17萬(wàn)t散貨船脫硫塔加裝改造研究

王 岳，徐曉東

（江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引 言

2016年，國(guó)際海事組織（Interational Maritime Organization，IMO）海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第70 次會(huì)議要求，在2020 年1 月1 日之后，全球范圍內(nèi)船舶的SO排放等效燃油含硫量降低到0.5%，在排放控制區(qū)域內(nèi)必須低于0.1%。目前，為滿足此項(xiàng)要求，業(yè)內(nèi)通常選擇使用低硫油、液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）等清潔燃料或加裝廢氣清洗系統(tǒng)等方法。對(duì)于常規(guī)散貨船來(lái)說(shuō)，低硫油價(jià)格受油價(jià)的沖擊波動(dòng)較大，使用LNG等清潔燃料對(duì)船舶進(jìn)行改裝的難度較大，前期投資較多，因此大量船東選擇在現(xiàn)有營(yíng)運(yùn)船舶的基礎(chǔ)上增加船舶廢氣清洗系統(tǒng)（脫硫塔）滿足SO排放要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020 年3 月，已有約4 000 艘船舶安裝或即將安裝脫硫塔，其中散貨船占比最大，達(dá)到1 365 艘。

船舶脫硫塔系統(tǒng)主要采用煙氣濕法脫硫技術(shù)，包括海水法、鈉堿法和鎂基法等，目前在國(guó)外已形成相對(duì)成熟的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈。國(guó)內(nèi)對(duì)濕法脫硫技術(shù)開(kāi)展的研究較少，相關(guān)設(shè)備大多依靠進(jìn)口，實(shí)際項(xiàng)目中往往需要國(guó)外工程師負(fù)責(zé)把控，因此對(duì)脫硫塔加裝改造進(jìn)行研究具有重要意義。廢氣清洗系統(tǒng)又稱脫硫塔系統(tǒng)，一般分為開(kāi)式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)，其原理是將煙氣中的硫化物溶于水，部分生成的酸性硫化物與洗滌水的堿性物反應(yīng)生成硫酸鹽。開(kāi)式系統(tǒng)將溶于海水的酸性硫化物直接排到海里，開(kāi)式U 型脫硫塔的工作原理見(jiàn)圖1；閉式系統(tǒng)通過(guò)新增的堿性液處理裝置中和含有硫化物的海水，使排出的廢水沒(méi)有酸性；混合式系統(tǒng)介于開(kāi)式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)之間，可根據(jù)航線的不同轉(zhuǎn)換模式。該系統(tǒng)所需設(shè)備為洗滌主副塔、海水泵、密封風(fēng)機(jī)、檢測(cè)設(shè)備和管路系統(tǒng)等，同時(shí)因系統(tǒng)的不同而考慮增加循環(huán)柜和堿水。因此，脫硫塔的加裝改造需考慮到散貨船船尾空間、機(jī)艙空間、主副機(jī)參數(shù)、海水、排氣管管路走向和電力配置等，改裝范圍涉及機(jī)艙、煙囪和新增分段，范圍較大，在改造過(guò)程中需要船體、輪機(jī)和電氣等統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，以降低施工成本，縮短項(xiàng)目周期，實(shí)現(xiàn)船廠與船東共贏的局面。

圖1 開(kāi)式U型脫硫塔工作原理

1 脫硫塔改造工作原理和方案概述

根據(jù)實(shí)際工程需要，對(duì)某型17 萬(wàn)t 散貨船進(jìn)行廢氣清洗系統(tǒng)改造。該船總長(zhǎng)292 m，型寬45 m，型深24.8 m，設(shè)計(jì)吃水16.5 m。目前航線受國(guó)際海事公約的影響，船東考慮加裝開(kāi)式廢氣洗滌系統(tǒng)。船舶廢氣清洗系統(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)可按形狀分為U型和I 型。系統(tǒng)簡(jiǎn)單，主要利用海水的天然弱堿性與廢氣中的SO進(jìn)行中和反應(yīng)，海水通過(guò)專用海水泵和玻璃鋼管提供給脫硫塔，在脫硫塔內(nèi)對(duì)廢氣進(jìn)行洗滌，以達(dá)到脫硫的效果，反應(yīng)之后的洗滌水通過(guò)舷外管排至海里，得到清潔的廢氣排入大氣。開(kāi)式U型脫硫塔所需設(shè)備名稱及布置區(qū)域見(jiàn)表1。

