肖飛 施麗麗 黃園園

摘? 要：船用海水脫硫技術(shù)是目前世界上技術(shù)最成熟、使用最為廣泛的SOx排放控制技術(shù)，該技術(shù)采用導(dǎo)流稀釋的形式處理工藝過(guò)程中產(chǎn)生大量酸性較強(qiáng)的脫硫廢水。文章采用常用的商用計(jì)算流體力學(xué)軟件，通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)導(dǎo)流裝置后排出廢水的濃度、速度及pH值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以驗(yàn)證該裝置高效的稀釋作用。結(jié)果表明，該導(dǎo)流裝置具有高效的稀釋作用，排出廢水滿足法規(guī)排放要求。

關(guān)鍵詞：船用脫硫;廢水排放;法規(guī);計(jì)算流體力學(xué)

中圖分類號(hào)：U664.9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(guó)際航運(yùn)業(yè)及遠(yuǎn)洋船舶運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，以重油為燃料的船舶發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的廢氣已成為沿海地區(qū)尤其是港口大氣的主要污染源。船舶柴油機(jī)所使用的燃料為高粘度、高含硫量、高殘?zhí)嫉闹赜?，產(chǎn)生的氣態(tài)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(yīng)形成酸雨、酸霧等，是造成大氣污染的主要酸性氣體之一，對(duì)地球的生態(tài)環(huán)境和人類的身體健康等造成巨大的危害。1997年9月27日，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）通過(guò)了《國(guó)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(duì)船舶SOx排放限值和標(biāo)準(zhǔn)生效時(shí)間作了明確規(guī)定。

目前IMO推薦的解決船舶廢氣中SOx含量超標(biāo)問(wèn)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(huì)產(chǎn)生大量酸性較強(qiáng)的洗滌廢水，法規(guī)MEPC.2529（68）規(guī)定，船舶所排出的洗滌廢水在離排出點(diǎn)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(zhì)，通過(guò)導(dǎo)流裝置對(duì)排出廢水進(jìn)行擴(kuò)散稀釋，促使排出廢水達(dá)標(biāo)。

隨著計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）[1]的不斷發(fā)展，CFD數(shù)值模擬方法愈發(fā)廣泛地被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。本文將介紹具有高效稀釋作用的脫硫塔洗滌廢水導(dǎo)流裝置，采用CFD數(shù)值模擬方法分析某耙吸式挖泥船EGC系統(tǒng)洗滌廢水通過(guò)導(dǎo)流裝置后與舷外海水進(jìn)行的混合稀釋過(guò)程，驗(yàn)證了在船舶靜止?fàn)顟B(tài)下，距離舷外洗滌廢水排口4m處海水pH值的達(dá)標(biāo)情況。

1 湍流流動(dòng)模型

1.1 脫硫廢水導(dǎo)流裝置

本文涉及研究的計(jì)算流體域如圖1（a）所示，某耙吸式挖泥船EGC系統(tǒng)廢水通過(guò)一根DN300的排水管道排至舷外（直徑10m，長(zhǎng)度10m的圓柱體大空間），管道出口末端裝配有一個(gè)如圖1（b）所示的導(dǎo)流裝置，用于改變廢水流動(dòng)特性，增強(qiáng)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(dòng)過(guò)程都遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒這三個(gè)基本物理規(guī)律，在數(shù)值求解流動(dòng)過(guò)程中，基于以上三個(gè)基本控制方程由統(tǒng)一的控制方程來(lái)計(jì)算：

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

1.3 湍流流動(dòng)模型[3]

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

基于船舶EGC系統(tǒng)廢水通過(guò)導(dǎo)流裝置后具備強(qiáng)烈旋流的流場(chǎng)特征，綜合考慮計(jì)算量、計(jì)算時(shí)間以及計(jì)算精度，相比于標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，本論文采用更適合模擬彎曲流線流動(dòng)的可實(shí)現(xiàn)k-ε雙方程湍流模型對(duì)廢水通過(guò)導(dǎo)流裝置后的湍流流動(dòng)進(jìn)行模擬。

可實(shí)現(xiàn)k-ε雙方程湍流模型的輸運(yùn)方程如下：

其中：

Gk-平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能：? ? ? ? ? ? ? ;

Gb-浮力影響而引起的湍動(dòng)能：? ? ? ? ? ? ? ? ;

YM-總耗散率受可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹的影響：YM=2？

湍流粘度由下式計(jì)算：

在可實(shí)現(xiàn)k-ε雙方程模型中，C？滋不是常量：

其中：? ? ? ? ? ? ?，? ? ? ? ? ? ? ，

經(jīng)過(guò)優(yōu)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(wǎng)絡(luò)模型與邊界條件[4-5]

2.1 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM CFD軟件對(duì)計(jì)算流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，總網(wǎng)格數(shù)約為113萬(wàn)，同時(shí)對(duì)導(dǎo)流裝置進(jìn)行局部加密，并劃分邊界層。

此外，如圖3所示，整體網(wǎng)格最差質(zhì)量在0.2以上，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.77，符合數(shù)值計(jì)算求解要求。

2.2 數(shù)值計(jì)算邊界條件

本文輸入的邊界條件與某耙吸式挖泥船實(shí)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(shí)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(shù)。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?fàn)顟B(tài)下海水自然流動(dòng)），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(tǒng)一設(shè)定為固定光滑壁面，并按無(wú)滑移、無(wú)湍流運(yùn)動(dòng)處理。

3 模擬結(jié)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?？梢钥闯?，排水管道內(nèi)廢水進(jìn)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(shí)，如圖4（b）所示，由于導(dǎo)流裝置的存在，廢水經(jīng)過(guò)導(dǎo)流葉片后產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流，在舷外近排水管道區(qū)域形成海水回流，后方回流海水在排水管道出口附近對(duì)廢水進(jìn)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(jìn)入舷外后與舷外低溫海水進(jìn)行充分的混合，廢水溫度在很短的時(shí)間和距離內(nèi)便與周圍海水達(dá)到了同一水平，從另一個(gè)方面也體現(xiàn)了導(dǎo)流裝置對(duì)增強(qiáng)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(guò)導(dǎo)流裝置后產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流，在舷外附近形成了一個(gè)低壓區(qū)，導(dǎo)致后方高pH值海水持續(xù)回流，對(duì)排水管道出口處的低pH值廢水進(jìn)行充分地混合稀釋，使得當(dāng)?shù)貜U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(jīng)達(dá)到7左右，大于6.5，符合IMO對(duì)船舶EGC脫硫廢水的排放要求。

4 結(jié)論

本論文采用CFD數(shù)值仿真方法對(duì)某耙吸式挖泥船EGC系統(tǒng)廢水通過(guò)導(dǎo)流裝置后與舷外海水進(jìn)行的混合稀釋過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)分析舷外廢水的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及pH值分布，論證了在船舶靜止?fàn)顟B(tài)下，舷外4m處海水pH值的達(dá)標(biāo)情況。

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

參考文獻(xiàn)：

[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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2004.

[3]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT-流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京理工大學(xué)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.