基于CFD的船舶脱硫系统废水导流装置建模与仿真研究

肖飞 施丽丽 黄园园

摘  要：船用海水脱硫技术是目前世界上技术最成熟、使用最为广泛的SOx排放控制技术，该技术采用导流稀释的形式处理工艺过程中产生大量酸性较强的脱硫废水。文章采用常用的商用计算流体力学软件，通过对经过导流装置后排出废水的浓度、速度及pH值进行数值计算，以验证该装置高效的稀释作用。结果表明，该导流装置具有高效的稀释作用，排出废水满足法规排放要求。

关键词：船用脱硫;废水排放;法规;计算流体力学

中图分类号：U664.9         文献标志码：A         文章编号：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

随着国际航运业及远洋船舶运输的发展，以重油为燃料的船舶发动机所产生的废气已成为沿海地区尤其是港口大气的主要污染源。船舶柴油机所使用的燃料为高粘度、高含硫量、高残碳的重油，产生的气态污染物中，SOx （SO2、SO3，主要为SO2）占有很大比重，且与空气中的水分反应形成酸雨、酸雾等，是造成大气污染的主要酸性气体之一，对地球的生态环境和人类的身体健康等造成巨大的危害。1997年9月27日，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）通过了《国际防止船舶造成大气污染公约》，并作为MARPOL 73/78公约附则VI颁布，其中对船舶SOx排放限值和标准生效时间作了明确规定。

目前IMO推荐的解决船舶废气中SOx含量超标问题的方法主要有采用低硫燃油作为燃料和采用废气洗涤装置（Exhaust Gas Cleaning，EGC）清洗燃燒废气两种。采用废气洗涤装置会产生大量酸性较强的洗涤废水，法规MEPC.2529（68）规定，船舶所排出的洗涤废水在离排出点4m范围以外，洗涤水的pH值不得小于6.5。本文利用海水天然的弱碱缓冲性质，通过导流装置对排出废水进行扩散稀释，促使排出废水达标。

随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）[1]的不断发展，CFD数值模拟方法愈发广泛地被应用到各个领域当中。本文将介绍具有高效稀释作用的脱硫塔洗涤废水导流装置，采用CFD数值模拟方法分析某耙吸式挖泥船EGC系统洗涤废水通过导流装置后与舷外海水进行的混合稀释过程，验证了在船舶静止状态下，距离舷外洗涤废水排口4m处海水pH值的达标情况。

1 湍流流动模型

1.1 脱硫废水导流装置

本文涉及研究的计算流体域如图1（a）所示，某耙吸式挖泥船EGC系统废水通过一根DN300的排水管道排至舷外（直径10m，长度10m的圆柱体大空间），管道出口末端装配有一个如图1（b）所示的导流装置，用于改变废水流动特性，增强废水与舷外海水的混合稀释。

1.2 基本控制方程[2]

流体的传热和流动过程都遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒这三个基本物理规律，在数值求解流动过程中，基于以上三个基本控制方程由统一的控制方程来计算：

通常采用有限体积法（FVM）对上述基本控制方程进行离散化处理。CFD计算软件最通用的离散方法为有限体积法（FVM），先将计算域划分为不重叠但有限的控制体积，再对每个控制体的控制方程进行积分计算，得出一组离散的非线性代数方程，最后联立求解得出最终结果。

1.3 湍流流动模型[3]

目前的湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法，其中主流的计算方法包含：直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺时平均法（RANS）。其中，DNS方法是对纳维-斯托克斯（N-S）方程进行直接求解，计算结果相对准确，计算量非常巨大，对内存空间和计算速度要求非常高，目前常用于低Re数的简单流动计算;LES方法计算精度稍低，采用特定滤波函数将涡按尺度大小进行分离，并分别按照不同的模型进行求解，这种方法对内存和CPU速度要求仍比较高，无法直接应用工程;RANS方法的核心是不直接求解瞬时的Navier-Stokes方程，而是求解时均化的RANS方程，极大降低计算工作量，是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。

