壓載水處理工藝中驅(qū)氧技術(shù)的停留分析

張定海，張百祁

（江蘇南極機械有限責(zé)任公司，江蘇泰興225400）

0 引言

《船舶壓載水國際公約》于2004年被聯(lián)合國IMO通過，制定公約的宗旨是防止外來生物的遷移，屬于環(huán)境保護(hù)的范疇。壓載水是為了平衡船的縱傾橫傾，也是裝卸貨時調(diào)整吃水的常用方法，但同時又會將某個港口的水和微生物轉(zhuǎn)移到另一個水域，成為外來物種。因此壓載水公約就要求處理船上的壓載水。目前有多種方法來處理船舶壓載水，利用惰性氣體將水中氧氣驅(qū)離水體使水體中缺氧從而使水體中不產(chǎn)生新的生物活性物質(zhì)，這一技術(shù)在船舶壓載水處理中得以應(yīng)用。其中，惰性氣體也有多種類型，本系統(tǒng)采用自制氮氣，利用制氮氣的壓力將水中氧氣驅(qū)離—驅(qū)氧技術(shù)使水中生物不再生長。本文針對船舶壓載水驅(qū)氧處理技術(shù)中氮氣驅(qū)氧后船舶壓載艙環(huán)境情況，進(jìn)行試驗?zāi)M計算分析。

1 驅(qū)氧技術(shù)機理

有關(guān)自然界氮氣氧氣基本基理，即自然空氣中存在氮氣和氧氣都難溶于水[1]。本文可利用2個定律來解釋水中驅(qū)氧的機理，即亨利定律和道爾頓定律。亨利定律是指某種氣體在水中的溶解度與液面上該氣體的成分（分壓）成正比；道爾頓定律即氣體混合物的總壓等于其中各氣體分壓之和[2]。

地面天然大氣中氧氣的成分約為20%，氮氣的成分約為79%，在密閉空間內(nèi)，如果氮氣的成分增加到94%，氧氣小于6%，水中的溶解氧DO會下降到約為2%～3%，一般微生物都無法生存。如果氮氣從空氣充入，由于擴散因素，水中的DO不會很快下降。如果從水中充入氮氣，則水中的氮分壓會高至722 mmHg（1 mmHg＝0.133 kPa），占絕對的優(yōu)勢，勢必把溶解氧驅(qū)除。這一過程僅需10 s，在保持壓載艙內(nèi)的氮氣正壓情況下，氮氣始終處于優(yōu)勢。氧氣本身微溶于水中，氧氣屬于難溶于水的非極性氣體分子，非極性分子與極性水分子之間存在色散力和誘導(dǎo)力2種作用力，這種作用力大小主要取決于分子質(zhì)量，分子質(zhì)量越大與水分子的作用力越大，所以分子間的范德華力也越大[3]。簡而言之，在水中的氧是利用大氣壓和水分子間隙混合進(jìn)入其一定會是一種游離態(tài)存在于水分子之間，其本身不與水融合。本文設(shè)計在水分子之間的間隙中讓氮氣、氧氣和水分子進(jìn)行比力的方式，因為氧氣分子更大、跑得更快，從而可從水分子邊上驅(qū)趕出氧氣，而由于水中有氮氣的間隙填充，離開水中氧氣無法輕易回到水中，除非通過機械翻騰曝氣或者攪動，例如泵運動，見圖1。

圖1 分子間間隙

在處理系統(tǒng)中，加配氮氣發(fā)生器生產(chǎn)氮氣的量比水中能溶解的氮氣飽和度（20.6mg/L）大很多，超過的部分溢出水面進(jìn)入水面上的空間。因此又稱為過飽和氮處理方法。如圖2所示。

正常大氣壓下，水中氧的含量DO低于9 mg/L4，計算200 t的水里約有1.8 kg 氧氣或者氧離子。

圖2 數(shù)模計算可以看出氧氣和氮氣從水中溢出

用6.25 kg 以上的氮氣將氧氣置換掉，這里用的方法是一個物理過程，空氣的質(zhì)量大約是1.26 kg/m3，其中氧氣約有252 g，氮氣約有900 g，制氮機用7m3的空氣可以提取大約5m3（6.25 kg）的氮氣。而實際用的這個數(shù)值更大，可以做到過飽和。

氮氣是由2個氮原子三鍵連接，N≡N，很穩(wěn)定幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。人們每天會吸入和呼出很多氮氣，都沒有什么危險，因此氮氣不被列為危險氣體。然而，氮氣過濃氧氣不夠時，會使人窒息，因此對氮氣進(jìn)行操作時須注意濃度安全。

2 充氮方法

充氮方法是水中充氮，與水面充氮氣相比，在水中充氮更為有效。本文設(shè)計了試驗系統(tǒng)，用玻璃管進(jìn)行觀察，如果沒有背壓，氮氣則呈氣泡狀；如果在頂部添加背壓，氮氣就會“溶解”于水[4]。沒有傳感器能測定氮在水中的存在，則利用測定水中含氧量DO 的方法來推算氮氣的可能存在的量。通過數(shù)學(xué)模型計算可知，氮氣會在不長于5倍管徑的長度內(nèi)溶解。經(jīng)實際試驗觀察，證明與數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果相仿，見其中一例。如圖3和圖4所示。

