小型集装箱船脱硫系统应用

高晶，杨军，郝子卓

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前 言

脱硫系统形式多样，按脱硫剂的形式可分为湿式和干式。 干式系统采用Ca（OH）2颗粒吸收硫氧化物（SOx），其体积巨大，吸收材料需要定期更换，不适用于船舶。 船舶一般采用湿式系统，分为开式系统、闭式系统和混合式系统。

开式系统管路设计简单，运行成本低，利用泵抽取舷外海水喷入洗涤塔与烟气混合，利用海水中的碱性物质中和烟气中的SOx， 洗涤后的废水直接排出舷外。 但当航行海域的海水碱度过低或者在内河航行时，开式系统无法运行，需将燃油切换为低硫燃油。

闭式系统利用碱性溶液作为脱硫剂，洗涤水不能直接排出舷外。 其管路设计复杂，运行成本较高，但碱性溶液脱硫的效率更高，管路尺寸更小，且不受海水碱度限制。

混合式系统的船舶可在两种模式间切换。 在公海航行时使用开式模式，以海水作为脱硫剂，降低使用成本。 在海水碱度不够或者限制开式系统运行的水域和港口时，切换为闭式模式。 混合式脱硫系统原理如图1 所示。 大型集装箱班轮海上航行时有充分的海水资源可以利用，可采用初投资较低的开式脱硫系统，在靠港时切换为使用低硫油以满足排放要求。 小型集装箱船服务于支线航程，经常出入内河或停泊港口时开式系统无法使用，因此小型集装箱船更适合采用混合式系统，其原理见图1。

图1 混合式脱硫系统原理图

1 脱硫系统应用案例

600 箱冷藏集装箱船是一型全球航行的单机单桨、低速柴油机驱动的小型集装箱船。 该船主要参数如下：

入级DNV 船级社， 船级符号：+1A，Container ship，SAFELASH，BIS，E0，LCS，NAUT（NAV），BWM（T），Clean，Recyclable，TMON，DG（P）

采用一套混合式脱硫系统对主机、副机和锅炉的排气进行洗涤处理。

1.1 烟囱布置

船用脱硫系统的技术来源于陆用脱硫技术，虽可以有效地减少排气中的硫化物，但设备尺寸巨大给烟囱的布置带来了极大的困难。 柴油机的排气经过洗涤塔后温度过低，无法再被废气锅炉利用产生蒸汽。 排气应先接入废气锅炉再进入洗涤塔，洗涤塔只能布置在机舱烟囱内。 装箱数是集装箱船的重要技术指标，小型集装箱船的烟囱前后一般是装箱区域，烟囱占用过多的空间会影响装箱，市场主流产品的主体尺寸见表1， 需依据选定的洗涤塔尺寸仔细考虑。

表1 洗涤塔主体尺寸 单位：mm

以实船选定的B 厂家为例，考虑到检修空间和旁通排气管的布置空间，需要的烟囱水平面空间约为12 m×8 m。 旁通排气管和洗涤塔可采用横向布置， 即旁通排气管在洗涤塔的船宽方向并排布置，也可采用纵向布置，即旁通排气管在洗涤塔沿船长方向上并排布置，如图2 所示。 纵向布置使得烟囱挤占了集装箱箱位，导致装箱数的减少，在小型集装箱船上横向布置的方案更优。

图2 烟囱布置方案

1.2 排气管布置和背压估算

1.2.1 排气管的布置

1 台主机、4 台发电机的排气管和组合锅炉燃油侧的排气烟管需接入洗涤塔进行废气清洗，排气管和旁通管的直径见表2。 由于U 型洗涤塔不允许“干烧”，每根排气管均需设置旁通。 在排气管进入洗涤塔前，通过旁通支管上设置的气动风闸以控制废气的流向。 当脱硫系统不使用时，废气可从旁通管排入大气。

表2 接入洗涤塔排气管和旁通管直径 单位：mm

洗涤塔公共烟气接口位于塔体侧面，共有6 根排气管需接入塔体。 如排气管并排接入烟气接口所需的布置空间较大，将排气管在不同的高度以不同角度错开接入塔体可有效的减少布置空间需求。600 箱冷藏集装箱船的排气管设计为从D、E 甲板高度分别接入。 主机和两台辅机排气管在D 甲板高度接入， 主机排气管自烟气接口右侧接入洗涤塔，两台辅机排气管分别自塔体横向中线两侧斜45°方向接入。 其余两台辅机和锅炉排气管从E 甲板高度位置接入塔体，见图3。 通过分层接管，很好地解决了布置空间的问题。

