李国诚，郑 高

（公安海警学院机电管理系，浙江宁波 315801）

0 引言

《国际防止船舶造成污染公约》附则VI《技术规则修正案》已经正式生效，附则规定到2020全球硫化物排放上限降低到0.50%，而在排放控制区域则必须降到0.10%。所以，对船舶硫化物排放的控制十分迫切，以满足IMO的新标准。

海水脱硫法是目前控制船舶硫化物排放的主要方法之一，具有成本低、经济性好、效率高等优点，而且不产生二次污染，因而被广泛地应用于陆上电厂、化工等行业。前人对陆基脱硫塔进行了大量的研究，包括对脱硫塔的经济性、脱硫效率、性能、脱硫后对海水水质的影响以及其设计等，取得了大量成果。许乐平教授采用冷态实验对比湍球塔和喷淋塔的海水脱硫效率，重点研究海水参数和烟气对湍球塔和喷淋塔脱硫的影响[1]。文献[2]运用Aspen Plus V7.2软件模拟了海水脱硫过程，着重研究了海Fluent软件，对300MW机组湿法烟气脱硫系统喷淋塔内阻力特性进行了数值模拟，着重研究了不同塔水脱硫过程中各个参数对脱硫效率和脱硫后海水pH值的影响。李祝等人着重研究海水脱硫技术在电厂的应用实践，建议对脱硫设备的气-气换热器压差以及抗腐蚀性能、进行进一步研究[3,4]。林永明利用径、不同喷淋间隙等运行工况下喷淋塔内的阻力特性[5]。陈绍敏通过分析海水脱硫的经济性，指出海水脱硫技术具有系统运行可靠、工艺流程简单、脱硫效率高、成本低等优点[6]。粱川通过数值模拟和实测实验的对比，对Flakt-Hydro海水脱硫工艺进行研究，指出海水脱硫工艺对周边水质产生的影响小，但不会危害对海洋微生物群[7]。沿海煤电厂的实际运行实践和各种理论研究都表明：在预防二次污染、脱硫效率、经济性、可靠性等方面，海水脱硫工艺符合船舶尾气脱硫的要求，因此其在船舶上也有较好的应用前景。

船用脱硫塔的设计决定了塔内流场的分布，塔内流场的分布和喷淋方式的布置直接影响到脱硫效率。现有的脱硫塔数值模拟研究对象大多面向化工，电厂化工行业。电厂化工行业以是煤炭作为主要燃料，而海船船舶是以燃料油为主；电厂化工的产生烟气脉动率很小，几乎为零，而船用柴油机排气是不断脉动的；使用燃料的不同，烟气脉动率不同，燃烧后硫化物占废气中的比也不同。此外，陆地脱硫塔大多高达几十米，占地面积大，在船舶上安装使用脱硫塔，受船舶空间限制，船用脱硫塔必须小型化。因此，以现有陆基脱硫的各项标准应用于船用脱硫塔是不可行的，陆基脱硫的各项标准只能作为船上应用的参考。至今关于对船用脱硫塔塔内流场的研究报道不多。这表明很有必要对船用脱硫塔塔内流场分布进行理论研究，以探究脱硫塔内喷淋方式的合理布置。本文以试验船用脱硫塔为研究对象，探讨切向进气脱硫塔塔内流速的分布和湍流强度变化趋势，为船用脱硫塔的设计提供参考，为船用脱硫塔喷淋方式的布置提供理论支持，为进一步确定脱硫塔内湍流球的数量提供基础数据。

1 主要试验设备与方法

1.1 主要试验设备

1）船用脱硫塔

根据实验柴油机的额定工况下废气排放量，基于雷诺数相等原则，上海海事大学设计建造了试验用船用脱硫塔，如图1所示，其基本参数列在表1中；

2）船用柴油机，型号G128ZC，上海柴油机厂制造；

3）德图350侧量仪器，德图仪器国际贸易(上海)有限公司生产。

图1 船用脱硫塔

表1 试验船用脱硫塔主要基本参数

1.2 试验方法

1.2.1 海水脱硫工艺在船上应用的流程

主机排出的尾气，在废气锅炉中被吸收余热，温度降低，进行进一步降温和除尘后，进入船用脱硫塔脱硫，充分脱硫后，排入大气。用于脱硫的海水从脱硫塔排出后，经过充分稀释和曝气后，排入大海。工艺流程如图2所示[8]。

