 個(gè)艙分別布置在機(jī)艙平臺(tái)的右舷舷側(cè)區(qū)域和平臺(tái)下尾部的左右兩舷區(qū)域。

1.3.3 循環(huán)水艙和廢渣艙

循環(huán)水艙在閉路模式下用作緩沖艙，其容積決定著洗滌系統(tǒng)在閉式模式下無(wú)排放操作的時(shí)間。 其艙容可按照脫硫系統(tǒng)廠(chǎng)家的推薦（見(jiàn)表5）。

表5 循環(huán)水艙艙容推薦值

閉式模式下排氣中積聚的廢渣通過(guò)水處理單元中的分離器除去，廢渣的產(chǎn)生量取決于接入脫硫系統(tǒng)的柴油機(jī)的負(fù)荷、燃油耗率和燃油含硫量。

600箱冷藏集裝箱船設(shè)有2 個(gè)循環(huán)水艙， 艙容分別25 m3和20 m3。 該船每小時(shí)約產(chǎn)生4.2 m3廢渣，脫硫裝置廢渣艙容為21 m3。

1.4 脫硫系統(tǒng)帶來(lái)的影響

1.4.1 對(duì)主機(jī)油耗的影響

考慮到脫硫系統(tǒng)設(shè)備背壓帶來(lái)的影響，需將主機(jī)和發(fā)電機(jī)在增壓器出口后的背壓限制值由標(biāo)準(zhǔn)的3 000 Pa 分別提高到6 000 Pa 和4 500 Pa。 排氣背壓的增加會(huì)使得排氣量降低、渦輪增壓器出口溫度升高，導(dǎo)致柴油機(jī)單位油耗增加0.3～0.7 g/kWh。

1.4.2 對(duì)海水系統(tǒng)的影響

脫硫系統(tǒng)在開(kāi)式模式下需使用大量海水作為洗滌水，需額外設(shè)置3 臺(tái)脫硫系統(tǒng)海水泵，每臺(tái)海水泵滿(mǎn)足50%的洗滌水量，航行時(shí)2 臺(tái)同時(shí)使用，1臺(tái)泵備用。600 箱冷藏集裝箱船的脫硫系統(tǒng)海水泵排量為750 m3/h×0.47 MPa， 冷卻海水泵排量630 m3/h×0.25 MPa。在機(jī)艙尾部設(shè)置1 個(gè)脫硫系統(tǒng)海水箱，單獨(dú)供脫硫系統(tǒng)海水泵使用。 如脫硫系統(tǒng)海水泵和主海水泵都從海水總管取水，按流速核算海水管直徑達(dá)到700 mm，機(jī)艙布置困難。

1.4.3 對(duì)船舶電站的影響

脫硫系統(tǒng)的主要用電設(shè)備為海水泵、 煙氣風(fēng)機(jī)、堿液循環(huán)泵、水處理單元以及控制系統(tǒng)。 其中海水泵電功率最大，600 箱冷藏集裝箱船單臺(tái)海水泵的功率達(dá)50 kW。 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地降低洗滌塔的安裝高度，減小海水泵所需的壓頭，從而減小其電機(jī)功率。600 箱冷藏集裝箱船采用了變頻海水泵，使其排量根據(jù)脫硫塔中的煙氣流量動(dòng)態(tài)調(diào)整，減少電能消耗。 一般而言，脫硫系統(tǒng)的電功率可按照柴油機(jī)總功率的0.7%進(jìn)行估算。

2 脫硫系統(tǒng)投資回收年限測(cè)算

廢氣脫硫系統(tǒng)與使用低硫燃油的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)劣主要取決于高/低硫油的差價(jià)。用技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析的手段對(duì)這兩種方案進(jìn)行比較，計(jì)算方法［1］見(jiàn)式（1），式中：C 為設(shè)備初投資額；i 為年利率；n 為年數(shù)；A1為使用高硫燃油時(shí)的年費(fèi)用， 計(jì)算公式見(jiàn)式（2）；A2為使用低硫燃油時(shí)的年費(fèi)用，計(jì)算公式見(jiàn)式（3）。

式中：PMEi為不同工況下的主機(jī)功率，kW；FMEi為在不同工況下的主機(jī)油耗（ISO condition），g/kWh；Ti為不同工況下的航行的時(shí)間，h；PScrruberi為Scrubber 在不同工況下運(yùn)行時(shí)所需的功率，kW；FAE為發(fā)電機(jī)油耗，g/kWh；PHFO為高硫燃油的單位價(jià)格，USD/t；PMGO為低硫燃油的單位價(jià)格，USD/t；FMEi為在不同工況下的主機(jī)油耗 （ISO condition），g/kWh；W 為脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)消耗淡水和NaOH 的年成本，USD。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定利率不隨時(shí)間變化，船舶持續(xù)運(yùn)行在CSR 下， 由于淡水和氫氧化鈉價(jià)格較低，不考慮W 的影響。由上述公式可以知道，決定脫硫系統(tǒng)投資回報(bào)年限的主要因素是，設(shè)備初投資價(jià)格、燃油耗量、高/低硫的價(jià)格差、利率。 以600 箱冷藏集裝箱船的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，取值如表6。

表6 測(cè)算投資回報(bào)年限時(shí)的取值

600箱冷藏集裝箱船航行工況使用1 臺(tái)主機(jī)和3 臺(tái)發(fā)電機(jī)組，初投資回收年限測(cè)算如表7。 測(cè)算時(shí)忽略了使用和維護(hù)成本，實(shí)際投資回收年限會(huì)高于理論測(cè)算值。 即使價(jià)差縮小到至100 美元/t 仍可在2.8 年左右收回投資， 從經(jīng)濟(jì)性上考慮應(yīng)用脫硫系統(tǒng)是合理的。

表7 脫硫系統(tǒng)投資回報(bào)年限

小型集裝箱船航行工況下主機(jī)和發(fā)電機(jī)總功率介于10 MW 至35 MW 區(qū)間，對(duì)裝機(jī)總功率位于此區(qū)間內(nèi)的船舶使用脫硫系統(tǒng)的投資回報(bào)年限進(jìn)行測(cè)算， 當(dāng)高/低硫燃油價(jià)差分別為50 USD/t、100 USD/t和200 USD/t 時(shí)， 投資回收年限測(cè)算結(jié)果如圖4 所示。 當(dāng)高低硫價(jià)差縮小為50 USD/t 時(shí)，對(duì)于柴油機(jī)總功率小于2 MW 的船， 脫硫系統(tǒng)在性?xún)r(jià)比上已無(wú)優(yōu)勢(shì)。

圖4 初投資回收年限測(cè)算

3 結(jié) 語(yǔ)

船舶削減硫排放的需求會(huì)一直存在，完全不含硫的替代燃料在船上應(yīng)用的技術(shù)還未成熟，未來(lái)一段時(shí)間絕大多數(shù)船舶仍會(huì)使用常規(guī)燃料油。 隨著廠(chǎng)商的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，脫硫系統(tǒng)的價(jià)格會(huì)逐步下降，其與使用低硫油方案相比成本優(yōu)勢(shì)更加顯著，預(yù)計(jì)會(huì)有更多的船舶使用以滿(mǎn)足硫排放要求。 混合式脫硫系統(tǒng)更適用小型集裝箱船，該脫硫系統(tǒng)在600 冷箱集裝箱船上實(shí)際應(yīng)用中難點(diǎn)的解決方案，可供其他類(lèi)似船型設(shè)計(jì)時(shí)借鑒。