表1 脫硫塔所需設(shè)備名稱及布置區(qū)域

在改造過(guò)程中，任務(wù)量包括但不局限于分段的制作、焊接和吊裝，海水泵的安裝，玻璃鋼管的安裝，舷外管的安裝，排氣管路的改造和大量電氣設(shè)備的安裝。項(xiàng)目周期為35 ～45 d。改造區(qū)域從原船煙囪到新分段區(qū)域和機(jī)艙底層，現(xiàn)按區(qū)域?qū)Ω脑爝M(jìn)行任務(wù)劃分，圖2 為改造項(xiàng)目流程。

圖2 改造項(xiàng)目流程

2 新增分段區(qū)域結(jié)構(gòu)特征

新增結(jié)構(gòu)布置于煙囪與救生艇之間，U型脫硫塔布置于分段中，呈左右舷布置或船頭船尾布置。結(jié)構(gòu)板為6 ～7 mm的薄板，高度大，易變形，同時(shí)設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間的空間狹小。分段制作與吊裝工序受船廠門(mén)機(jī)起重水平和焊接質(zhì)量等硬件設(shè)施的影響。符合硬件設(shè)備的優(yōu)先選擇整體建造、整體吊裝的方案；不符合硬件設(shè)備的通過(guò)劃分船體結(jié)構(gòu)，可將部分結(jié)構(gòu)與脫硫塔設(shè)備劃分為一個(gè)總段，整體建造吊裝，其余結(jié)構(gòu)獨(dú)立成分段，獨(dú)立吊裝。

改造項(xiàng)目中新增結(jié)構(gòu)選擇半包圍式結(jié)構(gòu)，由三面圍壁和平臺(tái)組成。新增分段依次吊裝到船尾，與原船煙囪圍壁焊接成整體。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)約，在滿足使用要求的前提條件下，作業(yè)量大幅減少；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，易變形。該分段結(jié)構(gòu)由2 個(gè)小型分段（項(xiàng)目中用901/902 分段表示）和立柱組成，其安裝流程一般為立柱定位、安裝→901 分段吊裝→立柱反面加強(qiáng)與分段焊接→脫硫塔塔體吊裝、定位與安裝→902 分段吊裝→901 與902 焊接成總段→總裝涂裝等工序。分段建造采用新造船常用的組立式建造法，將分段細(xì)分為小組立和中組立，制作完成之后平臺(tái)片體為胎架面，進(jìn)行大組立。下面以902 分段為例，902 分段長(zhǎng)7 560 mm，寬5 040 mm，高4 940 mm，重13 079.5 kg，重心為：=5 365.4 mm；= -0.5 mm；=37 725 mm。

裝配流程為：

1）基面板-甲板拼板，裝焊小組，縱骨；

2）裝配縱艙壁、強(qiáng)框架、肋板和水平桁等組立；

3）縱艙壁、強(qiáng)框架、肋板和水平桁等組立依次上胎安裝；

4）主體分段成型臥態(tài)進(jìn)涂裝房；

5）底部分段901 上船安裝，且主塔與分段內(nèi)構(gòu)件均已吊運(yùn)安裝完畢之后，正態(tài)吊裝分段主體；

6）脫硫塔安裝完畢之后，焊接舾裝隔柵平臺(tái)支撐件。

在分段建造過(guò)程中，需保證精度滿足要求，原船煙囪圍壁角接的結(jié)構(gòu)處設(shè)置30 mm余量，防止后續(xù)出現(xiàn)缺料現(xiàn)象，在新增結(jié)構(gòu)下合龍口適當(dāng)預(yù)留補(bǔ)償量，片體結(jié)構(gòu)每840 mm設(shè)置0.5 mm補(bǔ)償量；在焊接過(guò)程中，所有T排腹板對(duì)接剖口朝上，所有T排面板剖口在外口焊接，焊腳高度為5 mm。

