脫硫塔船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

魯忠銘 趙素雪 孫雅忠/中船黃埔文沖船舶有限公司

各國海岸對硫化物排放要求近年來日益提高，從2012 年起全球?qū)α蚧锱欧乓笥稍瓉淼?.5%降低到3.5%。從2015 年1 月1 日起，在國際海事組織（IMO）劃定的四大排放控制區(qū)內(nèi)，已開始實(shí)施0.1%硫含量限制，主要包括夏威夷群島、北美洲東西海岸、美國加勒比海、歐洲北海，波羅的海地區(qū)的ECA 區(qū)域。早在2015 年12 月4 日，我國就宣布在2019 年1 月1 日對渤海灣、長三角、珠三角實(shí)施0.5%硫化物排放限制，2020 年1 月1 日起，全球范圍內(nèi)已實(shí)施0.5%硫化物排放標(biāo)準(zhǔn)。

隨著MARPOL 公約對船舶主機(jī)、輔機(jī)的排放做出了嚴(yán)格的限量規(guī)定，船舶業(yè)主和運(yùn)營商必須面對如何減少硫化物排放的問題。目前可用的有效方法包括使用低硫燃油、使用清潔能源代替燃料油以及安裝使用脫硫塔廢氣清洗系統(tǒng)（EGCS）?，F(xiàn)階段，在船舶設(shè)計(jì)、建造/改造中行之有效的方法之一是安裝脫硫塔廢氣清洗系統(tǒng)（EGCS）。本文結(jié)合實(shí)際建造的一型600 箱冷藏集裝箱船脫硫塔的設(shè)計(jì)情況，針對脫硫塔對船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行總結(jié)分析，旨在對后續(xù)其他項(xiàng)目提供借鑒作用。

船舶硫化物排放控制解決方案

脫硫塔的設(shè)計(jì)、建造、安裝等問題現(xiàn)階段對船廠是一個(gè)比較新的課題，特別是由于脫硫塔設(shè)備尺寸普遍偏大，對船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。

上文已經(jīng)介紹過目前可用的有效控制船舶硫化物排放的方法主要有三種，將這三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)匯總?cè)绫? 所示。

表1 三種有效控制硫化物排放優(yōu)缺點(diǎn)

從表1 可以看出，低硫油的高價(jià)和可獲得性的不確定，以及清潔能源燃料艙占載貨空間大及技術(shù)要求較高的特點(diǎn)都是限制其應(yīng)用的主要因素。從船舶營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)的可行性考慮，現(xiàn)階段加裝脫硫塔廢氣清洗系統(tǒng)是商貨船較為實(shí)際的選擇。

脫硫系統(tǒng)的工作原理

煙氣脫硫有干法脫硫和濕法脫硫兩種。干法脫硫塔技術(shù)（Dry scrubbers）脫硫吸收和產(chǎn)物處理均在干狀態(tài)下進(jìn)行，煙氣進(jìn)入脫硫塔與脫硫劑逆向流動(dòng)相混合，脫硫產(chǎn)物呈干態(tài)；該法具有無污水廢酸排出、設(shè)備腐蝕程度較輕等優(yōu)點(diǎn)，但存在脫硫效率低，反應(yīng)速度較慢等問題。濕法脫硫塔技術(shù)（Wet scrubbers）煙氣進(jìn)入脫硫塔經(jīng)過堿性溶液噴淋洗滌，煙氣中的硫化物被溶液吸收生成硫酸鹽等產(chǎn)物；該法具有脫硫反應(yīng)速度快、設(shè)備簡單、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在腐蝕嚴(yán)重、對設(shè)備材質(zhì)要求高等問題。

目前船舶脫硫以濕法脫硫?yàn)橹?，主要利用海水或堿性溶液藥劑實(shí)現(xiàn)脫硫，船舶脫硫塔根據(jù)工作原理可分類為：開式脫硫塔（Open-loop scrubbers）、閉式脫硫塔（Closed-loop scrubbers）、混合式脫硫塔（Hybrid scrubbers）。

