基于CFD的船舶脫硫系統廢水導流裝置建模與仿真研究

肖飛 施麗麗 黃園園

摘? 要：船用海水脫硫技術是目前世界上技術最成熟、使用最為廣泛的SOx排放控制技術，該技術采用導流稀釋的形式處理工藝過程中產生大量酸性較強的脫硫廢水。文章采用常用的商用計算流體力學軟件，通過對經過導流裝置后排出廢水的濃度、速度及pH值進行數值計算，以驗證該裝置高效的稀釋作用。結果表明，該導流裝置具有高效的稀釋作用，排出廢水滿足法規排放要求。

關鍵詞：船用脫硫;廢水排放;法規;計算流體力學

中圖分類號：U664.9? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0011-04

Abstract： Marine seawater desulfurization technology is the most mature and widely used SOx emission control technology in the world. This technology uses diversion dilution process to treat a large number of acidic desulfurization wastewater. In this paper， the commonly used commercial computational fluid dynamics software is used to verify the efficient dilution effect of the modified device through the numerical calculation of the concentration， speed and pH value of the waste water discharged through the diversion device. The results show that the diversion device has an efficient dilution effect， and the discharge wastewater meets the discharge requirements of laws and regulations.

Keywords： mrine desulphurization; wastewater discharge; regulations; computational fluid dynamics

引言

隨著國際航運業及遠洋船舶運輸的發展，以重油為燃料的船舶發動機所產生的廢氣已成為沿海地區尤其是港口大氣的主要污染源。船舶柴油機所使用的燃料為高粘度、高含硫量、高殘碳的重油，產生的氣態污染物中，SOx （SO2、SO3，主要為SO2）占有很大比重，且與空氣中的水分反應形成酸雨、酸霧等，是造成大氣污染的主要酸性氣體之一，對地球的生態環境和人類的身體健康等造成巨大的危害。1997年9月27日，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）通過了《國際防止船舶造成大氣污染公約》，并作為MARPOL 73/78公約附則VI頒布，其中對船舶SOx排放限值和標準生效時間作了明確規定。

目前IMO推薦的解決船舶廢氣中SOx含量超標問題的方法主要有采用低硫燃油作為燃料和采用廢氣洗滌裝置（Exhaust Gas Cleaning，EGC）清洗燃燒廢氣兩種。采用廢氣洗滌裝置會產生大量酸性較強的洗滌廢水，法規MEPC.2529（68）規定，船舶所排出的洗滌廢水在離排出點4m范圍以外，洗滌水的pH值不得小于6.5。本文利用海水天然的弱堿緩沖性質，通過導流裝置對排出廢水進行擴散稀釋，促使排出廢水達標。

隨著計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）[1]的不斷發展，CFD數值模擬方法愈發廣泛地被應用到各個領域當中。本文將介紹具有高效稀釋作用的脫硫塔洗滌廢水導流裝置，采用CFD數值模擬方法分析某耙吸式挖泥船EGC系統洗滌廢水通過導流裝置后與舷外海水進行的混合稀釋過程，驗證了在船舶靜止狀態下，距離舷外洗滌廢水排口4m處海水pH值的達標情況。

1 湍流流動模型

1.1 脫硫廢水導流裝置

本文涉及研究的計算流體域如圖1（a）所示，某耙吸式挖泥船EGC系統廢水通過一根DN300的排水管道排至舷外（直徑10m，長度10m的圓柱體大空間），管道出口末端裝配有一個如圖1（b）所示的導流裝置，用于改變廢水流動特性，增強廢水與舷外海水的混合稀釋。

1.2 基本控制方程[2]

流體的傳熱和流動過程都遵守質量守恒、動量守恒和能量守恒這三個基本物理規律，在數值求解流動過程中，基于以上三個基本控制方程由統一的控制方程來計算：

通常采用有限體積法（FVM）對上述基本控制方程進行離散化處理。CFD計算軟件最通用的離散方法為有限體積法（FVM），先將計算域劃分為不重疊但有限的控制體積，再對每個控制體的控制方程進行積分計算，得出一組離散的非線性代數方程，最后聯立求解得出最終結果。

1.3 湍流流動模型[3]

目前的湍流數值模擬方法可以分為直接數值模擬方法和非直接數值模擬方法，其中主流的計算方法包含：直接數值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和雷諾時平均法（RANS）。其中，DNS方法是對納維-斯托克斯（N-S）方程進行直接求解，計算結果相對準確，計算量非常巨大，對內存空間和計算速度要求非常高，目前常用于低Re數的簡單流動計算;LES方法計算精度稍低，采用特定濾波函數將渦按尺度大小進行分離，并分別按照不同的模型進行求解，這種方法對內存和CPU速度要求仍比較高，無法直接應用工程;RANS方法的核心是不直接求解瞬時的Navier-Stokes方程，而是求解時均化的RANS方程，極大降低計算工作量，是目前使用最為廣泛的湍流數值模擬方法。

