船舶新增廢氣脫硫塔結構的優化設計

朱 曄

（南通中遠海運船務工程有限公司， 江蘇 南通 226000）

引言

自2020 年1 月1 日開始，由國際海事組織（IMO）海上環境保護委員會（MEPC）提出的IMO 全球0.5%低硫燃油標準正式實行，規定在船舶上使用的燃料含硫量不得超過0.5%m/m。此外，為了保護海洋環境，維護海洋生態系統，包括我國在內的許多的國家也開始設置限限制停靠區域。這些舉措要求船舶控制SOx排放，減少船舶的大氣排放污染。目前有以下三種方法達到IMO 全球0.5%低硫燃油標準：

1）使用低硫燃料；

2）使用液化天然氣替代傳統化石燃料；

3）使用船用廢氣脫硫系統。

目前大部分船舶通過使用低硫燃料的方法來達到標準。雖然采用低硫燃料是解決船舶硫排放的有效措施，但它的費用相對較高，船舶廢氣脫硫系統以其方便、實用、可持續的優點得到了廣泛運用。從國際海事組織海上環境保護委員會提出該項標準以來，越來越多的船舶開始使用船舶脫硫系統。據統計，到2020 年年底，全世界將有15%的船舶使用船載廢氣脫硫系統。廢氣脫硫技術在工業領域已經取得了廣泛的應用，到2017 年年底，我國已投入火電廠的廢氣脫硫機組容量已經達到9.13億kW，約占全國火電機組的83.2%.。然而在船載領域，廢氣脫硫技術的應用還處在起步階段，有著十分廣闊的前景。

1 船舶廢氣脫硫塔結構設計的研究現狀

目前整個脫硫市場80%采用濕法工藝，而脫硫吸收塔是該工藝的核心設備。船用廢氣脫硫塔和陸用脫硫塔相比，在基部荷載和外部結構設計上有較大的差異?，F有的船用廢氣脫硫塔主要有以下三種：

1）開式廢氣脫硫塔，使用海水對船舶廢氣中的硫化物進行中和反應，達到脫硫和凈化目的。適用于海水水域，成本較低，安裝簡單。但是該方式耗能較大，在脫硫過程中可能會產生有害物質，污染海域，許多國家明確限制使用。

2）閉式廢氣脫硫塔，使用混有化學物質的工作水對船舶廢氣中的硫化物進行中和反應，脫硫后的廢水裝入船載收集柜中，不直接排放入水域中。適用于淡水水域和限制區域，不會污染環境。缺點是成本較高，廢水處理頻繁，有時會影響到工作效率。

3）混合式廢氣脫硫塔，結合以上兩種廢氣脫硫裝置，在不同的海域可以根據相關政策和成本預算靈活切換。但是該系統比較復雜，成本也最高。

據挪威船級社和德國勞氏船級社（DNV&GL）統計，到2019 年年底，開式脫硫塔占現有船舶廢氣脫硫裝置的80%，混合式脫硫塔約占18%。但不管是何種廢氣脫硫裝置，與陸地脫硫塔相比，船載脫硫塔的結構穩定性目前還有待研究。特別是當有時船上的激勵頻率和船載廢氣脫硫塔的固有頻率一致時，脫硫塔的結構震動可能會導致裝置結構變形甚至斷裂。鑒于以上一些問題，作者通過有限元模型對船載脫硫塔的荷載狀況、振動特性和屈服強度進行評估，提出船舶新增廢氣脫硫塔結構的設計優化。

2 船舶廢氣脫硫塔的有限元模型

2.1 有限元模型的建立

以船載脫硫塔塔底為原點搭建有限元模型，在模型中使用毫米（mm）作為長度單位，使用噸（t）作為質量單位。在模型中，由于噴淋管位于脫硫塔外側且沒有支撐作用，不對其進行結構模擬，將其質量通過修改裝置密度的方法賦予塔壁。在塔壁內部有一圈扁鋼對裝置除霧器進行支撐，在模型中以質量力的方式將其分布在扁鋼上。塔壁、煙道、支座和脫硫塔地板的受力復雜，同時受到剪力、軸力和彎矩的作用，采用殼（Shell）單元進行模擬。加勁肋，支撐梁和噴淋層管道由于受力的復雜性，采用梁（Beam）單元進行模擬。搭建后的結構模型如圖1 所示。