圖3 氮氣在水中溶解的數(shù)學(xué)模型

圖4 氮氣驅(qū)除艙內(nèi)氧氣過程數(shù)學(xué)模型

3 模型的選擇與簡化

氮氣和水為紊流流動，氮氣的水溶液亦為紊流流動，所以應(yīng)采用紊流模型進(jìn)行數(shù)值建模。目前，紊流數(shù)值模擬方法在實際工程中應(yīng)用最為廣泛的是Reynolds平均法（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS）。在實際工程中，人們更為關(guān)注的是由紊流造成的平均流場變化，而不是瞬時脈動量。Reynolds平均法的核心就是求解時均化的動量方程，而不是求解某一瞬間的動量方程。Reynolds平均法中應(yīng)用較多的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型。在Fluent 中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型自從被Launder and Spalding 提出之后，其適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、合理的精度使其成為工程流場計算中主要的工具。本文即采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行紊流建模。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的連續(xù)方程，動量方程、能量方程形式如下

式中：ρ為密度，g/cm3；ui為速度，m/s；P為壓力，Pa；μeff為湍流有效粘度，m2/S；h為焓；σh為焓的湍流普朗特數(shù)；δij為二階單位張量；Sra為輻射源項；Sre為反映熱源項。

上述方程組可以用如下的通用形式表示

基于產(chǎn)學(xué)研融合的寬帶無線通信課程教學(xué)模式研究………………………………冀保峰，陳蘇丹，鄭國強，等(68)

溶解氮輸運的模擬選擇組分模型（Species Model）進(jìn)行模擬。

組分模型用于對化學(xué)組分的輸運和燃燒等化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬。Fluent 提供的組分模型包括：通用有限速率模型（Generalized Finite-rate Model，Species Transport ）、非預(yù)混燃燒模型（Non-premixed Combustion Model）、預(yù)混燃燒模型（Premixed Combustion Model）、部分預(yù)混合燃燒模型（Partially Premixed Combustion Model）和組分PDF輸運模型（Composition PDF Transport Model）。

氣水混合器中溶解氮輸運的模擬選擇通用有限速率模型。該模型建立在組分輸運方程解的基礎(chǔ)上，同時采用用戶所定義的化學(xué)反應(yīng)機制。該模型的關(guān)鍵是組分輸運方程中的反應(yīng)率，它以源項的形式出現(xiàn)在組分輸運方程中。

溶解氮輸運的模擬實際上用到了兩相流體—氣相和液相。鑒于氮氣的水溶液中氮氣的含量極少，如各種型號的氣水混合器中氮氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均只有0.0029%，可以忽略不計。為簡化模型，兩相流體均采用液相的參數(shù)，即將氮氣水溶液的參數(shù)設(shè)置成與水的參數(shù)相同。

4 計算區(qū)域邊界條件

邊界條件的合理設(shè)置對數(shù)值模擬結(jié)果有很大的影響。流體邊界定義為流體的進(jìn)入或離開的界面，包括入口和出口。氣水混合器數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)置如下：

1）入口1

采用速度入口，入口速度垂直于邊界面，水流量為600 m3/h，速度大小為3.14 m/s。

2）入口2

采用速度入口，入口速度垂直于邊界面，氮氣充入量為6 m3/h，速度大小為17.7 m/s。

3）出口

采用壓力出口，設(shè)定出口表壓為0.005 MPa。型號為NB-200～NB-4000的氣水混合器中的水流速和氮氣流速等參數(shù)，匯總?cè)绫?所示。

表1 型號為NB-200～NB-4000的氣水混合器中的水流速和氮氣流速等參數(shù)匯總

型號為NB-600的氣水混合器靜態(tài)等壓（高）線如圖5所示。

圖5 型號為NB-600的氣水混合器靜態(tài)等壓（高）線（單位：Pa）

由型號為NB-600的氣水混合器的氮氣的摩爾濃度云圖（見圖3）和密度圖（見圖4）可以看出，氮氣氣流外圍較易被水吸收，而中心不易被水吸收，外圍氣泡先消失，氮氣氣泡約在氮氣注入管后L（L≈5Di，其中Di為水管管徑）處消失，說明此處氮氣已完全被水吸收。而型號為NB-600的氣水混合器裝置的透明管試驗表明，氮氣氣泡約在氮氣注入管后5Di處消失，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

5 模擬計算

計算設(shè)定采用2 000 m3的類似船舶水艙結(jié)構(gòu)，其配置參數(shù)如表2所示。

表2 2 000 m3 船舶水艙結(jié)構(gòu)配置參數(shù)

續(xù)表2

6 計算條件

數(shù)學(xué)模型計算即用計算機仿真流體力學(xué)來模擬分析不同比例水位水流和氣體的分布情況。計算針對200 m3/h～4 000 m3/h 的系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計系統(tǒng)，進(jìn)行非連續(xù)動態(tài)模型建模[5]。

