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海船钠碱法湿式废气清洗系统关键技术

2020-01-03闻涛李春茂

中国水运 2020年12期
关键词:不锈钢

闻涛 李春茂

摘 要:随着2020年国际海事组织限硫令的到来,越来越多的港口和國家加入排放控制区,要求进入排放控制区船舶使用含硫量低于0.1%的低硫燃料或使用废气清洗系统,本文主要介绍了钠碱法湿式废气清洗系统实船设计要点及注意事项,以期更多的业内人士交流学习,更好地服务于造船业。

关键词:废气清洗;脱硫塔;脱硫剂;不锈钢;洗涤水

随着人类环保意识的逐步增强,经济环保型船舶越来越受到世界各国的青睐,特别是随着国际海事组织海洋环境保护委员会(MEPC)2020年全球限硫令的到来,世界各国竞相寻求各种简单有效的方法解决船舶的SOX排放问题。目前较为有效的方法一是直接使用低硫燃油,二是采用废气清洗系统,三是采用清洁燃料如天然气。相对于现阶段高硫油与低硫油的高差价和低硫油市场的短期供不应求,以及天然气船舶造价及技术含量过高,采用废气清洗系统显得更加经济有效。目前市场上采用的废气清洗系统一般为钠碱法(NaOH)和镁基法(MgO),本文主要介绍海船钠碱法湿式废气清洗系统的设计安装要点,以期更多的业内人士能够共同研究探讨进而改善我国船舶废气清洗行业发展现状。

1国内外船舶废气清洗技术发展趋势

虽然废气清洗的概念很早就已经提出并推广,技术也日趋成熟,但是该技术前期主要运用于热电厂、钢厂等陆用设施,海船的使用目前尚处于探索试验阶段,仍需较长的时间来验证完善。相对而言,国外船舶废气清洗技术起步较早,瓦锡兰、阿法拉伐、挪威Clean Marine等很早就开始了该技术的研究,近年来我国的中船711所、上海蓝魂、威海普益、佩森环科等企业也相继参与其中,争夺市场份额,使我国的船舶废气清洗技术得到了迅速发展。

2钠碱法湿式废气清洗系统关键技术

相对于陆用脱硫设施,海船脱硫可以充分利用海水的弱碱性,将海水作为主脱硫剂,碱液作为辅助脱硫剂,从而简化系统设计,减少碱液消耗,钠碱法湿式废气清洗系统设计时常选用50%高浓度NaOH碱液作为辅助脱硫剂。当主、辅机海水冷却系统具有足够压力适合引入废气清洗系统时,可直接引入从而降低系统自身海水及NaOH用量。

下图为挪威Clean Marine公司设计的混合式湿法废气清洗系统的典型示意图。

该系统脱硫塔分内外腔,排气自外腔顶部进入沿外腔壁下行逐步脱硫,脱硫完成后进入内腔底部上行排至大气。在洗涤水允许排放区域使用开式系统,洗涤水直接排舷,在禁排区域采用闭式循环系统,洗涤水储存在船上的储存舱中,当船舶脱离禁排区后低速率排放。

下面以该混合式湿法废气清洗系统作为基础简要介绍此类系统的设计参数选择,以及设计和施工过程中需要运用的关键技术和注意事项。

2.1设计参数选择

废气清洗系统的大小、前期投入成本及后期运行维护成本的多少与主、辅机烟气排放量的大小呈正比,与主、辅机负荷状态直接相关。通常柴油机在设计选型时为保证使用寿命及燃油经济性,预留有一定的功率储备,其最大连续运转工况负荷一般在85%左右,同时主、辅柴油机也可能存在不同时工作的情况。因此废气清洗系统设计参数选取时应按船舶实际正常运营的最大负荷工况设计,同其他系统一样废气清洗系统设计时一般也预留有超负荷运转裕量,完全可以满足柴油机短时超预定负荷运转的处理需要。