基于船舶EGC系統廢水通過導流裝置后具備強烈旋流的流場特征，綜合考慮計算量、計算時間以及計算精度，相比于標準k-ε雙方程模型，本論文采用更適合模擬彎曲流線流動的可實現k-ε雙方程湍流模型對廢水通過導流裝置后的湍流流動進行模擬。

可實現k-ε雙方程湍流模型的輸運方程如下：

其中：

Gk-平均速度梯度而產生的湍動能：? ? ? ? ? ? ? ;

Gb-浮力影響而引起的湍動能：? ? ? ? ? ? ? ? ;

YM-總耗散率受可壓縮湍流脈動膨脹的影響：YM=2？

湍流粘度由下式計算：

在可實現k-ε雙方程模型中，C？滋不是常量：

其中：? ? ? ? ? ? ?，? ? ? ? ? ? ? ，

經過優化后的模型常量為：

A0=4.04，C1？著=1.44，C2=1.9，？滓k=1.0，？滓？著=1.2。

2 網絡模型與邊界條件[4-5]

2.1 數值計算網格劃分

本文采用ICEM CFD軟件對計算流體域進行網格劃分，如圖2所示，總網格數約為113萬，同時對導流裝置進行局部加密，并劃分邊界層。

此外，如圖3所示，整體網格最差質量在0.2以上，平均網格質量為0.77，符合數值計算求解要求。

2.2 數值計算邊界條件

本文輸入的邊界條件與某耙吸式挖泥船實際工況保持一致，如表1所示。在排水管道入口及舷外大空間，按實際工況給定廢水和海水流量（流速）、溫度、pH值及其他物性參數。其中，廢水流量為320m3/h，溫度為45℃，pH值為5.5，海水水平流速為0.1m/s（模擬船舶靜止狀態下海水自然流動），溫度為20℃，pH值為8.1。

本文入口采用流量入口，出口邊界條件為壓力出口，所有壁面統一設定為固定光滑壁面，并按無滑移、無湍流運動處理。

3 模擬結果及其分析

3.1 速度分布

圖4（a）給出了舷外大空間中心截面的速度分布圖。可以看出，排水管道內廢水進入舷外后，受到舷外海水的緩沖作用，速度迅速降低至0.1m/s左右。同時，如圖4（b）所示，由于導流裝置的存在，廢水經過導流葉片后產生強烈的旋流，在舷外近排水管道區域形成海水回流，后方回流海水在排水管道出口附近對廢水進行快速地混合與稀釋，從而提高廢水pH值。

3.2 溫度分布

圖5所示為舷外大空間中心截面的溫度分布圖。從溫度分布可以看出，高溫廢水進入舷外后與舷外低溫海水進行充分的混合，廢水溫度在很短的時間和距離內便與周圍海水達到了同一水平，從另一個方面也體現了導流裝置對增強廢水與海水之間相互混合地積極作用。

3.3 pH值度分布

圖6（a）和（b）為舷外大空間中心截面的pH值分布圖以及中心線pH值變化曲線。從pH值分布云圖可以看出，廢水通過導流裝置后產生強烈的旋流，在舷外附近形成了一個低壓區，導致后方高pH值海水持續回流，對排水管道出口處的低pH值廢水進行充分地混合稀釋，使得當地廢水pH值快速上升。從中心線pH值變化曲線可以看出，舷外4m處的廢水pH值已經達到7左右，大于6.5，符合IMO對船舶EGC脫硫廢水的排放要求。

4 結論

本論文采用CFD數值仿真方法對某耙吸式挖泥船EGC系統廢水通過導流裝置后與舷外海水進行的混合稀釋過程進行了模擬，通過分析舷外廢水的流場、溫度場及pH值分布，論證了在船舶靜止狀態下，舷外4m處海水pH值的達標情況。

仿真證明，排水管道內裝配的導流裝置能夠有效地增強廢水與舷外海水的混合稀釋，某耙吸式挖泥船EGC系統所產生的廢水（流量為320m3/h，pH值為5.5）的pH值能夠在4m內迅速提升到7左右，完全滿足IMO對船舶EGC系統廢水排放指標的要求。

參考文獻：

[1]Tu Y， Yeoh G H， Liu C. Computational Fluid Dynamics. A Practical Approach [J]. Artificial Organs， 2012，33（9）：727-32.

[2]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M].清華大學出版社，2004.

[3]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT-流體工程仿真計算實例與應用[M].北京理工大學出版社，2004.

[4]Fluent Inc. Fluent User's Guide， Fluent Inc [CP/DK]， 2003.

[5]Fluent Inc. Gambit Modelin Guide， Fluent Inc [CP/DK]， 2003.