重庆长江轮船有限公司船舶设计研究院
一、引言
远洋船舶须满足国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）制定的MARPOL公约附则VI对船舶NOx 和SOx 的排放要求，以有效约束船舶尾气排放对大气造成的污染（见表1和表2）。该公约规定的船舶NO x 和SO x 第3阶段控制标准（TierⅢ）已正式施行，在排放控制区域内航行的船舶面临严格的排放限制要求。
表 1 MARPOL73/78 公约附则 VI 中关于船舶燃油含硫量的控制标准
我国针对沿海船舶和内河船舶排放控制的法规也日趋严格，其中 2016 年正式生效的珠三角、长三角和环渤海水域船舶排放控制区实施方案（中国版排放控制区）针对船舶 NOx 和 SOx 等污染物排放制订了分阶段的控制目标，以改善这些区域的空气质量；同时，我国首部专门针对船舶大气污染物排放控制的强制性标准《船舶压燃式发动机排气污染物排放限制及测量方法（中国第一、二阶段）》对船舶 NOx 和 SOx 等多种污染物排放做出了明确限制，对在我国排放控制区内航行的船舶提出了更高的要求。
无限航区的远洋船舶，尤其是在 SOx 排放控制区（SECA）和 NOx 排放控制区（ECA）航行的船舶，将来面对的局面是必须对尾气排放进行控制，以满足越来越严格的污染物排放限制要求。
目前，降低船舶硫氧化物的排放量主要方式有两种，一为使用低硫燃油，二为使用尾气后处理技术。但低硫燃油的价格远高于传统重油，使用成本极高；同样，氮氧化物的排放利用机内控制技术也无法满足Tier III法规要求，因此，加装尾气后处理复合装置经济是比较友好的解决方案，适用于日益严苛的排放法规，为船东在经济效益和环保投入之间寻得最优平衡点。
二、尾气后处理复合装置的基本原理
尾气后处理复合装置主要由高压SCR脱硝功能模块、颗粒物脱除功能模块、洗涤脱硫功能模块以及废液处理模块四部分组成。低速机尾气在排气系统中依次流经高压SCR脱硝功能模块、涡轮增压器、余热锅炉和消音器，并最终流经颗粒物脱除功能模块、尾气洗涤脱硫功能模块排入大气。
高压SCR功能模块采用尿素溶液作为还原剂，采用加压空气作为辅助气体。SCR反应器所需的尿素溶液来自于尿素溶液储存箱，恒温尿素溶液经计量单元，由空气辅助喷射喷嘴进入排气管中，尿素受高温分解得到NH3，NH3与发动机尾气经静态混合器，均匀分布于催化剂上游迎风截面，进入SCR反应器中。SCR反应器所需的压缩空气，分为两路，第一路压缩空气，经尿素喷射系统进入排气管中，用于辅助雾化；第二路压缩空气，经吹灰系统进入反应器中，用于清洁催化剂。当船舶动力装置工况改变，或SCR脱硝功能模块运行状态变化时，尿素喷射系统中多余的工质重新返回尿素储存箱中。
颗粒物脱除功能模块和洗涤脱硫功能模块均采用碱液工质作为吸收剂。颗粒物脱除器与脱硫吸收塔集成在一起，尾气先通过颗粒物脱除器，而后进入脱硫吸收塔。颗粒物脱除器和脱硫吸收塔运行所需的洗涤液均来自于洗涤液循环箱，循环洗涤液经补充新鲜碱液和载体以后，经循环液泵加压后，分为四路，第一路洗涤液，直接进入颗粒物脱除器，进行喷淋，脱除废气中的颗粒物，降低尾气温度；第二路洗涤液，直接进入吸收塔水洗层，进行喷淋，进一步降低废气温度和初步洗涤尾气中的SOx，并捕集颗粒物；第三路洗涤液，经海水冷却器冷却，降低温度后，进入吸收塔填料洗涤层，进行喷淋，彻底清除废气中的SOx和剩余颗粒；第四路洗涤液，也即洗涤废液，当洗涤液不再具备吸收能力或盐度过高时，从洗涤液循环箱排出部分洗涤液，流入洗涤废液存储箱，再进入废液处理系统，经调质和曝气处理后，经气浮、分离，产生的污泥排入船舶污泥储存箱，而剩余废液经检测，若合格，根据情况，排出船舶或进入废液储存箱，不合格，则排入洗涤废液存储箱。NaOH储存柜补充的NaOH经泵加压后，分为二路，一路用于补充循环洗涤液，提高其吸收SOx的能力，另一路用于废液处理模块（图中未画），而新鲜海水的作用，一是补充洗涤系统由于废液排出损失的水分，二是冲洗废液处理系统。
图一：尾气后处理复合装置系统图
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三、加装尾气后处理复合装置对原船的改造