以一艘渔业运输船为例,设3480kW主机1台(带1台1500kW轴带发电机),1100kW柴油发电机组1台,740kW柴油发电机组1台,其正常航行、低负荷运转、停泊或备车、海上装卸货物等4种不同运营作业工况理论排气量如下:

由上表1可知,正常航行工况主机85%负荷带轴带发电机为该船实际运营的最大负荷工况,应以该工况的理论排气量来确定脱硫塔、系统舱柜的大小及泵、风机等设备的参数。

2.2系统防腐蚀技术

由于海水本身具有一定的腐蚀性,在吸收排气中的硫化物、烟尘及颗粒物,加入NaOH强碱后化学性质不断变化,腐蚀性进一步增强。目前已陆续发现早期安装废气清洗系统的船舶出现明显的局部腐蚀现象,为此各大船级社已开始重视整个废气清洗系统的选材及防腐处理工作。设计时一般可以从以下2个方面进行考虑:

2.2.1特殊选材

不锈钢材质——脱硫塔、系统辅助舱柜、设备及系统管路优选双相不锈钢,它的主要特点是屈服强度可达普通不锈钢的2倍,从而节约用材。在抗腐蚀方面,特别是介质环境比较恶劣,如海水氯离子含量较高的条件下,双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能具有显著优势。而对于NaOH溶液输送储存系统,化学性质相对稳定,当温度不超过200°F时可选用316L不锈钢。

玻璃钢材质——玻璃钢主要运用在系统管路上,玻璃钢管具有良好的耐腐蚀性、抗老化性、耐热抗冻性等,同时重量轻、强度高、内壁光滑、输送能力强,不结垢、不生锈、水阻小维护成本低,不需要进行防锈、防污、绝缘、保温等措施和检修,耐磨性好,非常适合废气清洗系统的运用。缺点是建造成本高,同时现场修改需要专业培训人员,修改质量不易保证,对船厂的三维放样率和准确率要求较高。

塑料/橡胶材质——对于部分设备、阀件内部与腐蚀性液体接触的部件及一些按规范要求可以免除耐火性、安全性的非重要管路,聚乙烯、聚丙烯、PVC、CPVC等塑料材质也是一种不错的选择,如对于小排量的排放或输送泵可以选用塑料材质的气动隔膜泵,取样水管路选用塑料管等。

除上述材质外,一些特殊部件或部位也可以考虑采用陶瓷、二氧化硅等特殊材料,当NaOH储存舱柜加热盘管或加热器自身温度超过200°F时,选用蒙奈尔、英科奈尔、哈氏等镍基合金。

2.2.2特种涂装

由于特殊选材普遍存在造价高,现场修改困难等缺点,当脱硫塔本体及系统舱柜体积较大时,选用普通碳钢材质,内部进行特种涂装将大大节省建造成本,同时降低施工难度。为此可以采取在内部喷涂酚醛环氧漆、玻璃鳞片漆等特种油漆,或内部涂塑处理,包括阀门、管路等与腐蚀性液体接触的部位也可以采用上述方法。

对于排舷外处可能存在的短管及排舷口附近区域外板应予以特別注意,由于不同材质相互焊接的工艺性能较差同时存在严重的电化学腐蚀隐患,此处管路及板材的选材一般与整个船体保持一致采用碳钢。根据目前部分船舶反馈的信息,此处存在较严重的腐蚀情况,同时不易观察,不易维护保养,为此可选用玻璃鳞片漆进行重防腐厚涂层涂装以保证特涂效果,该油漆适合浸泡环境下的内衬涂层,具有优异的耐化学品性能,适合严酷大气和浸泡环境。

2.3脱硫剂混合技术

硫化物属于中等溶解度的气体,随温度升高溶解度降低,为提高吸收速度需要同时增大气相和液相主体的流速、湍度,减薄气液膜层厚度,增大气体与液体的分散度,提高吸收过程的推动力,为此可以采用以下几种方法:

(1)降温处理——废气温度降低有利于硫化物的吸收,为此可以在废气进入脱硫塔后先进行降温处理,即提前注入部分海水将废气温度降低。

(2)结构化设计——脱硫塔内部适当增加部分网状或环状实体填料,增加脱硫剂与尾气接触面积及液体停留时间。同时可以将脱硫塔本体进行特殊的螺旋结构设计,让脱硫塔腔内海水及脱硫剂在废气增压风机的引导下产生高速涡流,提高气液流速及湍度。

(3)提高气液流速——选用高扬程的脱硫剂注入泵,提高雾化后的喷射流速,引入废气增压风机提高气液混合的速度。

(4)增大液体分散度——采用高效雾化喷嘴将脱硫剂分散成微小液滴,增加吸收面积及分散度,常用的有螺旋喷嘴、实心锥喷嘴、空心锥喷嘴、扇形喷嘴等。也可以引入增压风机将上述喷嘴改进为压力-气流型喷嘴,进一步提高分散度、流速及湍度。喷嘴的数量及布置根据脱硫塔的具体结构设计确定,保证尽可能大的覆盖面积且各喷嘴覆盖区域互不干涉。

2.4排气背压控制技术

为尽可能节约空间,简化工艺流程,主、辅机一般采用集中式废气处理,即主、辅机共用一个脱硫塔。由于主、辅机负荷一直处于连续的变化状态,排气背压过高造成柴油机性能恶化,排气背压过低排气门提前开启造成功率损失,此时需要采取排气背压控制技术,设计上可以采用以下方法:

2.4.1加大脱硫塔通流面积

该法适用于底部进气脱硫塔,且要求实船有足够的空间,柴油机的排气通常会经过锅炉或消音器后排放,该法的采用相对较为困难。

2.4.2引入废气增压风机(变频控制)

在空间有限的情况引入废气增压风机让脱硫塔的设计更加灵活,此时可以在脱硫前使用高温风机或在脱硫过程中使用低温风机。利用废气混合点引入的压力传感器随时对排气压力进行实时监测,从而对废气增压风机的风量进行变频控制。

2.4.3废气再循环

上述废气增压风机也可以选用定频风机配合废气再循环技术,即将清洗净化处理的干净废气部分再循环引入风机入口,作为负荷降低时废气的补充,以免排气背压过低造成功率损失,废气混合点的压力作为废气再循环量的控制参数。

2.5遥控技术

废气清洗系统是一套复杂的系统,涉及很多的泵和阀门,而这些泵和阀门的布置往往比较分散,在开式和闭式模式又需要按顺序启闭,为减少船员工作量,通常采用遥控系统。泵的控制较为简单,电控即可,阀门遥控通常有气动式、液动式、电液式,相比液动式及电液式,气动造价低,气源来源简单,可以直接利用实船现有气源,维护更方便,因此气动式性价比相对较高。

2.6变频节能控制技术

由于船舶运营工况柴油机负荷在不断变化,同时不同海域海水碱值不同,因此脱硫塔需要适应不同负荷工况及不同海域的工作需要,为此可以引入变频控制技术。变频器除对电机实现软启动的同时提供过载保护功能外,更能根据负荷调整设备的工作参数,节能减排。在废气清洗系统中如下控制可以选用变频技术:①海水变频流量调节;②NaOH变频定量供给;③废气增压风机变频控制排气背压。

2.7取样检测技术

洗涤水的PH值,PAH值,浑浊度、硝酸盐含量以及排放废气的硫碳比(SO2/CO2 比值)需要按MARPOL公约及船级社规范进行检测,检测设备一般由专业的生产厂家提供,并带有船检认可的有效证书,目前已经有众多的大型专业生产厂家可供选择,检测设备和技术已经很成熟。

取样检测设计时重点需要关注取样点的设计,保证取样能够连续进行,其设计好坏将直接影响检测结果的准确性。取样检测设计包括取样管布置的先后顺序及取样点的选择,取样检测后的排放水可能会添加一些检测试剂影响下一环节的检测结果,因此需要合理选择取样点和检测后洗涤水的排放点位置。由于排舷外管路一般采用加大管径重力排舷,无法保证管内始终充满液体,同时洗涤水中混合有大量的气体,因此取样点的选择应利于样本的连续输入和气体的顺利析出,为此取样点应选择水平管路的最低点或设置样本收集装置和自动排气装置。