图2 船用脱硫塔脱硫工艺流程

1.2.2 试验装置及参数测取

试验在空塔运行（无海水喷淋，不添加湍流球）以及柴油机额定工况下进行，在脱硫塔上选取了四个测量位置，即1、2、3、4号孔，测量位置如图3所示。在1、2、3、4号孔测量沿塔半径不同深度的流速。取塔的底部为Z=0截面，1号测量孔位置为Z=0.5截面，2号测量孔为Z=0.9截面，3号测量孔为Z=1.3截面，4号测量孔为Z=1.5截面；试验船用脱硫塔塔内半径为47.5cm，在每一个测量截面取6个测量点，测量深度分别距离塔壁面2cm（贴近塔壁面）、11cm、20cm、29cm、38cm、47cm（接近塔心），编号分别为1、2、3、4、5、6，每个点测取三次取平均值为实测数据。

图3 脱硫塔试验测量位置简陋图

2 数值模拟方法与求解

2.1 船用脱硫塔模型和控制方程

2.1.1 网格划分

对试验船用脱硫塔进行简化建模，在Gambit软件中，对简化后的模型进行合理的网格划分，如图4所示。

图4 网格图

2.1.2 塔内控制方程

基于计算量、计算速度、和计算机硬件条件，脱硫塔进气方式等条件。当脱硫塔内废气已完全处于湍流，雷诺数(Re)足够大时，忽略塔壁面的边界层层流的影响，通过雷诺时均 N_S方程组、采用RNG k-e湍流模型对塔内的烟气进行计算。RNG k-e湍流模型方程如式(1)和式(2)所示。

式中：YM为在可压缩湍流中过渡扩散产生的波动；Gb为浮力产生的湍流动能；c1、c2、c3是常量；Se、Sk是用户自定义常量值；k∂、e∂是k方程和e方程的 Prantl 数；C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，δk=1.0，δg=1.3；GK为层流速度梯度产生的湍流动能，如式(3)所示。

式中：μt为湍流粘度，如式(4)所示。

2.2 塔内过程控制方程

2.2.1 边界条件

试验主要研究脱硫塔空塔运行时的湍流强度变化趋势和塔内气流分布。即在试验柴油机额定工况下，无喷淋、不加湍流球时候，以速度为边界条件。基于k-e(RNG)模型，采用以速度为原始变量，采用二阶精度，选用SIMPLE算法、在Fluent软件中对脱硫塔塔内气流场进行计算。脱硫塔进口处废气平均流速V的计算公式如下所示：

式中：Q为额定工况下柴油机废气量，m3/h；V为废气平均流速，m/h；D为脱硫塔进气口直径，m2。

2.2.2 基本假设

1）船用柴油机产生的废气，看作牛顿粘性流体，忽略船用脱硫塔内喷嘴、管路等阻件对废气流动的影响；

2）用空气代替柴油机产生的废气，对塔内气流进行模拟；

3）基于定性分析和计算机硬件限制,将收敛条件定为10-6；

4）实物图中是圆形管道进气，切向角度为83°，为了方便进行网格划分，得到更精确的网格，基于流量守恒，本文的几何模型为采用正方形管道进气。切向角度为90°。

3 模拟结果分析

3.1 塔内速度场模拟结果分析

图5 Z=0.5截面速度大小云图

图5表明，在截面烟气以较高的流速进入塔内后，废气流速迅速下降，废气贴近塔壁旋转流动。越靠近进口，越贴近塔壁，废气速度越大，而靠近塔中心处烟气速度最小。原因是废气切向进入塔内后，体积突然增大，速度能转化为压力能。

图6表明,在脱硫塔内废气入口面以下（Z=0.2与Z=0.4截面之间）形成了一个半径较小的漩涡，在脱硫塔烟气进口以上（Z=0.6与Z=0.9截面之间）形成一个半径较大的漩涡。原因是，废气进口位于Z=0.5截面，废气进入脱硫塔后同时向上下迅速扩散，向下扩散的废气因塔底限制而回流，回流遇到新的向下流动的废气，在进口截面下形成了小漩涡；回流遇到新的向上流动的废气，在塔内进口截面以上的较大空间形成了较大的漩涡。两个漩涡的形成，有利于废气在塔内充分混合，增大了烟气在塔内停留时间，可以延长气液接触时间，提高船用脱硫塔的脱硫效率。

图6 塔内气流流速沿塔高分布图

图7 Z=0.7截面流动速度向量图

图8 Z=1.5截面流动速度向量图

图6、7、8表明烟气在塔内各个截面总体的流动趋势是，废气整体以旋流的方式往上流动，越靠近壁面废气流速越大，越靠经塔中废气流速越小，废气沿着塔高的方向，切向流速不断降低，而在Z=1.5截面以后，塔内旋流明显减弱。

3.2 塔内湍流强度模拟结果分析

1）图7中的Z=0.5截面（进口截面）湍流强度云图表明，在入塔口处废气湍流强度最大。这是因为塔进气方式为切向进气，废气进入塔内，受到了靠近塔内进口一段圆弧塔壁的阻挡。废气沿着塔壁绕行一周后，湍流强度明显减少。

