小型集裝箱船脫硫系統應用

高晶，楊軍，郝子卓

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前 言

脫硫系統形式多樣，按脫硫劑的形式可分為濕式和干式。 干式系統采用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，分為開式系統、閉式系統和混合式系統。

開式系統管路設計簡單，運行成本低，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中和煙氣中的SOx， 洗滌后的廢水直接排出舷外。 但當航行海域的海水堿度過低或者在內河航行時，開式系統無法運行，需將燃油切換為低硫燃油。

閉式系統利用堿性溶液作為脫硫劑，洗滌水不能直接排出舷外。 其管路設計復雜，運行成本較高，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。

混合式系統的船舶可在兩種模式間切換。 在公海航行時使用開式模式，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式系統運行的水域和港口時，切換為閉式模式。 混合式脫硫系統原理如圖1 所示。 大型集裝箱班輪海上航行時有充分的海水資源可以利用，可采用初投資較低的開式脫硫系統，在靠港時切換為使用低硫油以滿足排放要求。 小型集裝箱船服務于支線航程，經常出入內河或停泊港口時開式系統無法使用，因此小型集裝箱船更適合采用混合式系統，其原理見圖1。

圖1 混合式脫硫系統原理圖

1 脫硫系統應用案例

600 箱冷藏集裝箱船是一型全球航行的單機單槳、低速柴油機驅動的小型集裝箱船。 該船主要參數如下：

入級DNV 船級社， 船級符號：+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對主機、副機和鍋爐的排氣進行洗滌處理。

1.1 煙囪布置

船用脫硫系統的技術來源于陸用脫硫技術，雖可以有效地減少排氣中的硫化物，但設備尺寸巨大給煙囪的布置帶來了極大的困難。 柴油機的排氣經過洗滌塔后溫度過低，無法再被廢氣鍋爐利用產生蒸汽。 排氣應先接入廢氣鍋爐再進入洗滌塔，洗滌塔只能布置在機艙煙囪內。 裝箱數是集裝箱船的重要技術指標，小型集裝箱船的煙囪前后一般是裝箱區域，煙囪占用過多的空間會影響裝箱，市場主流產品的主體尺寸見表1， 需依據選定的洗滌塔尺寸仔細考慮。

表1 洗滌塔主體尺寸 單位：mm

以實船選定的B 廠家為例，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，導致裝箱數的減少，在小型集裝箱船上橫向布置的方案更優。

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 臺主機、4 臺發電機的排氣管和組合鍋爐燃油側的排氣煙管需接入洗滌塔進行廢氣清洗，排氣管和旁通管的直徑見表2。 由于U 型洗滌塔不允許“干燒”，每根排氣管均需設置旁通。 在排氣管進入洗滌塔前，通過旁通支管上設置的氣動風閘以控制廢氣的流向。 當脫硫系統不使用時，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開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計為從D、E 甲板高度分別接入。 主機和兩臺輔機排氣管在D 甲板高度接入， 主機排氣管自煙氣接口右側接入洗滌塔，兩臺輔機排氣管分別自塔體橫向中線兩側斜45°方向接入。 其余兩臺輔機和鍋爐排氣管從E 甲板高度位置接入塔體，見圖3。 通過分層接管，很好地解決了布置空間的問題。

圖3 排氣管接入洗滌塔示意圖

1.2.2 排氣管段背壓估算

柴油機廠家要求的排氣管段上的背壓值標準上限為3 000 Pa，而排氣通過洗滌塔時壓降約為1 500～2 000 Pa?？紤]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準限值之內，因此安裝脫硫系統時需要求柴油機廠家提高背壓上限值。同時，布置排氣管時應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盡量布置在煙囪區域正下，增壓器出口朝向煙囪區域，以縮短排氣管長度。管段盡量采用直線布置，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算結果見表3。