開式脫硫塔

開式脫硫塔使用海水來清洗煙氣，海水通常呈堿性，這使得海水具有天然的酸堿緩沖能力及吸收硫化物的能力，海水與煙氣中的硫化物發(fā)生中和以達(dá)到脫硫的目的。開式脫硫塔系統(tǒng)的基本組成包括：海水供水系統(tǒng)、海水排放系統(tǒng)、脫硫塔、控制模塊、氣體取樣監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)取樣檢測系統(tǒng)。開式脫硫塔洗滌過程為：海水被抽入脫硫塔并通過脫硫塔內(nèi)的噴頭噴出，與通過脫硫塔的煙氣發(fā)生反應(yīng)，脫硫后的煙氣繼續(xù)上行經(jīng)過氣體監(jiān)測系統(tǒng)后排入大氣，而中和了硫化物的海水溶液下行經(jīng)水質(zhì)檢測系統(tǒng)后通過海水排放系統(tǒng)流入大海。

開式脫硫塔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，相對而言更容易在船舶上安裝、改造加裝，且由于直接使用海水又節(jié)約了藥劑的費(fèi)用，但對海洋環(huán)境是否會(huì)帶來長期影響，仍有待驗(yàn)證。

閉式脫硫塔

閉式脫硫塔在淡水中添加脫硫藥劑來吸收煙氣中的硫化物，淡水是循環(huán)使用的清潔水，而海水僅作為冷卻水來為循環(huán)淡水降溫，海水不直接作為洗滌溶液與煙氣反應(yīng)。閉式脫硫塔系統(tǒng)的基本組成包括：海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、淡水循環(huán)系統(tǒng)、脫硫塔、控制模塊、水處理單元、氣體取樣監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)取樣檢測系統(tǒng)、加藥單元及循環(huán)柜、存儲(chǔ)柜等。閉式脫硫塔洗滌過程為：先根據(jù)船舶的負(fù)荷加入適量脫硫藥劑，脫硫工作時(shí)脫硫藥劑和淡水在循環(huán)柜中混合后進(jìn)入脫硫塔，脫硫塔內(nèi)的作用過程與開式類似，但洗滌后溶液的去向與開式直接排入大海不同，閉式脫硫塔洗滌后的溶液循環(huán)進(jìn)入循環(huán)柜。當(dāng)循環(huán)柜內(nèi)的溶液濃度和殘雜達(dá)到定值，水處理單元開始對溶液進(jìn)行分離，分離出的殘雜移入存儲(chǔ)柜、分離出的水重新進(jìn)入循環(huán)柜并補(bǔ)充脫硫藥劑，補(bǔ)充藥劑后的洗滌溶液經(jīng)過海水冷卻系統(tǒng)冷卻，重新進(jìn)入脫硫塔，從而開啟循環(huán)洗滌工作。

閉式脫硫塔系統(tǒng)的淡水脫硫部分是封閉式的循環(huán)設(shè)計(jì)，參加反應(yīng)的淡水與脫硫劑的混合溶液是不直接排放到海洋里的，存儲(chǔ)柜里的殘?jiān)鼘⒃诖翱扛蹠r(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)處理。因此，閉式脫硫塔是真正意思上的零排放，但閉式脫硫塔的系統(tǒng)組件多，占用船舶空間大，安裝、改造加裝的成本也隨之增加，而且脫硫藥劑也是消耗品。

混合式脫硫塔

混合式脫硫塔是開式和閉式脫硫塔的一種有機(jī)組合，在脫硫工作時(shí)可以根據(jù)需求在開式和閉式模式間相互切換?；旌鲜矫摿蛩到y(tǒng)的基本組成包括了開式和閉式脫硫塔系統(tǒng)的組成，并且其控制模塊增加了自動(dòng)切換等功能及更多的檢測、監(jiān)測點(diǎn)?；旌鲜矫摿蛩礈爝^程為：開式模式下運(yùn)用海水洗滌煙氣脫硫，與開式脫硫塔工作方式相同；閉式模式下運(yùn)用淡水添加脫硫劑的循環(huán)溶液洗滌煙氣脫硫，與閉式脫硫塔工作方式相同。