圖1 船載脫硫塔有限元模型

2.2 模型結構的分析

在模型中，考慮到實際應用中防腐蝕的要求，脫硫塔材料使用SM0254 超級奧氏體不銹鋼，該不銹鋼參數如表1 所示。在模型中，將塔壁厚度設為4 mm，從表中可以看出所選材料的屈服強度為310 MPa，采用1.5 作為應力安全系數，所以許用應力為206.7 MPa。

表1 材料參數

在脫硫塔模型底座施加剛性固定約束力（DISP_low）， 在塔壁吊架端部施加約束力（DISP_up）。模型中的載荷包括自重（g），船舶的運行加速度（0.5 g），處理后液體產生的壓力，工作狀態下高溫產生壓力和內外壁之間的氣壓差。為了模擬在不同工作狀態下脫硫塔模型的受力，作者設計了以下幾種工作狀態：

1）工作狀態1，模型受自重、液壓和x向加速度的影響；

2）工作狀態2，模型受自重、液壓和y向加速度的影響；

3）工作狀態3，模型受自重、液壓、溫度壓力、內壓和z向加速度的影響；

4）工作狀態4，模型受自重、液壓、溫度壓力、內壓和y向加速度的影響。

通過模擬計算，在各種工作狀態下最大應力如表2 所示。

從表2 可以看出，在以上四種不同工作狀態下，脫硫塔的最大應力都小于裝置的許用應力（206.7 MPa）。工作狀態1、2 的最大應力都出現在支座底部，塔壁受到的壓力較小。工作狀態3、4 的最大應力轉移是因為在工作狀態下，塔壁受到高溫影響，產生形變。但是在塔基座處形變會受到影響而產生較大應力。

對于脫硫塔在工作時產生的屈服問題，因為一般塔壁較薄，所以在模擬時表現為向底座施加約束力（DISP_low）。對上訴四種工作狀態進行模擬計算，所得屈服應力如表3 所示。

表2 模型不同工作狀態最大應力

表3 不同工作狀態下屈服應力一階特征值

由上表可得，模擬設備的一階特征值都大于3，該脫硫塔不會發生失穩現象。

2.3 模型振動分析

為了模擬脫硫塔在工作時的積水狀態，把工作液以作用力的方式作用在模型底部。系統的激勵頻率如表4 所示（為了消除誤差，頻率儲備取值為±0.15）。

表4 主機最大功率時激勵頻率

應用有限元軟件對模型進行動態分析，得到該模型的一階固有頻率為20.224 Hz，并且頻率儲備小于0.15，原有的脫硫塔模型結構需要加強。

3 基于有限元模型的船舶廢氣脫硫塔結構的優化設計

根據上文可以得到，在脫硫塔進行工作有溫度載荷時，脫硫塔的底座外部會產生很大的應力，所以在實際的脫硫工作中在塔底可以采用物理降溫的方式，防止由于溫度過高產生形變，損壞裝置。

針對共振產生的結構問題，可以通過增加壁厚來改變脫硫塔的固有頻率。但是該方法可會增加裝置的底部和側面應力而造成裝置損壞。此外，成本也很高，所以可以在塔外壁增加加強筋來解決這個問題。

4 結論

船載廢氣脫硫塔與陸用相比，不僅要考慮自重，液壓，高溫引起的載荷和塔壁內外的壓強差，還需要考慮船舶在運行時產生的加速度對裝置的影響。本文對現有的船舶廢氣脫硫塔進行有限元分析（結構強度和振動的討論），根據分析結果提出了相關裝置的優化，包括加強脫硫塔塔底的強度，克服工作應力，對其采用物理降溫緩解裝置形變，在塔外壁加設加強筋防止共振。這些優化經濟有效，適用于各種方式的船舶廢氣脫硫塔。