表3 柴油機排氣管段背壓限值和計算阻力損失 單位：Pa

由于組合鍋爐燃油側的排氣背壓限值無法提高，只能在排氣管段上增加排氣風機，用于抵消廢氣脫硫系統的壓損。

1.3 脫硫系統的艙柜布置

混合式脫硫系統需配置堿液艙、 循環水艙、零排放艙和廢渣艙等專用艙柜。

1.3.1 堿液艙的設置

氫氧化鈉（NaOH）溶液具有強腐蝕性，一旦泄漏會對人員和船舶產生極大的危害。 NaOH 儲存艙以及循環水艙一般采用耐腐蝕的不銹鋼材料制成。如使用碳鋼，其內壁應采用環氧漆涂層保護，此時艙柜構件應布置在艙柜外側， 以方便涂料施工。NaOH 艙柜的出口需設置快關閥，以便泄漏時人員可從安全處所將其關閉。 艙柜出口處閥的正下方需設置承液盤，防止溶液外流。 艙柜的空氣管要引至開敞甲板，并設置集液盤，周邊設置警告牌。NaOH 艙柜需設置液位遙測系統，并能在液位高/低時發出報警。

NaOH溶液對溫度敏感， 其理想儲存溫度應在25～35 ℃，在12 ℃以下會產生結晶，在49 ℃以上腐蝕性會大大增強，因此對NaOH 儲存艙要進行溫度控制及監測。 海水的溫度在0 ℃到32 ℃之間，可作為換熱介質。 可在艙柜中設置換熱盤管，引入海水以維持艙內的溫度。 艙柜需設置溫度傳感器，在溫度高和溫度低時發出報警。 NaOH 艙柜的位置需遠離加熱艙柜或者排氣管、蒸汽管等高溫管路，同時艙柜四周應有良好的機械通風。

1.3.2 零排放艙

經水處理單元處理后的洗滌水，在公海海域可以直接排放。 當船舶進入限制排放區域后，處理后的洗滌水也不得排放， 需暫時儲存在零排放艙，其容積需綜合考慮船舶在排放限制區內的時間、柴油的使用工況和脫硫系統處理煙氣時產生的洗滌水量計算得出。 600 箱冷藏集裝箱船在零排放控制區內的營運狀況如表4。 零排放艙的最小艙容由洗滌水產生量和零排放區內的營運時間相乘得到，洗滌水產生量按照0.2～0.3 m3/MWh 估算。 為減少對船舶在零排放區域內操作時間的限制，該艙的艙容應盡可能大，且布置在低于水處理單元的區域，以滿足設備重力排放需求。 同時該艙推薦布置在重載水線以上，以降低排放泵性能要求。

表4 零排放控制區內的設備運行時長和負荷率

600箱冷藏集裝箱船每月產生的洗滌水量約為566 m3，設有3 個零排放艙，總艙容達570 m3，可收集1 個月產生的洗滌水。 由于洗滌水處理裝置布置在機艙上平臺，3 個艙分別布置在機艙平臺的右舷舷側區域和平臺下尾部的左右兩舷區域。

1.3.3 循環水艙和廢渣艙

循環水艙在閉路模式下用作緩沖艙，其容積決定著洗滌系統在閉式模式下無排放操作的時間。 其艙容可按照脫硫系統廠家的推薦（見表5）。

表5 循環水艙艙容推薦值

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

600箱冷藏集裝箱船設有2 個循環水艙， 艙容分別25 m3和20 m3。 該船每小時約產生4.2 m3廢渣，脫硫裝置廢渣艙容為21 m3。

1.4 脫硫系統帶來的影響

1.4.1 對主機油耗的影響

考慮到脫硫系統設備背壓帶來的影響，需將主機和發電機在增壓器出口后的背壓限制值由標準的3 000 Pa 分別提高到6 000 Pa 和4 500 Pa。 排氣背壓的增加會使得排氣量降低、渦輪增壓器出口溫度升高，導致柴油機單位油耗增加0.3～0.7 g/kWh。