加装尾气处理复合装置除了涉及到尾气处理系统的工程外，还有一大部分工程是关于原船改造的，主要体现在如下几个方面：
3.1对原船结构的改造
3.1.1烟囱结构
因为安装尾气后处理复合装置，需要在原烟囱的周围增加新的结构来布置新加的设备或者对烟囱的结构作出加大的修改，甚至有可能切掉原来的烟囱，更换一个更大的烟囱。对于前者，可以尽量不改动原烟囱内的管路，但需要等船舶进厂后对原烟囱进行切割并与新烟囱进行拼接，结构施工稍微复杂。
对于后者，可以提前预制整个新的烟囱，减少改装工期，但需要更多原烟囱内的管路；无论哪种修改方案，建议的原则是修改后的烟囱结构尽量小而紧凑，一方面可以减少改装后的增加重量，避免对原船的重量重心、载重量等造成较大影响，进而需要修改更多图纸以及增加倾斜试验等工程；另一方面是避免影响原船的操纵性，避免影响驾驶室的视野等。
烟囱结构的修改涉及到船体《烟囱结构图》的修改，以及《洗涤塔底座加强》图纸的增加，甚至会要求提供烟囱结构强度的计算报告。
3.1.2海底阀箱
无论是开式系统还是闭式系统，都需要大量使用海水（闭式系统海水用来冷却洗涤水），因此原船的海底阀箱需要进行扩容。方案有两种：一是为脱硫系统新增加一个海底阀箱；二是对原船海底阀箱进行改造。前者由于结构修改量比较大，因此目前使用较多的方案时对原船海底阀箱进行改造。改造后的海底阀箱由于海水流量增加，一般需要做如下修改：
1）增加海水吸口或加大原海水吸口，以避免吸口管内的海水流速过高；
2）增加海底格栅的净流通面积。一般要求海底格栅的净流通面积是吸口管总截面积的两倍以上，对于冰区船舶要参考各船级社的要求；
3）增大防海生物系统容量；
4）修改吹除管路的设计，保证海底格栅清洁功能；
5）如加大了海底阀箱的容积，还需要考虑增加牺牲阳极（锌快）的数量，保证对船体结构的保护；
6）扩容后的海底阀箱还需要考虑在合适的位置增加透气孔和泥沙孔。对于新增加的海底阀箱，则考虑增加新的透气管及阀门，以及相应的吹除管路和防海生物系统。
以上修改需要在《海底阀箱布置图》中进行体现，并送审船级社。
3.1.3其他结构的修改
不同项目由于修改方案的布置，可能还会对其他区域的结构进行修改。如，一些烟囱和生活区布置在一起的单岛集装箱船，由于烟囱周围空间有限，布置脱硫塔不仅需要对烟囱进行改造，又可能对临近的生活区，甚至是载运集装箱的货舱区域进行改造；又或是一些船舶由于机舱空间有限，需要新增加结构或改变原结构来布置海水泵；这些修改都需要单独出图，并根据船级社的要求进行送审。
3.2、原船管路系统的改造
3.2.1 排烟系统
排烟修改的修改是所有改造都会涉及到的。根据船舶的不同，排烟系统的修改也不相同。如有的项目仅主机排烟管增加一个脱硫塔，其排烟系统的修改就是将原来的消音器替换为脱硫塔；而有的项目选择4台柴油机中两台共用一个脱硫塔，排烟系统的就需要将两台柴油机的排烟连接到洗涤塔，并在各自的进塔管路中增加直通隔离阀；而有的船舶选择将所有的燃烧装置的排烟管路连接到一个U型脱硫塔中，这样各燃烧装置进塔的排烟管路上需要设置三通隔离阀，隔离阀的一个出口连接洗涤塔的烟气总管上，一路连接到旁通管路上。
需要注意的是，从脱硫塔出来的烟气中含有酸性水雾，为防止排烟管路腐蚀，洗涤塔出口的排烟管路一般选择耐腐蚀的材料，由于的厂家推荐使用和塔体一样的SMO254或等同材料或使用SUS316L材料。
以上修改需要在修改后的《排烟管路系统图》中进行体现，并送审船级社。另由于增加的洗涤塔增加了排烟背压，因此各船级社还要求提供《排烟背压计算报告》。
3.2.2 压缩空气系统
由于系统中需要大量的压缩空气，如尿素喷射系统、吹灰空气、曝气空气、气动阀门等，因此原船的压缩空气系统也需要进行相应的修改。在新增气量较大，压力较高，而原船空气系统气量不足的情况下，需考虑增加新的空压机、干燥器、空气瓶和减压阀等设备。
另，当新增加了海底阀箱时，需要考虑为新的海底阀箱配置空气吹除管路和阀门（或者使用蒸汽）。
3.2.3 机舱供水系统
部分洗涤塔设置应急冷却管路，即洗涤水泵突然停止向洗涤塔供水的情况，通过应急冷却管路向洗涤塔烟气进口部分提供淡水，对烟气进行降温，避免损坏塔内部件；而有的洗涤塔设置淡水供应对他进行清洗；因此无论上述那种设计，都需要对机舱供水系统进行修改。考虑到淡水消耗量，建议上述管路系统直接从淡水舱进行取水，避免淡水消耗量过大，对淡水压力柜-淡水泵这套系统造成冲击。