混合式脫硫塔系統(tǒng)能在雙模式間靈活選擇，在無排水要求的水域可以使用開式模式利用天然海水脫硫，減少脫硫劑的消耗，降低成本；在嚴(yán)格控制硫排放的水域可以使用閉式模式，滿足零排放的要求。雙模式的好處也是需要付出代價(jià)的，初期的安裝、改造加裝的成本會(huì)大幅增加，且占用船舶空間更大。

脫硫塔結(jié)構(gòu)比較

脫硫塔在船舶上的實(shí)際應(yīng)用中一般有兩種結(jié)構(gòu)，一種是單塔體結(jié)構(gòu)，一種是雙塔體結(jié)構(gòu)。單塔體結(jié)構(gòu)是船上鍋爐和所有發(fā)電機(jī)都組合在一起，煙氣匯集后進(jìn)入唯一的脫硫塔體完成脫硫；雙塔體結(jié)構(gòu)是有兩個(gè)塔體，可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，比如，鍋爐的煙氣進(jìn)入一個(gè)單獨(dú)的塔體完成脫硫，所有發(fā)電機(jī)煙氣匯集到另一個(gè)單獨(dú)的塔體完成脫硫。

這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，單塔結(jié)構(gòu)初期投資成本低，但如果一部分發(fā)電機(jī)沒工作的情況下，脫硫系統(tǒng)就會(huì)處在輕載運(yùn)行狀態(tài)，白白消耗船上的能源；雙塔結(jié)構(gòu)運(yùn)營時(shí)更靈活，操作費(fèi)用低，但初期投入成本相對高。

600 箱冷藏集裝箱船采用的是單塔體結(jié)構(gòu)的混合式脫硫塔，其結(jié)構(gòu)模型見圖1（左側(cè)為設(shè)備資料圖，右側(cè)為生產(chǎn)設(shè)計(jì)實(shí)際建模圖）。

圖1 脫硫塔模型圖

600 箱冷藏集裝箱船脫硫塔設(shè)計(jì)

脫硫塔相關(guān)的艙容設(shè)計(jì)

根據(jù)本船采用脫硫塔的脫硫原理和設(shè)備要求，船上必須配置堿液儲(chǔ)存艙、脫硫處理艙和廢液收集艙。

1.堿液儲(chǔ)存艙：用于存儲(chǔ)脫硫所需的高濃度堿液，一般以結(jié)晶形式存在。

2.堿液處理艙：堿液結(jié)晶經(jīng)過堿液供給單元稀釋成40%濃度的堿液存放在堿液處理艙中，再通過泵將堿液送入脫硫塔，同時(shí)將脫硫塔內(nèi)含有溶解了硫的堿液送回處理艙。按設(shè)備要求，需將處理艙分為兩個(gè)，均用來儲(chǔ)存稀釋后的堿液，分別處理脫硫塔低處和高處的廢氣和廢液，處理艙容積不小于設(shè)備要求的容積。

3.隔離空艙：堿液儲(chǔ)存艙和堿液處理艙間需設(shè)置隔離空艙，一方面隔開液體和固體，作為強(qiáng)腐蝕性分割艙，另一方面用以放置液壓泵和液壓盤管等設(shè)備。

4.廢液收集艙：用以存放處理艙產(chǎn)生的廢液。

上述艙室布置位于船舶機(jī)艙上平臺(tái)，具體布置情況如圖2 和圖3所示。

圖2 艙容水平面布置示意圖

圖3 艙容橫剖面布置示意圖

脫硫塔相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.脫硫塔平臺(tái)及基座

600 箱冷藏集裝箱船脫硫塔安裝在尾部煙囪結(jié)構(gòu)里，從D 甲板開始一直貫穿至羅經(jīng)甲板（圖4所示）。D 甲板上方是懸空的，整個(gè)脫硫塔僅通過F 甲板上設(shè)置的平臺(tái)基座進(jìn)行安裝，脫硫塔的全部重量將由此平臺(tái)支撐，因此F 甲板上的支撐平臺(tái)及基座設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

