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船舶废气脱硫处理平台设计方案

时间：2022-06-20 09:45 所属分类：其他论文 点击次数：

　　摘要：由于国际防止船舶造成污染公约的严格限硫令到期生效，很多远洋船舶需在豁免期限内对船舶做措施以降低废气排放的硫化物、氮化物，除了使用低硫燃油，很多船东选择对废气加装脱硫装置来处理。本文展开一艘8万多载重吨的散货船加装开环式、背包式脱硫塔的设计，通过全面专业设计说明脱硫系统的详细内容，分析围绕脱硫系统服务的配套专业设计原因，供行业人员加深理解和提高设计能力。

　　关键词：设计;脱硫系统;脱硫塔;新烟囱

　　一、船舶废气脱硫处理的背景

　　由于2016年的国际海事组织IMO MEPC 70决议规定，全球船舶废气排放的硫含量从3.5% 降为0.5%，限硫令在2020 年1 月1 日正式生效;2018年11月中国交通运输部颁布《船舶大气污染物排放控制区实施方案》，将限硫区域扩大到整个沿海区域。船舶为了避免废气排放的硫含量超标，可以采取使用低硫油、加装脱硫塔或其他清洁能源，但是由于之前油价较高，并且现阶段全球低硫油供应量低，即使扩张产能，全球炼油厂的产量在未来几年还不满足全部船舶所需，而采用LNG、乙醇等其他燃料的改装成本比较高，并且港口供应受限制，而现在很多运营的船舶还是使用重油做燃料，考虑总体运营成本，相对来说船舶加装脱硫塔的改装费用会比较低、难度小、性价比比较高，因此使得许多船东选择对运营船舶进行加装脱硫塔，对船舶废气排放进行脱硫处理。

　　二、脱硫塔布局设计

　　本船的新脱硫塔烟囱采用背包式，设计在旧烟囱的左舷及后侧，底层甲板和B甲板相连，这样能方便人员从底层B甲板走到生活区，在新烟囱里面布置新加的脱硫塔、设备、管路、电缆等。设计布局利用了旧烟囱的部分侧面，从而减少一部分船舶侧风受力面积，对船舶稳性影响增加不大，在烟囱后的背包式设计在船舶总体上是最好利用的位置。

　　本船的脱硫塔呈U型，直径3米、高9米，加上脱硫塔周边附件和排烟管等，这是占用新烟囱空间最大的设备，另外还布置一些操纵设备、风机、电箱、仪器和检测探头等设备。在船上有限的位置要腾出空间来布置这么多的设备是非常不容易，同时脱硫塔是处理废气排放，温度比较高，只能在烟囱周边才是最合适的，因此在利用旧烟囱的尾部上方空间，在尾部主甲板上方布置新烟囱房间，通过支撑柱子来悬空于船尾甲板缆机的上方，从而不影响缆机使用，也不影响人员从尾部的救生艇逃生。

　　新烟囱里按格栅平台分5层，在第1层布置监控设备柜、多个电箱等电气设备，第2～4层都是格栅平台没设备，在顶部第5层布置2台烟气风机、烟气检测仪。

　　三、烟囱结构设计

　　结构设计主要是在尾部增加新的脱硫塔烟囱结构。这里不在较强的受力区域，不参与船舶总纵强度计算，因此设计所用的板厚、加强筋的规格基本上是参照原船旧烟囱结构。新烟囱最大外形尺寸是长×宽×高≈10m×6.4m×15m，为了尽量减少重量，只在在底部和顶层是设计连续的甲板，在垂直方向的中间区域设计4个水平强框架--腹板是430mm的T型梁，防止新烟囱在垂向变形。顶层甲板厚度是10mm，围壁板厚度是8mm，加强筋采用L150×90×10的角钢。这两层甲板和旧烟囱的甲板板连接，加上两道围壁和旧烟囱垂直连接，采用双面连续焊来保证连接强度。整个新烟囱结构，加上脱硫塔、铁舾装、各类设备的总重近150吨，由于这些都不会产生震动，因此在下方的设计4根规格为□350mm的方管做柱子来支撑就满足了支撑强度要求。支柱坐落在尾甲板的強框架上，在柱子上端、下端增加三角肘板来加强连接。

