基于压载水的除沙旋流器设计及实验研究

王 军, 应 胜， 陈 宁

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003)(2.中国船级社 浙江分社，浙江 台州 318000)

基于压载水的除沙旋流器设计及实验研究

王 军1, 应 胜2， 陈 宁1

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003)(2.中国船级社 浙江分社，浙江 台州 318000)

为满足IMO对“压载水管理公约第D-2条规定”的要求,设计了一套可用于去除海水中不同直径颗粒泥沙的旋流器.应用FLUENT软件对旋流器内的切向速度、静压进行了分析,并模拟了不同直径颗粒的运动迹线,指出了内、外旋流对分离效率的影响,模拟结果显示,该旋流器对40μm以上颗粒去除率达100%.实验结果也表明了旋流器对40μm以上直径的泥沙分离率达到100%;对10～40μm直径范围的泥沙分离率达到90%以上;对0～10μm直径范围内的泥沙分离率在60%～70%,总体过滤性能达到90.43%.从而能有效减少压载水的含沙量,减少能源消耗.

D-2;压载水;除沙;旋流器

压载水管理公约第D-2条规定,每立方米排放水中所含的最小尺寸大于或等于50μm的活性有机物少于10个,这一规定对压载水中颗粒物粒径范围及含量做出了明确的规定.此外,从“新船能效设计指数(EEDI指数)[1]”角度考虑,对EEDI指数影响最大的装备为主机EEDIm,其计算式为:

(1)

式中:P为主机功率(kW),CF为主机功率系数(无因次常数);SFC为主机燃油消耗率(g/(kW·h));Wc为船舶额定营运载货量(t);v为船舶航速(kn).当船舶额定载货量、航速及主机功率系数不变时,降低油耗和主机功率即能降低EEDIm.减少压载水中的泥沙含量,在保持压载总量不变时,可增加船舶实际营运载货量,在保持相同经济航速的同时,可提高船舶营运经济性,减少CO2的排放[2],并达到降低EEDI指数的目的.采用水力旋流器可以实现液体中不同粒径颗粒分离,国内外对旋流器的研发、使用都取得了很好的效果,文献[3]研究了溢流管插入深度和分离效率关系,得出了在合适的溢流管插入深度时,对15～27.2μm粒径颗粒的分离效率达92.5%以上;文献[4]对高含沙量的黄河水采用初级旋流分离技术,使泥沙去除率达到70%以上；文献[5]用数值模拟法研究了锥角、入口形式对能耗及分离效率的影响；文献[6]的研究表明水力旋流器的锥形壁面的锥度改变会影响旋流器的轴向速度、切向速度以及压降等分离性能,从而对分离效果产生比较重要的影响；文献[7]研究说明在一定程度上增大旋流筒锥度会提高分离效率.

基于上述研究,文中设计了一套可用于船舶压载水固体颗粒物旋流分离的旋流器设备,分析了旋流器内的流场特性,模拟了不同直径等级的颗粒分离时的追随特征,并实验测试了除沙分离效果,达到D-2规则提出的对压载水中固体颗粒物含量要求.

1 压载水除沙旋流器设计及数值模拟

海洋水体中的悬浮颗粒物的平均浓度为10～20μg/kg,粒级范围直径通常1～10μm,生物颗粒1～1000μm之间,悬浮颗粒物主要包括了粗粉砂、粘土、微生物等,其中,粒径4～8 μm的极细砂和粒径小于4μm的粘土粒径含量较多,在长江口外滩海区,这两种粒径含量达到70%左右,且其浓度以近岸和底部区域较高.在我国沿海地区,长江、黄河水质的变差,每年均会携带较多的泥沙抵达入海口流域及其附近港口,特别是我国东部沿海地区水域的含沙量高、颗粒度小、海岸带长、受潮汐及洋流环境影响大.以一艘30万吨的VLCC为例,液货舱原油卸载后,为保持平衡和稳性需将7～10万吨的压载水打入压载舱,如上海入海口地区的海水含沙量约为1.5%左右[8],由此可见,该船压载水中的含沙量能达到1000～1500t.

目前所有入级在建船舶按IMO要求均安装了压载水过滤装置,用以减少泥沙含量,如采用滤器,但滤器装置价格昂贵,且滤网容易脏堵,大大影响过滤效果,因此采用旋流器去除压载水泥沙,是近两年刚刚兴起的新手段.旋流器是一种利用切向入口的高速射流作用,在圆柱形旋流腔内产生高速旋流场,对不同密度的介质进行超重力场的物理分离.其基本结构如图1,由切向进口、溢流管、圆柱段旋流腔、锥段与底流口组成.溢流管在圆柱形旋流腔的上端与顶盖连接,切向进口在圆柱形旋流腔上部沿侧面切向进入旋流腔内.水力旋流器的锥体角度与分离粒度成正比,工业上对于粗粒分离的锥角一般为20°～45°.但船舶压载水中的泥沙属于细粒度,应选择锥角较小的旋流器,一般为10°～15°锥角.同时,压载水进入旋流器的进口压力是重要的性能指标,粗级分离进口压力一般为0.05～0.1MPa,对细级或泥质分离则需要0.1～0.3MPa,文中设计压力为0.25MPa.旋流器的直径是影响产能的关键参数,按经验公式有:

(2)

式中:D为水力旋流器基本直径(cm);δ为固相密度(t/m3),取1.03;Δpm为入口压力(MPa),取0.25;qn为旋流器的生产能力(t/h),取设计流量50m3/h;cw为混合百分比,按含沙量1.5%,取0.015.代入(2)式中,得D=19.5cm,实取D=20cm.其他主要尺寸可按:溢流口直径Do=(0.2～0.4)D;底流口直径B=(0.25～0.5)D;溢流管插入深度S=(0.2～0.5)D;柱体高度H=(3.5～5)D.

图1 基本结构图Fig.1 Basic structure diagram

综上可得,旋流器设计锥角为10°,处理流量为50m3/h,属于长锥形、小锥角、溢流管浅插入型旋流器.基本参数如下:a=95mm,b=38 mm,h=193mm,B=72.5mm,D=200mm,Do=64mm,H=760mm,S=95mm,T=55mm.

用GAMBIT建模,对旋流器的多连通区域采用多块结构化六面体网格划分(图2).应用FLUENT软件对其内部流场进行了分析,湍流模型采用雷诺应力模型(RSM模型).边界条件设定为:入口边界采用速度入口,流速为12m/s;出口边界为充分发展状态;壁面边界为壁面无渗漏,采用无滑移边界.由于其流场复杂,所做的分析对象较多,这里仅列举影响分离的关键流场特征:切向速度分布和静压分布,并对不同颗粒直径进行迹线模拟.

图2 网格划分图Fig.2 Mesh divided map

1.1 切向速度

在旋流器的速度场中,最重要的速度是切向速度.在数值上,切向速度要远大于轴向速度和径向速度,而且切向速度是分离的离心力场产生的主要动力[9],是决定旋流分离和控制内部流动稳定性的决定因素,同时又关系到旋流器的效率和阻力.

以底流口中心为Z轴起点,取切向入口并距底流口Z=720mm的位置为典型截面,该截面处切向速度(V)分布如图3.

图3 Z=720 mm高度切向速度分布

Fig.3TangentialvelocitydistributionattheheightofZ=720mm

从图3可以看出,旋流器内切向速度的基本趋势是器壁处的切向速度最小,沿径向方向由器壁向中心区随着半径的减小,不断增大至最大值后又逐渐减小,接近旋流器中心轴线处又降到较小的低速区,这表明旋流器中心轴线附近为切向速度低速区,形成了旋涡,其结构呈现典型的双涡结构,这与实际情况是相一致的.在旋流器中心区域表现为强制涡，器壁附近表现为自由涡,双涡交界位置处的切向速度最大,在r=50mm附近取得.内、外旋流的存在一方面表明了原液经旋转后与后续进入的液体发生了碰撞、汇合等能量损失;另一方面外旋流的增大会使得密度较大、颗粒度较大的泥沙能够沿轴向被挤压到底流口,从底部排出,这也是旋流器在分离时需要一定的工作压力以产生足够大的旋流流场的原因.

1.2 静压

图4为旋流器内不同截面位置的静压分布图.从图4中X=0剖面可以看出,静压沿轴向由顶盖向底流口,在中心附近沿轴线方向,压力变化不明显,等压位置几乎和轴线平行,可以认为压力受轴向位置的影响不大;从图中其他几个截面静压分布云图可见,沿着径向方向,静压随着半径的减小而急剧降低,近壁处的压力为最高,中心轴线位置附近压力最低,这与理论上在旋流器内中心轴线附近易形成低压空气柱相一致.这一低压区的存在会使得颗粒度小、密度小的介质没来得及充分分离,就随内旋流一起从溢流口排出,从而降低了分离效率.

图4 不同截面静压分布云图Fig.4 Static pressure contours distribution atdifferent sections

1.3 不同直径颗粒物迹线模拟

采用离散相模型进行颗粒运动轨迹的仿真模拟,设定3组不同粒径泥沙,分别为10，25，40μm,泥沙密度为2600kg/m3,每组颗粒的质量流率设为0.05kg/s.运用三维单精度模式,创建颗粒喷射源,设最大步长为2500,其模拟结果如图5.

从图5可以看出,直径为10μm的颗粒由于其重量轻,惯性小,沙粒随液流旋转向下运动,大部分颗粒在外旋流作用下一起到达底流口排出,小部分沙粒到达锥段或者底流口后,会随中心区的内旋流螺旋上升,进入溢流口,并从溢流口排出,降低了分离效率.对比25μm和40μm的沙粒迹线图,由于颗粒直径变大,质量增大,受到较大离心力后被甩向壁面,沿壁面在外旋流推挤作用下,直接从底流口排出.图5c)显示出40μm的颗粒惯性更大,更容易保持原来的运动轨迹,顺着外旋流螺旋下降,直接进入底流口,几乎没有从溢流口排出大颗粒，这也表明了旋流器对40μm以上直径颗粒的分离效率非常高.

