船舶廢氣濕法脫硫系統(tǒng)布置及結構強度研究

摘 要：該文圍繞洗滌水系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)這兩部分，針對船舶廢氣濕法脫硫系統(tǒng)的結構設計方案進行說明，并對船舶廢氣濕法脫硫系統(tǒng)的硬件設計與布設要求做出分析與闡述。在此基礎上，通過對洗滌塔重要結構的強度有限元分析，探討設備的振動對于結構強度的影響，結果表明，船舶的艉甲板比較適合新加塔房結構的承重;洗滌塔單元基礎具有足夠的承載能力承受設計載荷。

關鍵詞：船舶廢氣;濕法脫硫系統(tǒng);結構強度;有限元分析;結構設計

中圖分類號：X736.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0085-04

Abstract： Focusing on the two parts of the washing water system and the exhaust system， the article explains the structural design plan of the ship exhaust gas wet desulfurization system， and analyzes and expounds the hardware design and layout requirements of the ship exhaust gas wet desulfurization system. On this basis， through finite element analysis of the strength of important structures of the washing tower， the influence of equipment vibration on the structural strength is discussed. The results show that the stern deck of the ship is more suitable for the load-bearing of the newly added tower house structure; the unit foundation of the washing tower has sufficient bearing capacity to withstand the design load.

Keywords： ship exhaust gas; wet desulfurization system; structural strength; finite element analysis; structural design

濕法脫硫技術具有較為理想的經(jīng)濟性與可操作性，因此在當前的船舶廢氣除硫處理中更為常用。實踐中，為確保相應脫硫技術可以得到可靠應用，必須要落實對船舶廢氣濕法脫硫系統(tǒng)的合理布設，確定各類底座結構和塔房結構對原船的結構和重量分布會產(chǎn)生的影響，避免相應系統(tǒng)的設置對船舶運營的經(jīng)濟性和安全性產(chǎn)生負面影響。

1 船舶廢氣濕法脫硫系統(tǒng)的結構設計

1.1 洗滌水系統(tǒng)

在開式除硫系統(tǒng)中的洗滌水系統(tǒng)實際運行期間，主要結合對洗滌海水泵的應用，實現(xiàn)從海水總管中取水的操作，以此將提取到的海水作為洗滌水;在加壓的條件下，控制提取出的部分海水（洗滌水）順利通過管路并轉(zhuǎn)移至洗滌塔的引流段進行引流和冷卻，部分海水會轉(zhuǎn)移至吸收段，依托對噴嘴的應用實施霧化除硫。在重力的作用下，提取出的海水普遍會匯集在洗滌塔的底部位置，并在洗滌水排出管的支持下，順利排出到舷外。在當前的實踐中，更多使用離心泵作為洗滌海水泵，而由于離心泵并不具備自吸能力，所以如果想要實現(xiàn)在海水總管內(nèi)順利取水，就必須要將該洗滌海水泵（離心泵）在機艙的底層區(qū)域布設。對于洗滌塔而言，其在實際的運行過程中需要從各燃油設備的排氣管匯總的排氣總管內(nèi)完成取氣作業(yè)，而在正常情況下，高溫排氣會自動向上排出，以此需要確保排氣總管的布設位置始終保持在不低于最高燃氣設備布設位置的條件下。廢氣組合鍋爐為布設在機艙棚內(nèi)最高點位置的燃油設備，結合上述的分析可以明確的是，必須要在高于廢氣組合鍋爐布設位置的區(qū)域，落實對排氣總管的設置。與之相對應的是，要保證洗滌塔的布設高度與廢氣組合鍋爐基本保持在相同水平[1]。然而，受到機艙棚位置本身較為狹小的影響，普遍只能夠?qū)⑾礈焖趶U氣組合鍋爐上面一層的位置進行布設。而對于改裝船而言，受到機艙棚內(nèi)原有布設的復雜性較為明顯的影響，只能夠在機艙棚的外部區(qū)域進行船體結構的加設，并在附加結構內(nèi)布設洗滌塔，如圖1所示。