3 機(jī)艙區(qū)域重要位置改造

3.1 海水泵

脫硫塔系統(tǒng)一般選擇海水泵作為動(dòng)力裝置，同時(shí)在改造過(guò)程中更換海水總管的代價(jià)太大，往往在現(xiàn)有海水箱上新增海水支管或新增1 個(gè)海水箱為系統(tǒng)供水。在本文所述項(xiàng)目中，將脫硫塔專用海水泵布置在機(jī)艙底部左舷低位海底閥箱附近。海水泵和底座確定好位置之后，在較低的位置安裝。在滿足與其他設(shè)備（壓載系統(tǒng)）共用和流量的要求的基礎(chǔ)上，從海水總管上開(kāi)孔并引出一根DN450 的鍍鋅管，3 臺(tái)專用海水泵（2 臺(tái)工作，1 臺(tái)備用）分別接到新增的海水總管上。同時(shí)，在海水泵進(jìn)出口各安裝電動(dòng)閘閥，進(jìn)泵前的主管路添加液壓閘閥控制海水的流通；鍍鋅管法蘭連接處可增加犧牲法蘭，用于進(jìn)一步保護(hù)管路。此外，在改造過(guò)程中存在一些注意要點(diǎn)：

1）原船機(jī)艙底部含有大量泵、箱等設(shè)備，可利用的空間不多，常出現(xiàn)通過(guò)更改一些普通管路提供空間的情況，需及時(shí)與船東和機(jī)務(wù)溝通協(xié)商；

2）在海底閥箱流量不滿足要求的情況下，需新增海底閥箱；

3）脫硫塔噴淋嘴作為塔內(nèi)的重要零件，將海水呈霧化與逆向流動(dòng)的煙氣充分接觸，其選擇和布置方案主要受濾嘴高度、塔內(nèi)直徑和內(nèi)部構(gòu)造等因素的影響，但因?qū)Ｓ煤Ｋ锰峁┑暮Ｋ赡芎兄睆捷^大的雜質(zhì)，為保護(hù)噴淋嘴防止堵塞，往往在改造過(guò)程中更換直徑更小的海底閥箱過(guò)濾網(wǎng)格；

4）海水泵工作過(guò)程中引起振動(dòng)，需與船東溝通，對(duì)底座進(jìn)行橫向和縱向的加強(qiáng)。

3.2 舷外管

海水與廢氣中的部分硫化物反應(yīng)之后形成的洗滌水通過(guò)玻璃鋼管到達(dá)機(jī)艙底層；在左右舷選擇合適的空間開(kāi)孔布置舷外管，洗滌水通過(guò)舷外管排入大海。由于反應(yīng)之后的洗滌水具有較強(qiáng)的腐蝕性，普通鍍鋅管無(wú)法滿足長(zhǎng)期使用要求，因此在安裝舷外管過(guò)程中，往往使用GRE玻璃鋼管設(shè)計(jì)泄放管路，使用超級(jí)雙向不銹鋼、超級(jí)奧氏體SMO254 等材料設(shè)計(jì)船艙的舷外管。該船的舷外管采用超級(jí)雙相不銹鋼材質(zhì)，具體安裝圖見(jiàn)圖3。舷外管、法蘭、肋板、導(dǎo)流板和喇叭口在內(nèi)場(chǎng)拼接完畢之后上船安裝。船體在相應(yīng)區(qū)域換板，以分段內(nèi)的預(yù)裝管作為基準(zhǔn)，整個(gè)路管聯(lián)通，舷旁管作為分段的末端管，先根據(jù)管子的坐標(biāo)和尺寸對(duì)船體外板初選一個(gè)開(kāi)孔點(diǎn)并初步開(kāi)孔，再對(duì)舷外孔進(jìn)行修割。隨后試裝舷外管，直到能安裝為止。接著拆下舷外管，對(duì)其坡度進(jìn)行修割。打磨、光順之后對(duì)舷旁管進(jìn)行點(diǎn)焊固定，并通過(guò)點(diǎn)焊將肘板固定在船體外板上。需注意所有對(duì)接焊均需打坡口，坡口要求按相應(yīng)的焊接標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。同時(shí)，若該船擁有多個(gè)舷外管，還需注意這些舷外管中心的間距不得小于3 m。