模拟结果显示,设计的旋流器对较大颗粒直径的泥沙能有较好的分离效果,特别是40μm以上达到100%分离,这对于减少船舶压载水中的泥沙等大颗粒物的含量是有效的,所分离的泥沙量越多,船舶总吨就会减少,EEDI指数就会降低.

a)10μm

b)25μm

c)40μm

2 实验及分析

本实验样品分析由国内某科学研究中心分析处理(甲级资质).实验目的:鉴定旋流器对样品的除沙效率、样品的含沙量以及主要粒径成分.利用量筒、量杯、漏斗、滤纸、DHG-901A型恒温鼓风干燥箱、FA2104N型电子天平等仪器进行含沙量分析实验,利用马尔文MS2000型粒度仪、KQ250DA型数控超声波震荡仪、玻璃棒、酒精灯、铁架台、烧杯、石棉网、双氧水、六偏磷酸钠溶液进行粒径级配分析.实验参照国家技术监督局GB 50159-92《河流悬疑质泥沙测验规范》以及水利部SL42-92《河流泥沙颗粒分析规程》相关规定.实验系统如图6.

实验时,采用离心沙浆泵将含有不同粒度的原液沿切向入口打入旋流器进行分离,对溢流口和底流口分离产物进行取样进行颗粒度检测,并在干燥后称重测定含量.因实验数据量较多,以其中一组实验数据(表1)为例. 由表1实验数据可见,当压力大于1kgf/cm2时,旋流器对40μm以上直径的泥沙分离率达到100%,对10～40μm直径范围的泥沙分离率达到90%以上,对0～10μm直径范围内的泥沙分离率在60%～70%左右.总体过滤性能达到90.43%.

图6 实验系统Fig.6 Experimental system

这与仿真模拟所得结论是一致的,细颗粒度直径泥沙由于其质量微小,与海水的密度差也小,能较长时间悬浮在海水中,在旋流分离时,这部分小直径的泥沙在旋流时很容易会随着中心区的内旋流从溢流口随海水一起排出,导致该组分的分离效率降低.稍大颗粒的泥沙由于其质量的增加,在分离时追随能力强,能随外旋流直接到达底流口排出,因而分离效率高.事实上,本旋流器不但可以去除海水中的泥沙,也可以去除海水中与泥沙同级颗粒直径的藻类或水生物,因此可将旋流器安装在压载水处理系统的前道处理环节,实验数据也显示了分离效果达到了压载水管理的D-2标准.

表1 实验数据Table 1 Experimental data

3 结论

旋流器在分离时基本不受重力影响,安装灵活,可在现有船舶任意船体空间内安置(立式、卧式、舷侧倾斜安装均可),提高了已造船的可改装性.实际运用时可根据船舶压载水总量需要进行多组并联安装,增加了处理量和缩短压载水处理时间.且设备运行能量消耗低,内部无运动部件,几乎终身免维护,大大降低船舶营运成本,提高经济性.

文中旋流器除沙效率能达到90%以上,以一艘船的压载水总量约占总吨的1/3计算,即能减少的泥沙量约占船舶总吨的0.45%.实验中设定的海水泥沙含量浓度取值于我国东海地区最为严重区域,考虑到不同海域的含沙量差异性,旋流器在处理不同海域压载水的总体分离效果因而也会有变化.降低EEDI指数是一个多目标函数[10],将更多的能效因素纳入到综合考虑体系,才能适应IMO越来越严格的EEDI要求.

References)

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(责任编辑：曹 莉)

Designandexperimentalstudyofhydrocycloneforremovingsandfromballastwater

Wang Jun1, Ying Sheng2, Chen Ning1

(1.School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003, China)(2.Zhejiang Branch,China Classification Society,Taizhou Zhejiang 318000,China)

In order to meet the IMO requirements of “ballast water management provisions of article D-2”, a hydrocyclone is designed for the removal of sediment particles of different diameters in seawater.FLUENT software is applied to the analysis of the tangential velocity and the static pressure in the cyclone.Trajectories of the particles are simulated, and inner and outer vortex effects on separation are pointed out.The simulation results show that the cyclone removal rate is 100% for particles with diameter greater than 40μm.Experimental results show that the sediment separation rate in hydrocyclone for particles of such size reaches 100%, silt separation rate is above 90% in the 10～40μm particle diameter range,silt separation rate is 60%～70% in the 0～10μm particle diameter range, and the overall filter performance reached 90.43%.It can effectively reduce the silt concentration of ballast water and energy consumption.

D-2;ballast water;silt removal;hydrocyclone

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.06.008

2014-04-30

王 军(1978-),讲师,研究方向为船舶设备性能、船舶数字化设计及仿真等.E-mail:ecsi-wj@163.com

U664.9;X52

A

1673-4807(2014)06-0552-05