圖4 脫硫塔安裝位置

若不設(shè)置脫硫系統(tǒng)，原煙囪結(jié)構(gòu)F 甲板設(shè)計(jì)為普通的大開孔形式（圖5 所示），增加脫硫塔后改為支撐平臺(tái)。該支撐平臺(tái)從右舷L-1檔至左舷L11 檔，寬度7750 毫米；船長方向布滿整個(gè)煙囪F 甲板，長度6715 毫米，甲板板厚10 毫米，如圖6 所示。平臺(tái)開圓形孔，孔周界增加加強(qiáng)，脫硫塔基座落在F 甲板的上，平臺(tái)支撐住脫硫塔。

圖5 原大開口式甲板

圖6 增加脫硫塔支撐平臺(tái)

原設(shè)計(jì)脫硫塔基座由設(shè)備提供，帶在塔身周圍，直接通過基座墊板安裝到F 甲板，墊板已經(jīng)是強(qiáng)結(jié)構(gòu)，無需做額外加強(qiáng)。后期考慮到脫硫塔是大型設(shè)備，自身重量約為13 噸，需要在甲板平臺(tái)上增加基座，且在基座反面增加T 型材、大肘板等反面加強(qiáng)。相關(guān)基座及反面加強(qiáng)如圖7 所示：

圖7 脫硫塔基座反面加強(qiáng)示意圖

圖8 拉桿固定結(jié)構(gòu)

2.脫硫塔拉桿固定結(jié)構(gòu)及拉桿端部加強(qiáng)

為了固定脫硫塔，防止其晃動(dòng)，在脫硫塔的局部增加了拉桿，拉桿一端連接脫硫塔，另一端連接類似盒子狀的固定結(jié)構(gòu)。船體結(jié)構(gòu)專業(yè)在進(jìn)行拉桿固定結(jié)構(gòu)建模時(shí)，需注意防止其下端與集氣罩沖突，輪機(jī)專業(yè)需嚴(yán)格按照設(shè)備資料建模，模型中應(yīng)完整準(zhǔn)確表達(dá)出設(shè)備的形狀，拉桿穿過的結(jié)構(gòu)要做適當(dāng)?shù)男薷?，要與舾裝各專業(yè)認(rèn)真核對干涉。

拉桿固定在結(jié)構(gòu)一端的端部要做局部特殊加強(qiáng)，依據(jù)其拉向位置不同，增加水平、豎向T 型材或增加斜向拉桿固定結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化局部結(jié)構(gòu)。

3.脫硫塔進(jìn)艙工藝

脫硫塔在進(jìn)艙時(shí)需要考慮其進(jìn)艙尺寸，脫硫塔設(shè)備自身周圍有多排環(huán)狀加強(qiáng)圈，在甲板平臺(tái)開圓形孔時(shí)考慮其尺寸。脫硫塔上的排煙管（圖9）是固化在設(shè)備本身上整體安裝的，無法卸下，排煙管位于F 甲板下，而脫硫塔是必須在上建搭載后才進(jìn)艙安裝的，所以F 甲板需要考慮增開工藝孔，本項(xiàng)目實(shí)際開設(shè)的工藝孔位置如圖10 所示。

圖10 F 甲板工藝孔示意圖

600 箱冷藏集裝箱船是黃埔文沖設(shè)計(jì)建造的第一艘加裝脫硫塔的船型，由于在前期脫硫塔的方案選擇上船東耗費(fèi)了大量時(shí)間，后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生了較大的現(xiàn)場修改，包括脫硫塔相關(guān)液艙的分艙修改、煙囪F 甲板增設(shè)脫硫塔支撐平臺(tái)及脫硫塔基座修改、F 平臺(tái)工藝孔修改等。如果是前期技術(shù)狀態(tài)成熟，大部分修改是可以避免的。