在閉式除硫系統(tǒng)中的洗滌水系統(tǒng)實際運行期間，主要結合對處理水循環(huán)泵的應用，實現(xiàn)從處理水柜中取水的操作;在加壓的條件下，控制提取出的水（洗滌水）順利通過管路并轉(zhuǎn)移至洗滌水冷卻器中，在相應冷卻器內(nèi)完成對高溫洗滌水的冷卻處理;控制經(jīng)過冷卻處理后的洗滌水向著洗滌塔內(nèi)轉(zhuǎn)移，為廢氣冷卻、廢氣內(nèi)硫氧化物的吸收提供有力支持。

1.2 排氣系統(tǒng)

在排氣系統(tǒng)內(nèi)，排氣管與洗滌系統(tǒng)之間始終保持在相連接的狀態(tài)下。在開式模式的條件下，原本存在于海水箱內(nèi)的洗滌水在泵的作用下迅速轉(zhuǎn)移至洗滌單元內(nèi);在進入到洗滌塔內(nèi)后，洗滌水被劃分為3層噴出。其中，第一層洗滌水存在于文丘利管中，用于對廢氣流速的增大，促使背壓下降，減少硫化物以及顆粒物;第二層、第三層洗滌水存在于洗滌塔內(nèi)，將除霧裝置加設在洗滌塔的塔頂末端，能夠有效降低水滴隨排出氣流帶出這一現(xiàn)象的發(fā)生概率。加設旁通管，確保洗滌單元在發(fā)生故障（無法正常運行）的狀態(tài)下，燃燒設備依舊可以維持在穩(wěn)定運行的條件下?；陂_式模式的應用，洗滌廢水可以迅速、有效地排放到舷外。

在洗滌塔內(nèi)，廢水與水混合后受到清洗;在排氣煙囪與燃油機械之間的位置加設洗滌塔，在引流管的支持下，廢氣可以順利轉(zhuǎn)移至洗滌塔內(nèi)部;洗滌塔內(nèi)部，廢氣會轉(zhuǎn)入冷卻狀態(tài)，其中所存在著的部分顆粒物、硫氧化物會被帶走，同時廢氣會在洗滌塔內(nèi)受到進一步清洗。旁通裝置是廢氣清洗系統(tǒng)的重要結構，在旁通閥轉(zhuǎn)入到開啟狀態(tài)后，廢氣會迅速向著煙囪中移動，洗滌塔被旁通。在取氣閥轉(zhuǎn)入到開啟狀態(tài)后，廢氣可以順利通過洗滌塔。對于旁通閥與取氣閥而言，要求確保二者之中始終有一個閥門維持在開啟狀態(tài)下，以此體現(xiàn)出對燃油機械的更好保護。

2 船舶廢氣濕法脫硫系統(tǒng)的硬件設計與布設

2.1 基于洗滌水洗滌及其處理的排放系統(tǒng)

2.1.1 脫硫海水泵

對于脫硫海水泵來說，其在實際運行過程中，主要在海底閥箱或海水總管位置取水，并在加壓的條件下，將提取到的海水轉(zhuǎn)移至高位的洗滌塔內(nèi)。在脫硫海水泵的運行期間，主要由電機驅(qū)動，以此實現(xiàn)對泵啟動、停止的有效控制。脫硫海水泵的揚程主要與下述2項參數(shù)息息相關，即洗滌塔的布設位置，其與系統(tǒng)的重力壓頭緊密關聯(lián);洗滌塔內(nèi)所設置的水噴嘴（用于海水噴射）在霧化作業(yè)期間所需要的壓力大小，與系統(tǒng)的動壓頭息息相關。要求確保脫硫海水泵的揚程能夠始終保持在超過上述2項參數(shù)之和的條件下。

2.1.2 脫硫洗滌塔

在除硫系統(tǒng)中，脫硫洗滌塔占據(jù)著核心地位。U型脫硫洗滌塔主要由吸收器段和射流器段兩部分構成。其中，吸收器段可以進一步劃分為3段，即上段、中段與下段;射流器段可以進一步劃分為2段，即導管段與射流段，如圖2、圖3所示。

