某VLCC 废气清洗系统加装应用研究

唐传安 杨述闯 王家支 李 斌 万东伟

（大连船舶重工集团设计研究院有限公司 大连116021）

引 言

随着航运业的发展，船舶尾气造成的环境污染引起了国际社会的广泛关注。2008年，IMO 第58 界海洋环境委员会（MEPC）批准了MARPOL 73/78 ANNEX VI 的修正案，该修正案规定2020年1月1 日后，全球船舶燃油含硫量应低于0.5%，但是在排放控制区，2015年1月1 日后，含硫量应低于0.1%，或采取等效替代措施。［1］

为现有船舶加装废气清洗系统（Exhaust gas cleaning system， 以下简称EGCS）以减少船舶尾气硫化物的排放，被证明是一种满足限硫规定的有效的替代方法，具有成本低、操作性强等优势，而日益被船东所接受［2］。本文以某VLCC 船为例，开展了废气清洗系统的加装应用研究。目标船入CCS船级社，挂香港旗，主要设备包括1 台推进用二冲程低速柴油机、3 台柴油发电机组以及2 台燃油辅锅炉等。

1 EGCS 选型分析

EGCS 主要有开式、闭式和混合式三种型式，其主要原理为利用洗涤水的碱性来中和烟气中的硫化物溶于水后形成的酸性物质，来达到减少硫化物排放的目的［3］。天然海水的PH 值为7.5～8.5，呈碱性，而VLCC 具有航行时间长、沿海航线和靠港时间短的特点，可充分利用广阔的海水资源进行硫化物的去除，故VLCC 加装开式EGCS 是一种较经济的选择。

根据部分区域的法规要求以及海岸线附近的海水碱度不足，选择开式EGCS 意味着该VLCC 只能使用低硫油来进行装卸货作业。因此，主要在装卸货期间使用、用于驱动货油泵透平的辅锅炉烟气没有必要进入废气清洗装置，这样也可以节省部分锅炉改造费用。故在选型和管路系统设计时，EGCS 仅用于主机和发电机的烟气处理。

表1 给出了加装EGCS 前后的电力负荷分析。改造前，本VLCC 配置3 台1050 kW 发电机，根据电力负荷计算，正常航海时运行1 台发电机，负荷约为83%；加装功率需求为329 kW 的EGCS 后，航海时需要运行2 台发电机，每台负荷为57.5%。这将导致日常航行时，该船发电机将长时间在低负荷下运行，不利于发电机的使用寿命和维护保养。所以本船增加了1 台450 kW 小发电机专门给EGCS 供电。正常航海时运行1 台主发电机和1 台EGCS 专用发电机或运行2 台主发电机组，确保电力系统的可靠性；而在卸货或靠港情况下，由于海水碱度通常无法满足开式EGCS 系统的烟气处理要求，故不考虑开式EGCS 系统的使用，所有燃油燃烧设备需使用低硫油，EGCS 专用发电机不运行。

表1 加装EGCS前后电力负荷分析

加装EGCS 专用发电机后进行综合分析，可知运行1 台主机和2 台主发电机为该船烟气量最大的状态，结合电力负荷分析结果并考虑一定的设计余量，该VLCC 的EGCS 选型为满足一台主机（85%负荷）和两台主发电机（85%负荷）同时工作的烟气处理量。而管路连接上，主机、3 台发电机和1 台EGCS 专用发电机的排烟管均可进入EGCS.

2 关键系统设计

对开式EGCS 来说，洗涤海水系统和排烟系统是两个最重要的系统。通常EGCS 的海水需求量比较大，对原船海水系统将产生较大影响。为此，在原主海水管路上，设置3 台同样规格的EGCS 海水泵（根据船级社要求［4］，其中1 台设为备用），按实际管路布置，利用流体计算软件建立模型，如下页图1 所示。据此得出机舱内各海水泵流量如表2所示。

表2 加装EGCS后各机舱泵流量分配m3/h

图1 海水系统计算模型

从表2 可知，经计算确认，各机舱泵（包括EGCS 海水泵）的实际流量均满足设计要求；且经过计算得知，海水总管在开单侧海底门的情况下流速为2.51 m/s，满足船级社规范规定。故该VLCC的海水系统仅需在海水总管上增加EGCS 海水泵的支路即可，海底阀箱和海水总管口径无需更改。

对排烟系统，由于增加洗涤塔和排烟支路，导致原主机和发电机的实际背压均超过设备允许值，为此采取以下举措：

（1）调整主机增压器内部喷嘴环，使其最大允许背压由2.94 kPa 变为5.88 kPa；

（2）原主发电机排烟管口径由DN400 变为DN450，使最终排烟背压不超过厂家允许值5.39 kPa；

（3）EGCS 发电机排烟管按排烟背压计算结果，实际选取口径为DN400。

对新增的EGCS 用发电机，其燃油、滑油、起动空气、冷却水系统均进行校核并根据核算结果进行相应的改造。

在系统材料选用方面，洗涤塔的供给管路按照原船海水管路，选用内涂聚乙烯的碳钢管；洗塔海水泄放管路，由于含有腐蚀性物质，采用玻璃钢管，且泄放水排舷口附近进行特殊的涂装防护，防止外板及舷侧管的腐蚀；洗涤塔的排烟出口管路，由于含有较多的水汽，故采用双相不锈钢管以避免腐蚀。

3 总体布置研究

图2 EGCS洗涤塔布置

根据管路布置原理和设备外形，为最大程度减少现场修改量，采取在原烟囱尾部区域增加一个洗涤塔间的方法来安装EGCS 洗涤塔，如图2 所示。原烟囱内的排烟管直接增加旁通管路，汇入洗涤塔总管，最终进入洗涤塔。同时，新增的洗涤塔间尺寸需要特别关注，需防止舾装数的增加和盲区的加大。

根据新增部分的船体和舾装件重量进行计算后发现，在满载工况下，机舱区船体结构的最大剪力弯矩和最大应力超过了限定值。考虑到该VLCC的各种使用工况和综合评估各方案的修改量，采取减少淡水舱容积的方案使船体结构满足许用要求。同时，目标船载重量、载重线标记以及装载手册等对应进行了更新。

为减少船体结构和洗涤塔的相互影响，避免产生振动或强度问题，洗涤塔采用弹性连接安装，支腿底座和侧向支撑采用弹性垫，所有管路接口采用弹性膨胀节。

安全方面，原船采用高泡系统保护机舱区域，由于新增的洗涤塔属于低失火风险设备，因此该房间无需增加额外的泡沫发生器，但需增加手提灭火器和消防栓。同时洗涤塔间与原烟囱区域间需设置通道，用于洗涤塔间的逃生。

4 试验方法

为验证废气清洗系统的性能，按照船级社规范和MEPC 259（68）的要求［5］方案B 进行验证。在试航期间，使用高硫含量重燃油，按废气清洗装置烟气处理量的25%、50%、75%和100%各运行1 h 的方法进行试验，利用烟气分析仪连续监测烟气硫化物含量，并对排放洗涤水进行取样测试和模拟计算。完成试验后，配合船级社完成《SOx排放符合证书》和《国际防止空气污染证书》的签发和更新工作。

5 结 语

试航结果表明，在海水碱度为2200 μmol/L时，利用废气清洗系统对燃用硫含量为3.5% m/m的燃油所产生废气进行处理，可实现等效硫含量为0.5% m/m 燃油的排放目标，且洗涤泄放水指标也满足船级社要求。