图3 排气管接入洗涤塔示意图

1.2.2 排气管段背压估算

柴油机厂家要求的排气管段上的背压值标准上限为3 000 Pa，而排气通过洗涤塔时压降约为1 500～2 000 Pa。考虑到管路阻力损失和其他附件的压降，排气背压难以控制在标准限值之内，因此安装脱硫系统时需要求柴油机厂家提高背压上限值。同时，布置排气管时应采取措施减少管路上的压力损失。 600 箱冷藏集装箱船将柴油机尽量布置在烟囱区域正下，增压器出口朝向烟囱区域，以缩短排气管长度。管段尽量采用直线布置，避免弯折。弯折处弯曲半径不小于1.5 倍直径， 以减小局部阻力损失。排气管段背压限值和阻力损失计算结果见表3。

表3 柴油机排气管段背压限值和计算阻力损失 单位：Pa

由于组合锅炉燃油侧的排气背压限值无法提高，只能在排气管段上增加排气风机，用于抵消废气脱硫系统的压损。

1.3 脱硫系统的舱柜布置

混合式脱硫系统需配置碱液舱、 循环水舱、零排放舱和废渣舱等专用舱柜。

1.3.1 碱液舱的设置

氢氧化钠（NaOH）溶液具有强腐蚀性，一旦泄漏会对人员和船舶产生极大的危害。 NaOH 储存舱以及循环水舱一般采用耐腐蚀的不锈钢材料制成。如使用碳钢，其内壁应采用环氧漆涂层保护，此时舱柜构件应布置在舱柜外侧， 以方便涂料施工。NaOH 舱柜的出口需设置快关阀，以便泄漏时人员可从安全处所将其关闭。 舱柜出口处阀的正下方需设置承液盘，防止溶液外流。 舱柜的空气管要引至开敞甲板，并设置集液盘，周边设置警告牌。NaOH 舱柜需设置液位遥测系统，并能在液位高/低时发出报警。

NaOH溶液对温度敏感， 其理想储存温度应在25～35 ℃，在12 ℃以下会产生结晶，在49 ℃以上腐蚀性会大大增强，因此对NaOH 储存舱要进行温度控制及监测。 海水的温度在0 ℃到32 ℃之间，可作为换热介质。 可在舱柜中设置换热盘管，引入海水以维持舱内的温度。 舱柜需设置温度传感器，在温度高和温度低时发出报警。 NaOH 舱柜的位置需远离加热舱柜或者排气管、蒸汽管等高温管路，同时舱柜四周应有良好的机械通风。

1.3.2 零排放舱

经水处理单元处理后的洗涤水，在公海海域可以直接排放。 当船舶进入限制排放区域后，处理后的洗涤水也不得排放， 需暂时储存在零排放舱，其容积需综合考虑船舶在排放限制区内的时间、柴油的使用工况和脱硫系统处理烟气时产生的洗涤水量计算得出。 600 箱冷藏集装箱船在零排放控制区内的营运状况如表4。 零排放舱的最小舱容由洗涤水产生量和零排放区内的营运时间相乘得到，洗涤水产生量按照0.2～0.3 m3/MWh 估算。 为减少对船舶在零排放区域内操作时间的限制，该舱的舱容应尽可能大，且布置在低于水处理单元的区域，以满足设备重力排放需求。 同时该舱推荐布置在重载水线以上，以降低排放泵性能要求。

表4 零排放控制区内的设备运行时长和负荷率

600箱冷藏集装箱船每月产生的洗涤水量约为566 m3，设有3 个零排放舱，总舱容达570 m3，可收集1 个月产生的洗涤水。 由于洗涤水处理装置布置在机舱上平台，3 个舱分别布置在机舱平台的右舷舷侧区域和平台下尾部的左右两舷区域。

1.3.3 循环水舱和废渣舱

循环水舱在闭路模式下用作缓冲舱，其容积决定着洗涤系统在闭式模式下无排放操作的时间。 其舱容可按照脱硫系统厂家的推荐（见表5）。

表5 循环水舱舱容推荐值

闭式模式下排气中积聚的废渣通过水处理单元中的分离器除去，废渣的产生量取决于接入脱硫系统的柴油机的负荷、燃油耗率和燃油含硫量。

600箱冷藏集装箱船设有2 个循环水舱， 舱容分别25 m3和20 m3。 该船每小时约产生4.2 m3废渣，脱硫装置废渣舱容为21 m3。

1.4 脱硫系统带来的影响

1.4.1 对主机油耗的影响

考虑到脱硫系统设备背压带来的影响，需将主机和发电机在增压器出口后的背压限制值由标准的3 000 Pa 分别提高到6 000 Pa 和4 500 Pa。 排气背压的增加会使得排气量降低、涡轮增压器出口温度升高，导致柴油机单位油耗增加0.3～0.7 g/kWh。