2.2 燃油設備的排氣與后處理系統(tǒng)

2.2.1 廢氣加熱鍋爐

對于燃油設備而言，其實際所排出的廢氣普遍具有相對較高的溫度。其中，主機排出廢氣的溫度普遍維持在220～340 ℃的水平;發(fā)電機排出廢氣的溫度普遍維持在290～360 ℃的水平。基于這樣的情況，出于對推動能源利用率有效提升的考量，應當控制主機、發(fā)電機所產(chǎn)生的高溫排氣轉(zhuǎn)移至廢氣加熱鍋爐內(nèi)，促使相應排氣所具有的熱量能夠傳遞至鍋爐水，使得鍋爐水可以汽化并轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，為機艙艙柜的加熱、其他用熱用戶使用提供支持。

2.2.2 消音器

中高速機在實際的運行過程中，由于排氣的高速、高頻，會隨之產(chǎn)生中高頻噪音?；谶@樣的情況，為減小實際排氣過程中中頻、高頻噪聲的產(chǎn)生，就需要將消音器加設在排氣管道上，以此實現(xiàn)對排氣噪聲的減少，推動船舶舒適程度的進一步提高。

2.2.3 排氣壓力平衡風機

對于主機、主鍋爐、發(fā)電機、輔鍋爐等設備而言，其所排出的氣體主要在相同的洗滌塔內(nèi)通過。在此過程中，所面對的主要問題為，多個設備排氣在洗滌塔后的備壓保持在一致的狀態(tài)下，然而，由于上述幾種設備實際所使用的燃燒形式不盡相同，因此對于備壓所具備的敏感性程度也存在著明顯的不一致現(xiàn)象，與之相對應的是，各個設備對于排氣備壓的要求也有所差異[2]?；谶@樣的情況，必須要投放排氣壓力平衡風機，切實參考不同設備的排氣量落實對風機排量的靈活性、動態(tài)性調(diào)節(jié)，保證洗滌塔后段的備壓始終保持為零。

2.3 洗滌塔重要結構的布設要求

2.3.1 空間要求

設備處所和操作空間是塔房設計的基本出發(fā)點。首先根據(jù)設備的外形尺寸，塔房的基本外形尺度可以做出合理的預估。然后，脫硫洗滌塔需要合理地布置在塔房內(nèi)的底座上，其高度需要和煙囪內(nèi)排煙管的高度匹配，盡量避免備壓損失，同時保證底部留有足夠的絞機操作高度;但是又不能高過煙囪或者生活區(qū)[3]。在寬的尺度要求上，要求寬度不能超過船寬的1/4，長度的覆蓋范圍最高不能影響舵軸工藝孔的位置。另外，在滿足這些前提條件下，設備的邊緣到塔房壁板的距離還需要考慮塔房內(nèi)水平桁的寬度和過道寬度要求。

機艙里的設備，特別是海水泵，需要留出足夠的安裝空間和操作空間。同時要求必須保證機艙過道600 mm的凈寬度不被占用;高度盡量靠近3 781 mmA/BL高度位置。

2.3.2 位置要求

除了在前文中提到的脫硫系統(tǒng)位置對船舶重量重心的影響，洗滌水泄放管入艙位置也決定著設備（脫硫塔）及塔房的最終位置。由于洗滌水泄放管的使用要求和材料的特殊性，管路布置時盡量豎直布置、避免彎頭。在本案例中，因為塔房區(qū)域和纜繩工作區(qū)域的重疊，在結構立柱布置時，還需要考慮纜繩的走向。立柱的位置既不能和纜繩干涉，也不能影響絞機的操作。

2.3.3 強度要求

脫硫系統(tǒng)的塔房在日常使用中主要承受的是設備的重量、風載和船舶航行時在3個方向上的加速度。由于結構所處的高度和位置，一般的甲板載荷和波浪抨擊對結構的作用不大。在后面的結構強度分析中，主要考察的也是在船舶航行狀態(tài)下的結構強度。在滿足強度要求的基礎上，盡量選用輕便的材料和結構形式也有利于船舶的重量控制和工程成本控制[4]。