　　其次是对原船旧结构的改动设计。在和新烟囱连接的一面，原船旧烟囱上需开4个管孔650mm×700mm，开一个1400mm×2000mm孔供DN1400mm排烟管倾斜接入，在顶部开一个600mm×1800mm门孔供新旧烟囱连通，开孔之后的四周需增加角钢来做加强筋。在上面4根柱子的尾甲板的下面，就是舵机舱的顶部，需要增加一些加强肘板，防止尾甲板局部受力不够。

　　四、废气及管路系统设计

　　轮机及管路设计是围绕脱硫塔展开形成整个脱硫系统，主要是将原船烟囱的废气排放系统增加支管导入到新的脱硫塔，增加供给脱硫塔的海水系统、废水排水系统、密封空气管系统、雨水排水管等相关管路系统及管路阀件和附件等，并对原船机舱的一些管路进行了局部改装，在新烟囱房间顶部增加2台风机等。

　　(一)废气排气处理系统

　　本船的主机功率是10300kW;有3台发电机，单台的功率是600kW、720rpm;1台应急发电机的功率是125kW，1800rpm。MARPOL防污染公约对应急发电机的废气没规定必须脱硫，而船舶主机和发电机都是燃烧重油之后会排出含硫比较多的废气，因此它们的废气都需要汇集到脱硫塔去处理，在烟囱里对它们的排烟管设计增加旁通烟气阀来截流废气到新烟囱里的脱硫塔，同时增加烟气探头。

　　本船主机排烟管直径达到1200mm，发电机的排烟管直径是300mm，脱硫塔的U型接口使得接入的烟气需先朝下走一段路，而U型接口直径是1300mm，因此主机和发电机的废气汇集管需增大100mm达到1400mm才能方便烟气顺畅通过。这段汇集烟气的过渡管的材质和原来连接的排烟管的材质一致，都是耐高温、耐腐蚀的不锈钢管，采用日标JISG3454的SS400材质。排出的废气所包含的硫化物、氮氧化物经过脱硫塔时会和海水发生化学反应会产生硫酸、硝酸，这些酸有一小部分会雾化和伴随废气挥发排出，因此在脱硫塔顶部的排烟管需要采用更高要求的双相不锈钢管，防止被酸性气体腐蚀。

　　1.1供给冷却海水系统

　　在机舱底部设计增加2台海水泵，将海水供应到新脱硫塔里喷淋废气。由于原船机舱底层布置满各类设备，空间有限，还要考虑增加压载水处理设备和维修空间，经过勘验原船实际环境，需要对机舱的一些管路、花纹板进行修改来腾出一些空间，可以在机舱前壁靠左的角落布置2台海水泵，将海水滤器藏于机舱花纹板底下。新的海水供给系统的管子不是碳钢管，设计采用玻璃钢管(GRE)，这是为了防止碳钢管路会有锈蚀的海水对脱硫塔喷淋碱液产生硫化铁等不良杂质，降低了脱硫功效。海水沿着玻璃钢管从机舱底部提升到新脱硫塔顶部，垂直高度约30多米，压力非常大，对海水泵的提升能力要求比较高，因此海水泵的马达设计采用变频的、大功率的才能满足。

　　(二)排水系统

　　经过喷淋脱硫塔的海水需要排出船外。呈弱碱性的海水从脱硫塔的中上部喷淋和废气中的SOx、NOx发生化学反应之后生产一些硫酸、硝酸等酸性化合物，然后从脱硫塔的底部排出，经过一小段耐腐蚀的双相不锈钢管，连接到玻璃钢管流到机舱舷外。排水的玻璃钢管一般从机舱靠尾部的舷侧排出，排口需离螺旋桨比较长的一段距离，防止酸性废水腐蚀螺旋桨叶。排舷口的外板表面需要涂一层耐酸碱的特种防腐油漆，以排水口为中心周边面积需涂超过60平方米，直径约是4.5米的圆形区域。

　　(三)气封管系统

　　新加一套气封管系统，从原船压缩空气系统接引压缩气体，输送到上述管路系统需要用到压缩空气控制的阀门，控制空气、密封空气、海水管路阀等等。脱硫塔周边多个海水喷淋管的阀门通过压缩空气来控制开和关;排烟管的烟气阀通过电动控制压缩空气进出来控制开和关。