圖3 舷外管安裝圖

在實(shí)際使用脫硫塔過(guò)程中，大量船員發(fā)現(xiàn)舷外管的焊接處極易被洗滌水腐蝕。鑒于洗滌水呈酸性，脫硫塔本體、管道、部件和附件材料的正確選擇及良好的安裝工藝對(duì)于避免這類問(wèn)題而言至關(guān)重要。同時(shí)，隨著酚醛環(huán)氧和乙烯酯玻璃鱗片等防腐涂層及玻璃鋼等耐酸性涂料的使用，將為舷外管增加新一層保護(hù)。

4 原船煙囪區(qū)域排氣管路改造

原船煙囪區(qū)域改造即圍繞著排氣管路的改造。在改造之前，主機(jī)與發(fā)電機(jī)組排煙管路通過(guò)消音裝置徑直布置在煙囪區(qū)域，呈左右舷布置，直接排向大氣。在未安裝脫硫塔系統(tǒng)之前，主機(jī)排氣管路的長(zhǎng)度為39 m，高度為35.2 m，其他參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 某散貨船排氣管路的參數(shù)

排氣管路背壓由直管、彎管和消音器組成，有

式（1）～式（9）中：p為直管壓力損失；p為彎管壓力損失；p為消音器壓力損失；為摩擦因數(shù)；ρ 為氣體密度，kg/m；為氣體速度，m/s；D為公稱直徑，mm；υ為動(dòng)力黏度，m/s；為排氣流量，m/s；ε為管壁絕對(duì)粗糙度，0.03 ～3；ξ 為局部阻力系數(shù)，與彎管角度成正比關(guān)系。同時(shí)，已知消音器壓力損失為53. 4 mmAq（1 mmAq約等于9.8 Pa），即P約等于53.4 mmAq。

將表2 中的數(shù)據(jù)代入式（1）～式（9），計(jì)算得出主機(jī)壓力損失為214.4 mmAq，發(fā)電機(jī)組壓力損失為94.1 mmAq，已知主機(jī)允許最大背壓值為383 mmAq，發(fā)電機(jī)組最大背壓值300 mmAq，滿足使用要求。改造過(guò)程中，考慮到U型脫硫塔接口位置，需在原船煙囪區(qū)域上層甲板切斷煙氣通道，添加主機(jī)與3 臺(tái)發(fā)電機(jī)的支管路，每條新增排氣管還需增加膨脹節(jié)和電動(dòng)蝶閥控制排氣管路的路徑和開(kāi)關(guān)，3 臺(tái)發(fā)電機(jī)的排氣管路并入主機(jī)排氣管路之后與脫硫塔副塔的接口連接，進(jìn)入洗滌塔與海水反應(yīng)。由于脫硫塔選擇U型系統(tǒng)，排氣管路的直徑和路徑等發(fā)生變化，管路背壓增加，需重新對(duì)管路背壓進(jìn)行計(jì)算，以確保滿足主副機(jī)的使用要求。

排氣管路的路徑變化主要體現(xiàn)在：

1）主機(jī)在開(kāi)啟脫硫塔系統(tǒng)下，排氣管路的路徑長(zhǎng)度為29. 4 m，高度為27. 4 m，管路公稱直徑由1 300 mm增加到1 800 mm，新增1 個(gè)45°彎角、1 個(gè)90°彎角和1 個(gè)DN1800 電動(dòng)蝶閥；

2）1 號(hào)發(fā)電機(jī)在開(kāi)啟脫硫塔系統(tǒng)下，排氣管路的路徑長(zhǎng)度為29.4 m，高度為27.4 m，管路公稱直徑由400 mm增加到600 mm，新增2 個(gè)30°彎角、2 個(gè)90°彎角和1 個(gè)DN400 電動(dòng)蝶閥；

3）2 號(hào)發(fā)電機(jī)在開(kāi)啟脫硫塔系統(tǒng)下，排氣管路的路徑長(zhǎng)度為30.3 m，高度為27.4 m，管路公稱直徑由400 mm增加到600 mm，新增2 個(gè)45°彎角、2 個(gè)90°彎角和1 個(gè)DN400 電動(dòng)蝶閥；