1.4.2 对海水系统的影响

脱硫系统在开式模式下需使用大量海水作为洗涤水，需额外设置3 台脱硫系统海水泵，每台海水泵满足50%的洗涤水量，航行时2 台同时使用，1台泵备用。600 箱冷藏集装箱船的脱硫系统海水泵排量为750 m3/h×0.47 MPa， 冷却海水泵排量630 m3/h×0.25 MPa。在机舱尾部设置1 个脱硫系统海水箱，单独供脱硫系统海水泵使用。 如脱硫系统海水泵和主海水泵都从海水总管取水，按流速核算海水管直径达到700 mm，机舱布置困难。

1.4.3 对船舶电站的影响

脱硫系统的主要用电设备为海水泵、 烟气风机、碱液循环泵、水处理单元以及控制系统。 其中海水泵电功率最大，600 箱冷藏集装箱船单台海水泵的功率达50 kW。 在设计时应尽可能地降低洗涤塔的安装高度，减小海水泵所需的压头，从而减小其电机功率。600 箱冷藏集装箱船采用了变频海水泵，使其排量根据脱硫塔中的烟气流量动态调整，减少电能消耗。 一般而言，脱硫系统的电功率可按照柴油机总功率的0.7%进行估算。

2 脱硫系统投资回收年限测算

废气脱硫系统与使用低硫燃油的经济性优劣主要取决于高/低硫油的差价。用技术经济性分析的手段对这两种方案进行比较，计算方法［1］见式（1），式中：C 为设备初投资额；i 为年利率；n 为年数；A1为使用高硫燃油时的年费用， 计算公式见式（2）；A2为使用低硫燃油时的年费用，计算公式见式（3）。

式中：PMEi为不同工况下的主机功率，kW；FMEi为在不同工况下的主机油耗（ISO condition），g/kWh；Ti为不同工况下的航行的时间，h；PScrruberi为Scrubber 在不同工况下运行时所需的功率，kW；FAE为发电机油耗，g/kWh；PHFO为高硫燃油的单位价格，USD/t；PMGO为低硫燃油的单位价格，USD/t；FMEi为在不同工况下的主机油耗 （ISO condition），g/kWh；W 为脱硫系统运行时消耗淡水和NaOH 的年成本，USD。

为了简化计算，假定利率不随时间变化，船舶持续运行在CSR 下， 由于淡水和氢氧化钠价格较低，不考虑W 的影响。由上述公式可以知道，决定脱硫系统投资回报年限的主要因素是，设备初投资价格、燃油耗量、高/低硫的价格差、利率。 以600 箱冷藏集装箱船的数据进行测算，取值如表6。

表6 测算投资回报年限时的取值

600箱冷藏集装箱船航行工况使用1 台主机和3 台发电机组，初投资回收年限测算如表7。 测算时忽略了使用和维护成本，实际投资回收年限会高于理论测算值。 即使价差缩小到至100 美元/t 仍可在2.8 年左右收回投资， 从经济性上考虑应用脱硫系统是合理的。

表7 脱硫系统投资回报年限

小型集装箱船航行工况下主机和发电机总功率介于10 MW 至35 MW 区间，对装机总功率位于此区间内的船舶使用脱硫系统的投资回报年限进行测算， 当高/低硫燃油价差分别为50 USD/t、100 USD/t和200 USD/t 时， 投资回收年限测算结果如图4 所示。 当高低硫价差缩小为50 USD/t 时，对于柴油机总功率小于2 MW 的船， 脱硫系统在性价比上已无优势。

图4 初投资回收年限测算

3 结 语

船舶削减硫排放的需求会一直存在，完全不含硫的替代燃料在船上应用的技术还未成熟，未来一段时间绝大多数船舶仍会使用常规燃料油。 随着厂商的市场竞争，脱硫系统的价格会逐步下降，其与使用低硫油方案相比成本优势更加显著，预计会有更多的船舶使用以满足硫排放要求。 混合式脱硫系统更适用小型集装箱船，该脱硫系统在600 冷箱集装箱船上实际应用中难点的解决方案，可供其他类似船型设计时借鉴。