船舶废气清洗系统SCHEME A方案设计及验证研究

吴培莉 李世用 李 斌 邹 淼 曲秀萍

（大连船舶重工集团设计研究院有限公司 大连116021）

引 言

为了降低船舶尾气造成的环境污染，MARPOL 73/78 ANNEX VI 的修正案规定：2020年1月1日后，全球船舶燃油含硫量应低于0.5% m/m；但是在排放控制区，2015年1月1日后，含硫量应低于0.1% m/m，或采取等效替代措施［1］。废气清洗系统（后文简称EGC系统）被证明是一种满足限硫规定的有效替代方法，所以越来越多的船舶加装EGC系统以减少船舶尾气硫化物的排放［2］。

根据MEPC.259（68）号决议“废气清洗系统2015导则”，对EGC系统试验、检验发证和排放符合性验证方法有2种方案，SCHEME A和SCHEME B。SCHEME A系指通过台架试验和参数检查，证明废气清洗（EGC）系统排放符合性的一种检验和发证方法；而实际上，由于厂家工厂内很难有匹配的燃油燃烧装置，故相应台架试验内容通常在船厂的系列船首制船上进行。SCHEME B系指通过对废气中硫氧化物排放进行连续监测，证明EGC系统排放符合性的一种检验方法。该方法为安装经船级社认可的连续监测系统，验证在EGC系统工作时，其排放满足核准值要求。由于SCHEME A类似产品的型式认可试验，需测试出主要工作参数的边界条件，要求严格，所以大部分EGC系统采用SCHEME B认证方案。

对于同等设计的船舶，若某船已经过SCHEME A认证，后续船可免于取证。船东从系列船改造考虑，且SCHEME A方案不需要经过连续监测即可获得认证，降低了船东的管理成本及运行风险。本文以某型采取SCHEME A认证方案的船为研究目标，开展了与船厂相关的EGC系统的SCHEME A认证方案研究。目标船入CCS船级社，挂香港旗，EGC系统为开式设计，系统接入设备含1台推进用二冲程低速柴油机和3台四冲程柴油发电机组。

1 SCHEME A认证方案要求

1.1 EGC系统设计原理

设计EGC系统为开式系统，采用U型洗涤塔，设计目标实现等效硫含量为0.1% m/m燃油的排放，海水泵设计为2用1备。该系统主要工作原理为：在排放控制区时，烟气进入脱硫洗涤塔进行处理。脱硫海水泵直接将海水输送至洗涤塔，洗涤烟气，洗涤后的海水直接排舷。系统中设烟气分析仪和水质监测单元，以监测烟气和海水的排放，详见图1。

图1 EGC系统设计原理

该船接入EGC系统的燃烧设备参数见表1。

表1 某船燃烧设备参数

1.2 设计要求

根据CCS要求，对于采用方案A的EGC系统（接1台或多台燃油燃烧装置），应能确保在各燃油燃烧装置最大负荷下的烟气处理能力［3］，也就是按照航行、装卸货、操纵等工况下燃油燃烧装置的最大运行工况进行设计。

本船EGC系统最大工况是1台主机100%负荷+1台发电机100%负荷（电力负荷计算书确定），考虑5%烟气的偏差，最大烟气量为57.62 kg/s。选用Wärtsilä脱硫洗涤塔，处理烟气量能力为59.10 kg/s，设计能力满足系统需求。

按照接入的燃烧装置，试验要求：

（1）燃油要求

根据MEPC.259（68）号决议要求，可以使用制造厂所指定的最大含硫量的燃油进行试验，或使用含硫量更低的2种燃油进行试验。所选用的2种燃油应当具有足够不同的含硫量以表现出EGC设备的运转特性，并要表现出：该EGC设备在使用制造厂所标定的最大含硫量燃油时能够满足“认证的数值”。经过检验，本船加注的燃油含硫量为3.3% m/m，经船级社和厂家认可，可以采用该种燃油进行试验。

（2）试验测量点要求

根据MEPC.259（68）号决议要求，为了体现出设备的性能，至少要测量4个负荷点［4］：1个测量点应当处在最大废气质量流量的95%～100%；第2个测量点应当是最小废气质量流量的±5%；另2个负荷点应当是处在最大和最小废气质量流量之间间距相等的位置。此外，还需验证当最小的内燃机设备处于空转状态，在标准O2浓度时，SO2的排放浓度应当不超过50 ppm。

避开主机转速禁区，并尽可能简化测量过程，经船级社和厂家认可，拟采用表2方案进行测试。由于洗涤塔厂家的容量是分档选型的，实际洗涤塔的能力已超过设计要求。所以1台主机+1台发电机的废气质量流量满足不了最大测量点的要求，需要接入2台发电机。