图9 Z=0.5截面（进口截面）湍流强度云图

图10 Z=0.7截面湍流强度云图

图11 Z=1.1截面湍流强度云图

图12 Z=1.5截面湍流强度云图

2）根据图7、8、9、10观察各个截面的湍流强度沿塔高的变化情况，可知塔内进口截面的湍流强度最大，越靠近废气进口截面湍流强度越大；塔内湍流强度沿着塔高逐渐减弱，越高位置的截面，塔内气流的湍流强度越小，在高度Z=1.5截面后，各个截面的湍流强度很小，湍流强度基本不变。表明塔内的废气在塔内高度大于1.5米处的流动比较稳定。

通过对塔内废气流速和湍流度的定性分析可知，塔内废气流动的趋势为旋转上升。在Z=1.5截面以下，气流以旋流为主、上升流为辅，水平切向流速大于垂直流速，在Z=1.5截面以上，垂直流速大于水平切向流速，以上升流为主、旋流为辅。

根据塔内流场分布和湍流强度的变化趋势，在高湍流强度区，喷淋方式可采取水平切向喷淋为主、垂直喷淋为辅的布置，根据各个截面内废气矢量流速设计喷嘴喷淋角度，使得废气与海水在水平方向上对流；在低紊流强度区，可采取垂直喷淋为主、水平切向喷淋为辅的布置，废气与海水在垂直方向上对流时，应使得喷淋半径大于或等于塔径，防止废气短流。

4 误差分析

基于德图350烟气测量仪对流速测量精准，着重对比分析几个典型截面内废气的实测流速与模拟流速，如图13、14、15所示。

图13、14、15表明，实测数据和模拟数据的差值不大，但变化趋势相同，这说明所采用的模拟方法是可取的。模拟数值偏大是由于在模拟计算的过程中，忽略了塔内附件对气流的影响，把废气当成了理想气体来处理，并认为塔是绝热的，没有能量散耗。

图13 Z=0.5截面实测流速与模拟流速对

图14 Z=0.9截面实测流速与模拟流速对

图15 Z=1.3截面实测流速与模拟流速对比

5 结论

基于对船用脱硫塔进行简化建模，在 Gambit软件中对简化后脱硫塔模型进行合适的网格划分，以速度为边界条件，基于Fluent软件，采用RNG k-e湍流模型计算塔内流速和湍流强度。通过数值模拟的定性分析与仿真、试验结果的对比，可以得出以下结论。

1）采用RNG湍流模型模拟切向进气船用脱硫塔脱数值，误差较小，具有良好的可行性，这是因为模型主要针对旋流设定，而切向进气脱硫塔内气流湍流方式以旋流为主；

2）实际脱硫塔填充有湍流球，湍流层的作用使其流场与空塔有很大的不同，湍流球在提高脱硫效率的同时也会增加柴油机背压，所以脱硫球的数量必须控制在合适的范围之内。用空塔进行数值模拟的结果，可用于指导空塔运行时喷头的布置，进而进行空塔运行时脱硫效率的计算，并将其作为无湍流球时的基础数据，与加湍流球后脱硫效率对比，即可探讨湍流球的数量与脱硫效率的关系；

3）下一步要做的工作是结合塔内气流和湍流分布的特点，在塔内加入湍流球，并综合考虑湍流球的作用，通过仿真和实验确认塔内最优的喷淋方式；

4）虽然船用脱流塔流场分布复杂，但随着传统技术的逐步改进与新方法的不断引入，对塔内流场的仿真与计算的精度会有不断的提高。

[1]马义平, 许乐平, 宿鹏浩, 王忠诚, 夏同友.湍球塔和喷淋塔的海水脱硫冷态实验对比[J].环境工程学报,2013,7(9):3537-3542.

[2]马义平, 许乐平, 宿鹏浩, 杨开亮.船舶烟气海水脱硫的模拟和设计[J].上海海事大学学报,2013,34(2): 41-45.

[3]WANG Si-fen, FENG Li-juan, ZHANG Pei, et al.Research on improvement of seawater flue gas desulfurization technology[J].Electric Power Technology and Environmental Protection,2010,26(3):2-4.

[4]LI Zhu.The issues and countermeasures of seawater flue gas desulfurization technology process[J].Guangdong Science& Technology,2010,19(6):39-40.

[5]林永明, 高翔, 施平平.大型湿法烟气脱硫喷淋塔内阻力特性数值模拟[J].中国电机工程学报,2008,28(5):28-33.

[6]陈绍敏.海水脱硫技术经济性分析[J].技术经济综述,2006,(12):3-5.

[7]梁川, 卢艳, 韩钟国.华能大连电厂3号、4号机组海水脱硫技术[J].经验与交流,2009,4(3):56-58.

[8]马义平, 许乐平.海水脱硫在船舶硫氧化物排放控制上的应用[J].船舶工程,2012,12(1):32-35.