1.4.2 對海水系統的影響

脫硫系統在開式模式下需使用大量海水作為洗滌水，需額外設置3 臺脫硫系統海水泵，每臺海水泵滿足50%的洗滌水量，航行時2 臺同時使用，1臺泵備用。600 箱冷藏集裝箱船的脫硫系統海水泵排量為750 m3/h×0.47 MPa， 冷卻海水泵排量630 m3/h×0.25 MPa。在機艙尾部設置1 個脫硫系統海水箱，單獨供脫硫系統海水泵使用。 如脫硫系統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到700 mm，機艙布置困難。

1.4.3 對船舶電站的影響

脫硫系統的主要用電設備為海水泵、 煙氣風機、堿液循環泵、水處理單元以及控制系統。 其中海水泵電功率最大，600 箱冷藏集裝箱船單臺海水泵的功率達50 kW。 在設計時應盡可能地降低洗滌塔的安裝高度，減小海水泵所需的壓頭，從而減小其電機功率。600 箱冷藏集裝箱船采用了變頻海水泵，使其排量根據脫硫塔中的煙氣流量動態調整，減少電能消耗。 一般而言，脫硫系統的電功率可按照柴油機總功率的0.7%進行估算。

2 脫硫系統投資回收年限測算

廢氣脫硫系統與使用低硫燃油的經濟性優劣主要取決于高/低硫油的差價。用技術經濟性分析的手段對這兩種方案進行比較，計算方法［1］見式（1），式中：C 為設備初投資額；i 為年利率；n 為年數；A1為使用高硫燃油時的年費用， 計算公式見式（2）；A2為使用低硫燃油時的年費用，計算公式見式（3）。

式中：PMEi為不同工況下的主機功率，kW；FMEi為在不同工況下的主機油耗（ISO condition），g/kWh；Ti為不同工況下的航行的時間，h；PScrruberi為Scrubber 在不同工況下運行時所需的功率，kW；FAE為發電機油耗，g/kWh；PHFO為高硫燃油的單位價格，USD/t；PMGO為低硫燃油的單位價格，USD/t；FMEi為在不同工況下的主機油耗 （ISO condition），g/kWh；W 為脫硫系統運行時消耗淡水和NaOH 的年成本，USD。

為了簡化計算，假定利率不隨時間變化，船舶持續運行在CSR 下， 由于淡水和氫氧化鈉價格較低，不考慮W 的影響。由上述公式可以知道，決定脫硫系統投資回報年限的主要因素是，設備初投資價格、燃油耗量、高/低硫的價格差、利率。 以600 箱冷藏集裝箱船的數據進行測算，取值如表6。

表6 測算投資回報年限時的取值

600箱冷藏集裝箱船航行工況使用1 臺主機和3 臺發電機組，初投資回收年限測算如表7。 測算時忽略了使用和維護成本，實際投資回收年限會高于理論測算值。 即使價差縮小到至100 美元/t 仍可在2.8 年左右收回投資， 從經濟性上考慮應用脫硫系統是合理的。

表7 脫硫系統投資回報年限

小型集裝箱船航行工況下主機和發電機總功率介于10 MW 至35 MW 區間，對裝機總功率位于此區間內的船舶使用脫硫系統的投資回報年限進行測算， 當高/低硫燃油價差分別為50 USD/t、100 USD/t和200 USD/t 時， 投資回收年限測算結果如圖4 所示。 當高低硫價差縮小為50 USD/t 時，對于柴油機總功率小于2 MW 的船， 脫硫系統在性價比上已無優勢。

圖4 初投資回收年限測算

3 結 語

船舶削減硫排放的需求會一直存在，完全不含硫的替代燃料在船上應用的技術還未成熟，未來一段時間絕大多數船舶仍會使用常規燃料油。 隨著廠商的市場競爭，脫硫系統的價格會逐步下降，其與使用低硫油方案相比成本優勢更加顯著，預計會有更多的船舶使用以滿足硫排放要求。 混合式脫硫系統更適用小型集裝箱船，該脫硫系統在600 冷箱集裝箱船上實際應用中難點的解決方案，可供其他類似船型設計時借鑒。