论文部分内容阅读
摘要：船舶内燃机尾气加装尾气脱硫装置后，其烟气排放指标和洗涤水排放指标都要满足规范的限值要求，并且需同时安装在线监测设备实时监控并记录数据;开式脱硫系统的洗涤废水呈强酸性，为满足脱硫洗涤水PH值的排放要求，须通过完善排放管道路径，引入稀释水，优化舷外管内部和外部结构等方案的组合，才能最终满足排放要求。
关键词：舷外管;洗涤水PH值;排放符合性
中图分类号：X736.3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2020）21-0069-02
0 引言
据统计数据表明，截止到2020年3月，全球约9万艘远洋船队中，有3015艘船装有脱硫装置，而2019年初为506艘，由此看出2019年度处于爆发式增长，这些已加装脱硫装置的船舶中，以开式或开式预留混合式系统为主，约占90%以上，这是因为目前阶级加装开式系统对于船东来说是最经济、最简单的选择方案，一方面总投资较少，施工周期短，而且可以满足IMO的排放要求;但开式系统满足洗涤水排放限值的难点在于PH值很難达标，因为脱硫后的洗涤废水处于SOX饱和状态，开式系统洗涤水PH值远低于IMO规定的6.5和VGP规定的6.0。如果不采取措施很难满足排放法规要求。本文将对目前装船最多的开式系统的洗涤水怎么满足排放法规的要求进行分析。
1 开式系统洗涤水PH值特性
1.1 开式系统洗涤水泄放管道特点
对于开式脱硫系统，洗涤水在洗涤塔内对发动机烟气进行洗涤反应后从脱硫塔底部（或侧面）排出，靠自身重力作用自流到舷外排口，一般洗涤水的排舷外口都必须在轻载水线以下若干距离外，这个距离至少要超过4m，防止船舶轻载时，由于大浪，导致舷外口裸露出水面，腐蚀船体舷外板，同时也为了保证排出的洗涤水跟海水充分混合和扩散。泄放管道的布置路径也会对排水的流速和流向产生影响，弯头越多、变径越多，阀件越多，对管道流速和背压都有很大影响，模型设计时要综合考虑，选取最佳方案。
1.2 法规对洗涤水PH排放要求
根据法规的要求，对脱硫洗涤水PH值的监测是指在船舶禁止状态下，监测距离舷外排放点4m范围的排放水的PH值，当满足如表1要求时，判定为洗涤水PH值排放合格;监测方法包括直接测量法或经船级社认可的计算流体力学（CFD仿真）或其他有科学依据的经验公式计算获得。
1.3 开式系统洗涤水PH值特性
对于开式脱硫系统，船舶内燃机尾气脱硫的主要原理为：
烟气中的SO2与海水反应生成SO32-：SO2+H2O→2H++SO32-
因此，开式脱硫系统的洗涤废水呈酸性，PH值大多小于3.2，如果不进行处理直接排入大海，实际是用酸性对海洋水进行中和反应，长此以往将破坏海洋环境、破坏海洋生物圈，从而改变海洋环境，导致大气环境改变，可能会影响人类和生物圈的生存和继续进化。
2 几种应对措施比较
为了满足排放洗涤水PH的要求，通常可采用增加排舷口数量、增加排舷管直径、增设稀释水和加碱性物质等方式来加速洗涤水跟海水的混合，提高混合效率，满足大负荷工况下的排放要求，但效率仍需继续提升，仍然需要对脱硫工艺，洗涤水排出路径和管道结构进行深入研究，寻求更优方案。
2.1 增加舷外口数量
该方法通过将大管径洗涤水分流成小管径，可以调高管道流速，加速洗涤水排出舷外后与海水的混合，具有一定的效果，但缺点是需要额外布置管道，增设止回阀、舷外阀等设备，改造复杂，增加额外成本，尤其对于运营船舶加装脱硫项目，舱底空间非常有限，布设额外的管道非常困难。对于大型船舶，由于洗涤水流量太大，单位体积排除的洗涤水量太大，减缓了排出水跟海水的扩散混合，不得不通过增加舷外口数量，化整为零，否则很难满足PH值排放要求，同时洗涤水舷外管排出角度对排出后混合效果也有较大影响。
常见的几种排舷外口如图1-图3所示。
2.2 增设稀释水
该方法是通过向洗涤水排出管道内引入稀释水来提前稀释洗涤水，当洗涤水排出舷外时已经提前经过稀释，这样洗涤水排出舷外后更容易满足PH的限值要求，但是这种方法可用的稀释水非常有限，一般选用船舶中央冷却器的冷却水，考虑到设备布置和管道位置，可能会对中央冷却器的排出水造成一定背压，可能会影响船舶冷却系统的冷却效果，所以进行生产设计时要不断优化管道布局。