4）3 號(hào)發(fā)電機(jī)在開(kāi)啟脫硫塔系統(tǒng)下，排氣管路的路徑長(zhǎng)度為32.4 m，高度為27.4 m，管路公稱直徑由400 mm增加到600 mm，新增2 個(gè)30°彎角、2 個(gè)90°彎角和1 個(gè)DN400 電動(dòng)蝶閥。

根據(jù)式（1）～式（9）可得脫硫塔系統(tǒng)下壓力損失約為381. 4 mmAq，發(fā)電機(jī)組壓力損失約為296. 6 mmAq，滿足設(shè)備的使用要求。

5 其 他

結(jié)合改裝設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的設(shè)計(jì)選型及設(shè)備和管路布置等方面的問(wèn)題，針對(duì)開(kāi)式廢氣清洗系統(tǒng)、采用U型塔的舊船改造，分析存在的主要問(wèn)題并提出應(yīng)對(duì)措施。

5.1 電力負(fù)荷

原船發(fā)電機(jī)組為四沖程、0.96 kW的設(shè)備，廢氣清洗系統(tǒng)增加3 臺(tái)功率為132 kW的海水泵和密封風(fēng)機(jī)等電氣設(shè)備，因此需對(duì)船舶電力負(fù)荷進(jìn)行重新計(jì)算，綜合考慮正常航行、進(jìn)出港狀態(tài)、裝卸貨狀態(tài)和停泊狀態(tài)下發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷，經(jīng)過(guò)計(jì)算，滿足使用要求。

5.2 船體振動(dòng)

為減少船體結(jié)構(gòu)與洗滌塔的相互影響，避免產(chǎn)生振動(dòng)或強(qiáng)度問(wèn)題，洗滌塔采用彈性連接安裝，支腿底座和側(cè)向支撐采用彈性墊，所有管路接口采用彈性膨脹節(jié)。考慮到洗滌塔本身只有重量，沒(méi)有剛度，對(duì)全船振動(dòng)的影響很小，影響區(qū)域集中于煙囪和居住區(qū)，可考慮在煙囪的根部加大肘板，以增加其約束，減小煙囪振動(dòng)，從而降低居住區(qū)的振動(dòng)。

5.3 管路布置與支架安裝

脫硫塔系統(tǒng)進(jìn)出海水管路選用玻璃鋼管，由專業(yè)的施工隊(duì)伍安裝、涂膠和加熱。在布置管路時(shí)，需考慮到路徑和修改量最優(yōu)化；同時(shí)，在系統(tǒng)工作過(guò)程中，為避免玻璃鋼管路受海水沖擊和航行波浪的影響，需合理增加管路支架和支撐點(diǎn)。在項(xiàng)目中，船東為解決管路振動(dòng)問(wèn)題，往往提出增加支架的方案，但從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度看，支撐過(guò)多會(huì)使系統(tǒng)由靜力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成超靜力結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)安全有害，因此需合理增加管路支架和支撐點(diǎn)。

5.4 船舶航行

脫硫塔系統(tǒng)改造完成之后，其重量會(huì)增加約80 t，主要包括分段、主輔塔、管路系統(tǒng)和電氣設(shè)備增加的重量，主要集中在船尾新增分段和機(jī)艙底部。這部分新增重量在原有船舶總噸中所占權(quán)重較小，因此影響不大；同時(shí)，通過(guò)重量計(jì)算得知，在滿載工況下，船體結(jié)構(gòu)的最大剪力彎矩和最大應(yīng)力均在限定值內(nèi)，不會(huì)對(duì)船舶航行產(chǎn)生影響。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文從實(shí)際項(xiàng)目出發(fā)，對(duì)脫硫塔的工作原理和改造方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并從提高工作效率和質(zhì)量水平、減少現(xiàn)場(chǎng)工作量等方面對(duì)三大改造區(qū)域進(jìn)行了綜合分析，給出了最優(yōu)的改裝設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對(duì)改裝過(guò)程中的典型問(wèn)題提出了應(yīng)對(duì)措施，可供其他船型的改造參考。