　　五、舾装平台、防火及救生设计

　　舾装的设计主要是在新烟囱里布置直梯和格栅平台，让船员方便走动到各处和考虑维护方便等内容。本船在新烟囱里增加4层钢格栅平台，每一层高度是2.8米，围绕脱硫塔周边错开管子来布置，贴近脱硫塔，方便人站在平台上能观察到阀门、探头、电器设备等位置，即使以后要仪器坏了需要更换，也可以方便人手施工操作。有些排烟管的烟气阀的仪器稍高，则需要在其下方增加一个踏步平台，人员站上去就足够高度进行观察。由于脱硫塔周边的玻璃钢管走向、位置不同，因此钢格栅平台需预先按管子穿越的坐标留开孔，孔的大小要大于阀门的最大外围直径，才能让管子连带阀件在安装时穿过。

　　防火及应急逃生的相关设计包括直梯、盖子、百叶窗通风、灭火瓶等。直梯的布置需要十分的讲究，既要考虑上下方便，又要考虑从上到下的应急逃生便捷、顺畅，因此在格栅平台的开孔需要设计为800x800毫米大。在新烟囱顶层布置一个风雨密小仓盖，盖章是可以从下面往上推开的样式，作为防止烟囱里面着火、冒烟时往上走的逃生方向。新烟囱及脱硫塔没易燃的物品，为了防止电气设备及电缆等着火，在有电气设备多的底层和顶层各放置一个5KG的二氧化碳干粉灭火器瓶，在中层放置4个隔烟面罩。

　　另外，还有很多的铁舾装件，新增加的设备基座包括有：风机基座、电箱架子、脱硫仪器监测底座、海水泵基座、百叶窗、机舱底层花钢板等。

　　六、电气设备及系统设计

　　新增加的脱硫设备的电力都从原船电气系统引出，需要修改原来的相关电气系统图，相对来说脱硫系统所涉及的电气改装难度不大，主要的改装设计系统有：电力负荷分析计算书、主干电缆系统、驾驶室电气系统图、机舱自动化系统图、照明系统图，还需增加电气设备布置图、照明灯布置图。

　　增加的电气设备有照明灯、脱硫塔监控设备、烟气探头、废水监测仪器、海水泵的变频器、各类设备的开关遥控和电箱等，还有这些电气设备的支架、电缆、电缆托架。本船的电制是110V，60Hz，新加的变频海水泵马达是需要达到440V。废气脱硫监控设备布置一台在新烟囱底部，由于新烟囱在尾部甲板，离生活区和集控室值班人员比较远，为了方便人员监控，同时布置一台监控设备在机舱的集控室里。

　　电缆走向的生产设计分两部分：新烟囱总段部分可预先设计，原船生活区及机舱区域不可预先设计。由于新烟囱可作为总段预制，也在电脑建好了各专业及设备的三维模型，所以新烟囱內的电缆及电缆托架走向可先行设计，并在总段建造的时候做好电缆托架。原船生活区及机舱区域的电缆不能预先设计走向，因为原船状况比较复杂，电缆走向是穿插舱室顶部是有很多管路、电缆，烧焊电缆托架、支架等产生的火花容易损坏原船电缆及其他，顶部空间狭小施工难，一般电缆尽量利用原船的电缆托架走线，所以这些电缆线路只能等船舶进厂后，经过主管勘验再在现场确定走向。

　　七、结语

　　船舶加装脱硫系统有开环式、闭环式、混合式三种方式，其中开式是相对技术比较简单的方式，其他两种方式主要是多了碱液舱处理和储存废水液舱及相关系统，无论哪种方式，要做好详细设计和生产设计，必须在改装前弄清楚船舶状况。通过本船加装脱硫系统设计及改装，本人做了几点经验总结，要点如下：

　　(一)尽可能收集多的原船图纸，尽早收集新加设备及脱硫设备厂商的图纸和资料，以方便后期设计所碰到的连接节点及接口细节。

　　(二)尽可能到船舶现场勘验、测量，以获取实船的真实情况和熟识细节。

　　(三)需要对原船机舱及改装区域做3D扫描，获得数据包需转换成生产设计软件能导入的格式，成为管路和电缆做生产设计的调用背景。

　　(四)在脱硫设计开始及初步方案出来之后，十分有必要与船东、船员进行多次沟通，听取船员的使用意见，才能选择适合该轮和航线的脱硫设备，在做设计时才能全面考虑设备布置的准确和以后维修设备及系统的方便，减少改装工程难度。

　　(五)在原船烟囱周边加装背包式脱硫塔的最大利好是可以预先制造新的脱硫塔，待船舶到船厂之后一周内就可以吊装上船安装;同时开环式脱硫系统不需要对原船结构、管路、线路布置进行大的改动，减少了破坏，大大缩短了工程项目周期，是目前船东的优先选择方案。