2.8液舱液位测量控制技术

在脱硫工况,尤其是闭式循环脱硫,众多的系统舱柜将参与整个废气清洗过程,各系统舱柜的液位自动控制及报警需要根据不同厂家废气清洗系统设计要求进行确定,设计时需要注意传感器的耐腐蚀性。

2.9超大型设备安装技术

为增大气液接触面积和延长混合作用时间,脱硫塔往往尺寸较大,高度通常会达到10m以上,给运输及实船的布置安装带来很大困难,为此可将脱硫塔设计成分体式,尤其出口设备时优势将更加明显。实船组装时为避免下部支撑安装误差导致顶部偏移过大,需要严格限制下部支撑安装误差,为此可以借助激光经纬仪进行辅助安装,如下图所示:

2.10其他注意事项

2.10.1腐蚀余量

未特殊选材时系统用材应考虑腐蚀余量,如NaOH储存舱柜采用普通钢质结构时应考虑增加3mm以上的腐蚀余量。

2.10.2 NaOH舱柜及管路保温

NaOH溶液温度过低易结晶,温度过高腐蚀性增强,储存及输送的最佳温度为25~40℃,实船可采用蒸汽加热、电加热、热水加热、电伴热等不同形式并做好保温措施。

2.10.3管径选择及管路布置

由于洗涤水中含有脱硫剂与SOx 等有害物质反应后生成的副产物、未反应的脱硫剂和杂质,以及系统捕集的烟尘颗粒等混合物。洗涤水和取样管路的布置应适当加大管径并保证有连续向下的斜度,利于脱硫渣的排放,以免脱硫渣聚集阻塞管路,NaOH输送管路也应加大管径以免结晶堵塞。

排舷口的布置应保证其始终处于水线以下,并采取有效措施防止舷外水倒流,排舷口的设计需要远离吸入口及推进器区域。

NaOH管系易采用焊接或法兰连接代替螺纹连接,降低泄漏风险,同时还应设置排空及冲洗设施。

2.10.4泄漏处理

NaOH系统应配置独立的舱底水系统及泄漏报警系统,以便收集泄漏的碱液。

2.10.5安全性

脫硫塔还应具有有效的旁通与隔离装置、紧急停机装置,当脱硫塔故障时不应影响柴油机的正常工作,脱硫塔故障或紧急停机后旁通装置应能自动恢复到柴油机可以独立运行状态。

2.10.6操作人员个人防护

由于NaOH属于高危险的腐蚀性化学品,除进行正常的功能性设计外,还需要注意系统防护及个人防护。如按规范及公约要求配备好防护用具(防护服、防护面罩、防护手套等)、清洗用具(洗眼器、喷淋清洗器具等)、警示牌(提醒该区域储存NaOH或该管路输送NaOH,同时注明泄漏或操作失误沾染后的简单的处理方法),法兰接头易泄漏处设置防溅带等。

3结语

本文简单介绍了海船钠碱法湿式废气清洗系统设计要点及注意事项,通过以上介绍可以看出,船舶废气清洗系统属于一个复杂的新型系统,所采用的新技术、新工艺相对较多,需要设计及施工注意的事项较多。相对于船上其他系统,该系统仍处于一种逐步探索验证的阶段,给设计施工带来了一定的困难,但是随着时间的推移,经验的积累,该技术将日趋成熟完善。

参考文献:

[1]中国船级社.船舶废气清洗系统设计与安装指南[Z].北京:人民交通出版社,2015.

[2]中国船级社.船舶废气清洗系统试验及检验指南[Z].北京:人民交通出版社,2016.

[3]董凡新.船舶脱硫塔分类及船上应用分析[J].中国水运,2019(07):77-78.

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[5] 宋任健.船舶脱硫系统应用设计[J].科技新时代,2018.

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