基于船舶EGC系統废水通过导流装置后具备强烈旋流的流场特征，综合考虑计算量、计算时间以及计算精度，相比于标准k-ε双方程模型，本论文采用更适合模拟弯曲流线流动的可实现k-ε双方程湍流模型对废水通过导流装置后的湍流流动进行模拟。

可实现k-ε双方程湍流模型的输运方程如下：

其中：

Gk-平均速度梯度而产生的湍动能：              ;

Gb-浮力影响而引起的湍动能：                ;

YM-总耗散率受可压缩湍流脉动膨胀的影响：YM=2？

湍流粘度由下式计算：

在可实现k-ε双方程模型中，C？滋不是常量：

其中：             ，              ，

经过优化后的模型常量为：

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

2 网络模型与边界条件[4-5]

2.1 数值计算网格划分

本文采用ICEM CFD软件对计算流体域进行网格划分，如图2所示，总网格数约为113万，同时对导流装置进行局部加密，并划分边界层。

此外，如图3所示，整体网格最差质量在0.2以上，平均网格质量为0.77，符合数值计算求解要求。

2.2 数值计算边界条件

本文输入的边界条件与某耙吸式挖泥船实际工况保持一致，如表1所示。在排水管道入口及舷外大空间，按实际工况给定废水和海水流量（流速）、温度、pH值及其他物性参数。其中，废水流量为320m3/h，温度为45℃，pH值为5.5，海水水平流速为0.1m/s（模拟船舶静止状态下海水自然流动），温度为20℃，pH值为8.1。

本文入口采用流量入口，出口边界条件为压力出口，所有壁面统一设定为固定光滑壁面，并按无滑移、无湍流运动处理。

3 模拟结果及其分析

3.1 速度分布

图4（a）给出了舷外大空间中心截面的速度分布图。可以看出，排水管道内废水进入舷外后，受到舷外海水的缓冲作用，速度迅速降低至0.1m/s左右。同时，如图4（b）所示，由于导流装置的存在，废水经过导流叶片后产生强烈的旋流，在舷外近排水管道区域形成海水回流，后方回流海水在排水管道出口附近对废水进行快速地混合与稀释，从而提高废水pH值。

3.2 温度分布

图5所示为舷外大空间中心截面的温度分布图。从温度分布可以看出，高温废水进入舷外后与舷外低温海水进行充分的混合，废水温度在很短的时间和距离内便与周围海水达到了同一水平，从另一个方面也体现了导流装置对增强废水与海水之间相互混合地积极作用。

3.3 pH值度分布

图6（a）和（b）为舷外大空间中心截面的pH值分布图以及中心线pH值变化曲线。从pH值分布云图可以看出，废水通过导流装置后产生强烈的旋流，在舷外附近形成了一个低压区，导致后方高pH值海水持续回流，对排水管道出口处的低pH值废水进行充分地混合稀释，使得当地废水pH值快速上升。从中心线pH值变化曲线可以看出，舷外4m处的废水pH值已经达到7左右，大于6.5，符合IMO对船舶EGC脱硫废水的排放要求。

4 结论

本论文采用CFD数值仿真方法对某耙吸式挖泥船EGC系统废水通过导流装置后与舷外海水进行的混合稀释过程进行了模拟，通过分析舷外废水的流场、温度场及pH值分布，论证了在船舶静止状态下，舷外4m处海水pH值的达标情况。

仿真证明，排水管道内装配的导流装置能够有效地增强废水与舷外海水的混合稀释，某耙吸式挖泥船EGC系统所产生的废水（流量为320m3/h，pH值为5.5）的pH值能够在4m内迅速提升到7左右，完全满足IMO对船舶EGC系统废水排放指标的要求。

参考文献：

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

[2]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].清华大学出版社，2004.

[3]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT-流体工程仿真计算实例与应用[M].北京理工大学出版社，2004.

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

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