傳統(tǒng)的液體在管內(nèi)流動的流體力學(xué)已經(jīng)非常熟悉，即無因次的雷諾數(shù)（Reynolds），在不計算流體的粘性和彈性時，稱為牛頓理想流體。當(dāng)雷諾數(shù)Re＜2 000時，流體呈層流狀態(tài)；當(dāng)Re＞4 000時，流體呈紊流狀態(tài)；2 000＜Re＜4 000時，稱為過渡狀態(tài)。

實際上，海水的密度隨溫度發(fā)生變化，黏度也隨之而變。海水在21℃時，運動粘度V＝1.034×10?6m2/s。NB-600中，進(jìn)、出口直徑D＝200 mm，流量Q＝600 m3/h。

式中：v為管內(nèi)流速，m/s；D為管內(nèi)徑，m；V為水的運動粘度，1.034×10?6m2/s。Re＝456 480時，Re＞4 000，流速相對穩(wěn)定，屬于紊流。

計算水分別流入2 000 m3模擬船艙的狀況，分別模擬計算水位在30%、50%、80%、100%時的水流情況。如圖6～圖9所示。

圖6 水位30%水流氣流數(shù)學(xué)模型

圖7 水位50%水流氣流數(shù)學(xué)模型

圖8 水位80%水流氣流數(shù)學(xué)模型

圖9 水位100%水流氣流數(shù)學(xué)模型

由圖6～圖9可知，水的紋流線基本相同，氣體擴散也基本相象。

因為壓載水處理考慮的是壓載水中生物情況，在考慮進(jìn)水滅活生物的同時要考慮船舶航行時，壓載水在壓載艙的停留，這個時間有長有短，在壓載水處理中被稱為停留時間（Holding Time），系統(tǒng)要保證短時間處理效果也要保證長時間停留在壓載艙的壓載水中的生物不會再生長。因此，此次計算繼續(xù)研究壓載水在驅(qū)氧處理過后進(jìn)入壓載艙以后的狀況。

本文分別計算了壓載水進(jìn)入壓載艙30%、50%、80%、100%時的水氣情況和0 h～24 h 及24h～96 h 的情況，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于實際試驗。

以下是3次試驗水體氧溶量的變化結(jié)果，分別有一個溶氧儀在2個不同水艙的水里，試驗艙是驅(qū)除過氧氣的水，氧含量在24 h 左右降到最低并持續(xù)保持。如圖10～圖12所示。

圖10 實驗監(jiān)測水中氧含量報告，實驗3次數(shù)據(jù)變化

圖11 模型計算顯示3種不同水位的水氣情況

試驗和模擬計算的結(jié)果顯示，驅(qū)氧法處理船舶壓載水時，進(jìn)入壓載艙的水中加入超量氮氣驅(qū)除水中的氧，通過P/V 閥產(chǎn)生背壓，使水中氧氣驅(qū)離水體一部分通過氣閥頂出水艙，一部分依然保持和剩余空間的空氣混合，在沒有達(dá)到整個艙充滿壓載水的情況下，水艙中24 h 內(nèi)水中持續(xù)有氧被氮氣驅(qū)出，此階段P/V 閥持續(xù)向外有氣體溢出，這一過程在24小時內(nèi)逐步停止，繼后水艙中仍保持正壓，而水面以上空余部分保持有氮氣和氧氣，在相對靜止情況下這些氮氣和氧氣都無法再回到水中，因為水中水分子間的間隙被氮氣填充，在分子比力情況下氮氣分子會更穩(wěn)定的圍繞在水分子邊。這一平衡狀態(tài)在沒有攪動、對流等劇烈運動將不會改變。

圖12 100%滿艙氣態(tài)變化

7 結(jié)論

模擬計算結(jié)果顯示氣水混合的氮氣摩爾濃度云圖和密度圖在管路中已具特點，氮氣氣流中心不易被水吸收，外圍氣泡先消失；氮氣氣泡約在氮氣注入管后的2倍～6倍水管管徑（Di）處消失，說明此處氮氣已在水中驅(qū)離其他氣體。經(jīng)過計算機仿真計算，從速度場、壓力場和跡線等方面進(jìn)行了可視化顯示。在足夠長的管路中，氮氣會被水吸收并驅(qū)出其他氣體以保持密度平衡。

各水位的計算結(jié)果顯示，同樣艙體環(huán)境下不同水位中水流情況基本相同，氣體擴散也基本相同。模擬計算可以看出，由于系統(tǒng)給予超量的氮氣使艙內(nèi)水中持續(xù)有氣體溢出并在系統(tǒng)停止水位停滯約24 h 以后趨于平衡。這一計算結(jié)果在實際試驗中也具有同樣表現(xiàn)。計算和試驗顯示空余艙位中的氣體由于其本身物理特性在沒有外界力量干預(yù)的情況下并不會對水體產(chǎn)生影響，可在密閉環(huán)境中達(dá)到相對平衡。