2.3 增设扩散器
为了加速洗涤水排舷外后跟海水的混合，运用流体力学软件的模拟计算和积累的大量数据仿真计算表明，通过在舷外管内部增设特殊结构的扩散器，改变洗涤水排出舷外后的流向，可以大大提高洗涤水与海水的混合效率;同时由于船舶航行过程中，会不断有新鲜的海水参与跟排出洗涤水的混合，可以一直保持这种高效的混合效果。但是如果不合理的扩散器机构可能导致洗涤水排出不畅，管道背压增高，甚至会导致洗涤水倒灌，严重时可能导致洗涤水倒灌入发动机排气烟管，损坏发动机，造成重大的安全事故，所以进行扩散器结构设计时一定要反复进行流体力学模拟和仿真计算。常见的扩散器类型如图4所示。
2.4 加注碱性物质
向排放洗涤水中加注碱性物质进行中和一般用于闭式系统中，通过酸碱中和提高排放洗涤水的PH值，也能满足法规的要求，但是由于开始系统洗涤水量大，导致碱性物质消耗量大，是一种易耗品，尽管单价不高，但由于耗量大，所需的存储空间和附属保温设备都较复杂，目前实际装船应用很少。
3 结论
近年来，随着交付的船舶内燃机尾气脱硫系统实船项目越来越多，各厂家的产品设计技术、工程化技术，设计院的详细设计和生产技术都已经基本趋于成熟，同时船厂也积累了丰富的安装和施工经验，这些软件和硬件实力的提升都为脱硫系统的排放符合性提供了保障;为了取得更好的洗涤水排放路径和排出后跟海水的扩散混合效果，各设计院都会根据各船舶船体结构和内部管道特点设计合理的洗涤水排放路径，同时通过以上几种措施的组合，最终满足法规的要求，其中关键点是扩散器的结构和排出口的角度对最终效果影响较大。
参考文献：
[1]MEPC 259（68） 2015 GUIDELINES FOR EXHAUST GAS CLEANNING SYSTEMS，May 15，2015.
[2]Wash water discharge analysis forTexas city vessel， April 25， 2019.
[3]李相军.海水脱硫技术的优化研究[D].山东：山东大学，2007.
[4]周松，肖友洪，朱元清.内燃机排放与污染控制[M].北京航空航天大学出版社，2010.
关键词：舷外管;洗涤水PH值;排放符合性
中图分类号：X736.3 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2020）21-0069-02
0 引言
据统计数据表明，截止到2020年3月，全球约9万艘远洋船队中，有3015艘船装有脱硫装置，而2019年初为506艘，由此看出2019年度处于爆发式增长，这些已加装脱硫装置的船舶中，以开式或开式预留混合式系统为主，约占90%以上，这是因为目前阶级加装开式系统对于船东来说是最经济、最简单的选择方案，一方面总投资较少，施工周期短，而且可以满足IMO的排放要求;但开式系统满足洗涤水排放限值的难点在于PH值很難达标，因为脱硫后的洗涤废水处于SOX饱和状态，开式系统洗涤水PH值远低于IMO规定的6.5和VGP规定的6.0。如果不采取措施很难满足排放法规要求。本文将对目前装船最多的开式系统的洗涤水怎么满足排放法规的要求进行分析。
1 开式系统洗涤水PH值特性
1.1 开式系统洗涤水泄放管道特点
对于开式脱硫系统，洗涤水在洗涤塔内对发动机烟气进行洗涤反应后从脱硫塔底部（或侧面）排出，靠自身重力作用自流到舷外排口，一般洗涤水的排舷外口都必须在轻载水线以下若干距离外，这个距离至少要超过4m，防止船舶轻载时，由于大浪，导致舷外口裸露出水面，腐蚀船体舷外板，同时也为了保证排出的洗涤水跟海水充分混合和扩散。泄放管道的布置路径也会对排水的流速和流向产生影响，弯头越多、变径越多，阀件越多，对管道流速和背压都有很大影响，模型设计时要综合考虑，选取最佳方案。
1.2 法规对洗涤水PH排放要求
根据法规的要求，对脱硫洗涤水PH值的监测是指在船舶禁止状态下，监测距离舷外排放点4m范围的排放水的PH值，当满足如表1要求时，判定为洗涤水PH值排放合格;监测方法包括直接测量法或经船级社认可的计算流体力学（CFD仿真）或其他有科学依据的经验公式计算获得。