3 洗滌塔重要結構強度的有限元分析

3.1 洗滌單元強度的有限元分析

洗滌單元強度的有限元分析，設定的模型范圍為，F(xiàn)E模型包括縱向上FR10-FR20+400的結構，縱向上從船甲板到EL39735mm的結構。模型理想化：所有結構，如甲板、艙壁和梁腹板建模與殼單元。所有甲板、艙壁和梁翼緣的加強筋都用梁單元表示。以管為梁單元，以連接為板單元。模型如圖4所示。

附加荷載設定如下：洗滌單元自重24 t，用MPC連接到洗滌單元的基座。加速度由船舶所有者提供，并將基本載荷工況合并為最終載荷，見表1。

分析中，得到的額外壓力數(shù)據(jù)值見表2。

采用Norsok N-004規(guī)則對立柱進行屈曲強度校核，所得到的結果表明，洗滌塔單元基礎具有足夠的承載能力承受設計載荷。

3.2 海水泵基座以及支撐結構強度的有限元分析

海水泵基座以及支撐結構強度的有限元分析期間，搭建并使用的有限元模型包括縱向FR30-FR36的結構。甲板、艙壁和梁腹板建模成殼單元。所有甲板、艙壁和梁翼緣的加強筋都用梁單元表示。以管為梁單元，以連接為板單元。模型如圖5所示。

附加荷載設定如下：海水泵自重1.6 t，用MPC連接到洗滌單元的基座。加速度由船舶所有者提供，并將基本載荷工況合并為最終載荷。分析中，得到的額外壓力數(shù)據(jù)值見表3。

采用Norsok N-004規(guī)則對底座支架進行屈服強度校核，所得到的結果表明，洗滌塔單元基礎具有足夠的承載能力承受設計載荷。

3.3 結論

通過對塔房結構和底座結構的強度有限元模擬計算校核，得出以下結論：第一，在船舶正常航行時，塔房的結構和設備的底座完全可以滿足設備正常運行的保護需求。第二，塔房與機艙棚平臺的兩層連接在有限元模擬中沒有體現(xiàn)，實際工程中由于這兩道約束的存在，塔房結構的振動（晃動）會更小。第三，海水泵的位置對內(nèi)底結構不會造成較大載荷。第四，結構設計符合規(guī)范要求，且滿足正常使用。

4 結束語

綜上所述，本文圍繞船舶濕法脫硫系統(tǒng)實現(xiàn)的需求，從船舶濕法脫硫系統(tǒng)組成、系統(tǒng)布置、結果強度3個方面進行了深入研究，主要結論如下：①在目前的市場情況下，選擇加裝尾氣脫硫系統(tǒng)，是比較安全且經(jīng)濟的脫硫排放選擇。②開式脫硫系統(tǒng)具備比較高的經(jīng)濟性和可操作性，對船舶的穩(wěn)定性和結構影響較小。③通過結構的強度有限元分析可以得出，船舶的艉甲板比較適合新加塔房結構的承重;機艙底的結構完全可以滿足海水泵的強度布置要求。

參考文獻：

[1] 趙婉瑩.船舶艙底油污水與廢氣洗滌廢液的協(xié)同處理方法[D].大連：大連海事大學，2023.

[2] 姜春曉.新型液體氧化劑在船舶柴油機廢氣一體化脫硫脫硝中的應用研究[D].濟南：山東交通學院，2023.

[3] 郭士義，程俊其，韓志濤，等.船舶廢氣CaO漿液閉式濕法洗滌的脫硫性能與機理[J].船舶工程，2022，44（11）：69-75，117.

[4] 鄒天宇.CaO漿液濕法洗滌同位協(xié)同O3氧化脫硫脫硝性能實驗研究[D].大連：大連海事大學，2021.

基金項目：江蘇航運職業(yè)技術學院橫向課題（H2020019）

第一作者簡介：吳燦（1985-），女，碩士，講師。研究方向為船舶與海洋結構物設計與制造。