表2 试验测量点

1.3 达标要求

（1）废气排放限值

燃油含硫量0.50% m/m：排放比率SO2（ppm）/CO2（%v/v）限值为21.7；

燃油含硫量0.10% m/m：排放比率SO2（ppm）/CO2（%v/v）限值为4.3；

（2）洗涤水排放标准

根据MEPC.259（68）号决议要求，洗涤水需要满足pH、 PAH、 浑浊度、 硝酸盐含量等参数的限值，具体如下页表3。标准以洗涤排放水48.9 t/MWh为基准。除硝酸盐需要实验室检测外，其余参数通过系统配备的监控系统读取数值。

该排放标准是根据规范，按照洗涤水排量的不同差值而来。其中的pH，当船舶处于静止状态下，距离舷外排放点4 m远的处舷外监测位置的pH排放限值最小为6.5。舷外排放的pH限值可以由直接的测量方式来确定，也可使用计算方法确定。由于直接测量困难，根据规范要求，可采用经过认证的计算方法确定排放pH限值，达标要求为排舷处pH大于2.7。

表3 洗涤水排放标准

2 SCHEME A方案实船认证

对SCHEME A方案进行实船认证，测量仪表需要进行校验后才能进行试验，除需要认证废气排放和洗涤水排放是否符合标准外，根据规范要求，还需要进行烟气流量测量和边界条件确认，主要包括变频海水泵的流量-负荷曲线验证。

2.1 烟气流量测量

根据MEPC.259（68）号决议要求，排放试验应当遵从“NOx排放的2008技术法案”第5章和相关的附录内容，所以试验时需要对烟气流量进行测量，采用最为成熟的碳平衡法进行测量计算。碳平衡法所遵循的原理是发动机燃烧前后碳原子守恒，即柴油发动机燃烧前后的燃油和空气中碳原子总量与燃烧后排气中碳原子总量相等。碳平衡法是根据燃料消耗量、燃料成分和排气各组分浓度来计算排气质量流量。［5］

柴油机废气质量流量计算公式见式（1），排气干/湿修正系数，见式（2）。

式中：qmew为湿基废气质量流量，kg /h；qmf为燃油质量流量，kg /h；WBET为燃油的碳含量，%m/m；WALF为燃油的氢含量，%m/m；Ha为吸入空气的绝对湿度（水/干空气），g/kg；fc为碳系数；ffd为干基废气流量计算的燃料特定系数；kwr2为干湿修正系数； 为干基CO2浓度，ppm/%；ccod为干基CO浓度，ppm/%； 为干基氢气浓度，ppm/%；Pr为冷却后的水汽压力，kPa；Pb为大气总压力，kPa；kw2为吸入空气中水蒸气的体积流量与湿进气的体积流量的比值。

烟气流量计算所需测量参数及测试方法见下页表4。

表4 烟气流量计算所需测量参数及测试方法

2.2 海水泵流量控制

EGC系统设计3×50% 海水泵，容量为750 m3/h×75 m，离心泵。海水泵采用变频控制，海水量由流量-负荷曲线控制。

按照厂家标准，首先初步估算流量：

海水流量= max（45m3/ MWh×洗涤塔负荷×A，750 m3/h）；其中A为流量系数，与洗涤海水温度及碱度相关，取0.8～1.1。

设计建立海水流量-负荷曲线，见图2。在航海试验时，在各个负荷下，对最低海水量进行验证，确认海水泵的流量设计满足系统需求。

图2 海水流量-负荷曲线

3 测量及结果

（1）试验环境条件的测量：测量试验环境条件，主要包括环境温度Ta、大气总压力Pb和吸入空气的相对湿度Ra，并计算试验环境参数fa，确认0.93＜fa＜ 1.07。［4］

（2）柴油机工况稳定后，保持稳定工况30 min，进行烟气量测量（主机和发电柴油机的燃油消耗量、CO2、CO和CH的测量）。主机和发电柴油机排气浓度测量的取样探头应分别安装在主机排烟管和发电柴油机排烟管上，并分别需要安装2个取样探头（如图3所示）。

图3 探头安装位置示意

分别用于测量排烟中的CO2浓度及CO、CH浓度。测量时，不同排烟管可使用一套仪器，采用转换阀转换进行测量。烟气的相关参数测取3次，计入记录表格中，测量数据如下页表5。

表5 烟气排放测量数据

结果反馈，洗涤塔试验负荷点满足船级社及规范要求。

（3）最后再进行MARPOL试验中要求的排烟参数认证、洗涤水参数认证。经检验，废气排放限值满足规范要求，洗涤水排放符合表3的排放标准。

4 结 语

某船EGC系统采用SCHEME A 方案进行设计及试验，实船测量了烟气流量并进行边界条件的确认，设计及试验满足规范及船级社要求，可实现等效硫含量为0.1% m/m燃油的排放目标。该型EGC系统可用于同等设计的船舶上，而不需对EGC系统进行验证试验。