1.3 开式系统洗涤水PH值特性
对于开式脱硫系统，船舶内燃机尾气脱硫的主要原理为：
烟气中的SO2与海水反应生成SO32-：SO2+H2O→2H++SO32-
因此，开式脱硫系统的洗涤废水呈酸性，PH值大多小于3.2，如果不进行处理直接排入大海，实际是用酸性对海洋水进行中和反应，长此以往将破坏海洋环境、破坏海洋生物圈，从而改变海洋环境，导致大气环境改变，可能会影响人类和生物圈的生存和继续进化。
2 几种应对措施比较
为了满足排放洗涤水PH的要求，通常可采用增加排舷口数量、增加排舷管直径、增设稀释水和加碱性物质等方式来加速洗涤水跟海水的混合，提高混合效率，满足大负荷工况下的排放要求，但效率仍需继续提升，仍然需要对脱硫工艺，洗涤水排出路径和管道结构进行深入研究，寻求更优方案。
2.1 增加舷外口数量
该方法通过将大管径洗涤水分流成小管径，可以调高管道流速，加速洗涤水排出舷外后与海水的混合，具有一定的效果，但缺点是需要额外布置管道，增设止回阀、舷外阀等设备，改造复杂，增加额外成本，尤其对于运营船舶加装脱硫项目，舱底空间非常有限，布设额外的管道非常困难。对于大型船舶，由于洗涤水流量太大，单位体积排除的洗涤水量太大，减缓了排出水跟海水的扩散混合，不得不通过增加舷外口数量，化整为零，否则很难满足PH值排放要求，同时洗涤水舷外管排出角度对排出后混合效果也有较大影响。
常见的几种排舷外口如图1-图3所示。
2.2 增设稀释水
该方法是通过向洗涤水排出管道内引入稀释水来提前稀释洗涤水，当洗涤水排出舷外时已经提前经过稀释，这样洗涤水排出舷外后更容易满足PH的限值要求，但是这种方法可用的稀释水非常有限，一般选用船舶中央冷却器的冷却水，考虑到设备布置和管道位置，可能会对中央冷却器的排出水造成一定背压，可能会影响船舶冷却系统的冷却效果，所以进行生产设计时要不断优化管道布局。
2.3 增设扩散器
为了加速洗涤水排舷外后跟海水的混合，运用流体力学软件的模拟计算和积累的大量数据仿真计算表明，通过在舷外管内部增设特殊结构的扩散器，改变洗涤水排出舷外后的流向，可以大大提高洗涤水与海水的混合效率;同时由于船舶航行过程中，会不断有新鲜的海水参与跟排出洗涤水的混合，可以一直保持这种高效的混合效果。但是如果不合理的扩散器机构可能导致洗涤水排出不畅，管道背压增高，甚至会导致洗涤水倒灌，严重时可能导致洗涤水倒灌入发动机排气烟管，损坏发动机，造成重大的安全事故，所以进行扩散器结构设计时一定要反复进行流体力学模拟和仿真计算。常见的扩散器类型如图4所示。
2.4 加注碱性物质
向排放洗涤水中加注碱性物质进行中和一般用于闭式系统中，通过酸碱中和提高排放洗涤水的PH值，也能满足法规的要求，但是由于开始系统洗涤水量大，导致碱性物质消耗量大，是一种易耗品，尽管单价不高，但由于耗量大，所需的存储空间和附属保温设备都较复杂，目前实际装船应用很少。
3 结论
近年来，随着交付的船舶内燃机尾气脱硫系统实船项目越来越多，各厂家的产品设计技术、工程化技术，设计院的详细设计和生产技术都已经基本趋于成熟，同时船厂也积累了丰富的安装和施工经验，这些软件和硬件实力的提升都为脱硫系统的排放符合性提供了保障;为了取得更好的洗涤水排放路径和排出后跟海水的扩散混合效果，各设计院都会根据各船舶船体结构和内部管道特点设计合理的洗涤水排放路径，同时通过以上几种措施的组合，最终满足法规的要求，其中关键点是扩散器的结构和排出口的角度对最终效果影响较大。
参考文献：
[1]MEPC 259（68） 2015 GUIDELINES FOR EXHAUST GAS CLEANNING SYSTEMS，May 15，2015.
[2]Wash water discharge analysis forTexas city vessel， April 25， 2019.
[3]李相军.海水脱硫技术的优化研究[D].山东：山东大学，2007.
[4]周松，肖友洪，朱元清.内燃机排放与污染控制[M].北京航空航天大学出版社，2010.