3.2.4 海水系统
关于海水系统的修改，主要体现在一些利用原船海水泵作为稀释水泵的脱硫系统上。开始脱硫系统泵入洗涤塔的海水除了一部分用来吸收硫化物外，另一部分是用来降低排舷外洗涤水的PH值等，因此一部分脱硫系统的设计中通过减少进入洗涤塔的海水，增加稀释水的方法来降低整个系
统的能耗，还可以通过使用原船的海水泵作为稀释水泵而进一步降低成本。这种情况下的海水系统的修改主要体现在选择合适的海水泵并与新新增加的洗涤水系统相融合上，这种修改需要注意的是这种新增加功能不能影响海水泵原来的功能。
3.2.5 CO2系统
对于烟囱结构容积有变动的项目，还需要核算对机舱CO2系统的影响，以确定是否需要增加CO2瓶的数量。
由于烟囱容积的增加，机舱区域CO2瓶的数量需要，因此需要对CO2系统进行改造，可联系原船系统供应商来完成这些比较专业的修改。
3.2.6 其他管路系统的修改
除了上述比较大的几个系统的修改外，由于烟囱结构的修改还可能需要在烟囱内增加新的消防栓，在烟囱各平台及洗涤塔周围挡水圈内增加新的平台泄水管，上述这些内容可能海水涉及到原船消防系统、平台泄水系统等系统的修改。
由于增加的一些舱柜，因此需要增加新的透气、测深管，以及液位遥测等设备；而根据《船舶废气清洗系统设计与安装指南》的要求；如从储存柜引出的管路一旦破坏，会导致碱液逸出，则应在储柜上设有一个快速关闭阀，该阀除能就地关闭外，还应能在储存柜所在处所外易于接近的安全位置进行操作。上述这些内容又可能涉及到原船的空气测深系统、液位遥测系统及速关阀系统等系统的修改。
3.3 原船电力系统的改造
尾气复合装置系统对电力系统的影响不仅表现在增加了新的《装置电气系统图》外，还导致了原船电力系统的修改，并主要分为两部分，其中一部分是和尾气复合装置系统直接相关的系统，如原船配电系统、GPS系统和检测报警系统；另一部分是由于加装尾气复合装置系统而导致间接的修改，如照明系统、火警探测系统等。
系统的电力设备一般需要船上提供440V动力电和220V控制电，有的系统还需要提供24V电源，不仅需要铺设新的电缆，还需要对原船的配电板进行修改，这些对原船配电系统的修改可能还需要联系原船设备供应商来执行。尾所复合装置的增加对原船电力系统的影响较大，因此对原船的电力负荷进行核算并送审；另有的船级社还要求提供短路电流计算。
根据 MEPC.259（68）7.2 的要求，脱硫系统洗涤水的检测数据要求和船上的GPS系统提供信号一起储存，以便备查是否履行了排放要求，因此就设计到原船GPS系统的修改；另根据船级社的要求，为保证系统和船上人员的安全，脱硫系统还设置了一些报警点，并要求通过船上的监测报警系统进行监控，因此加装脱硫系统后还需要对原船监测报警系统进行修改。
加装脱硫塔导致烟囱结构的增加，相应的需要增加照明设施已经火警探测装置，也间接的导致了原船照明系统、火警探测系统等系统的修改。
3.4其他修改
因加装尾气复合装置导致的烟囱结构修改，还可能对如下内容造成修改：
3.4.1 舾装数和烟囱标志
加装脱硫系统后，如果烟囱结构发生加大修改，导致修改后的烟囱或新增加的结构宽度超过船宽的1/4，则需要重新核算舾装数。如舾装数发生跳档，则会影响船舶锚、锚链和船索等的修改，这样导致加装脱硫系统的成本大大增加，因此在改装过程一定要尽量控制烟囱修改后的尺寸，避免引起原船舾装数的改变。
在烟囱两侧，一般都布置有船舶业主的logo的标志，修改烟囱造成烟囱标志后需要在新结构对上述标志进行复原。
3.4.2防火控制图
原船消防系统、火警探测系统等修改增加的消防栓、探头，以及烟囱内增加的消防杂件，以及闭式脱硫系统增加的洗眼器等需要根据要求在防火控制图上进行体现，因此原船的消防控制需要根据上述内容对图纸新型修改和更新。
3.4.3重量重心的核算
新增加的设备和结构导致原船重量和重心发生较大的改变。而一些船级社明确要求当上述参数的改变超过1%时，就需要重新做倾斜试验和稳性计算，以及重新准备装载手册等图纸和文件。这也是前文中所述要求控制新增加结构的尺寸，尽量减小增加结构的原因。
参考文献：
【1】MARPOL防污染公约
【2】MEPC.259（68）
【3】CCS：《船舶废气清洗系统设计与安装指南》
【4】CCS：《选择性催化还原（SCR）系统认可及检验指南》